بخشی از مقاله
چکیده
در اوایل 2012، اتحادیه بینالمللی مخابرات - ITU - تحت نظر سازمان ملل برنامهای را برای توسعه تیم ارتباطات بینالمللی موبایلی - IMT - برای افق 2020 و فرای آن - IMT-2020 - آغاز کرد. در نتیجه رسماً یک مسابقه جهانی برای تعیین نسل پنجم - 5g - شبکه موبایل شروع شد .
شبکه های مخابرات بی سیم نسل آینده با تخصیص بهینه ی منابعی همچون توان و طیف بصورت کامل از یک سو به دنبال پاسخگویی به درخواست های روزافزون استفاده از سرویس های تجهیزات همراه هستند و از سوی دیگر به دنبال کاهش تداخل بین شبکه ای هستند. همچنین با توجه به نیاز روزافزون انتقال سریع اطلاعات، طراحان به سمت بهره گیری از فناوری های پیشرفته سوق داده شده اند.
با افزایش پیچیدگی این شبکه ها، مدیریت بهینه ی منابع در دسترس نیز از اهمیت بیشتری برخوردار می گردد؛ بنابراین جهت افزایش کارایی شبکه های سلولار از منظر طیف و انرژی و همچنین با در نظر گرفتن کیفیت سرویس مورد انتظار کاربران ضرورت متراکم سازی پیکربندی شبکه امری اجتناب ناپذیر است. استفاده از استقرار انبوه سلول های کوچک و بکارگیری آنتن های چند ورودی و چند خروجی انبوه دو راهکار پیشنهاد شده نوین در مواجهه با رشد انفجاری ترافیک شبکه های بی سیم است.
در این مقاله ابتدا به طرح مساله جدیدی با با ترکیب دو سناریو سلول های کوچک و مایمو انبوه می پردازیم و سپس با در نظر گرفتن شروط تضمین کیفیت به عنوان قیود مساله سعی در حل آن جهت کمینه کردن انرژی مصرفی خواهیم داشت. در پایان با ارائه نتایج شبیه سازی، کاهش موثر مصرف انرژی از طریق ترکیب دو سناریو ذکر شده را اثبات خواهیم نمود.
مقدمه
نسل پنجم مخابرات سیار به مجموعه فناوری هایی اطلاق می شود ک قابلیت هایی فراتر از فناوری های نسل فعلی و به ویژه نسل چهارم داشته و قابلیت پاسخگویی به نیازهای سال های آینده در حوزه ارتباطات بی سیم را دارا باشند. به همین دلیل به این شبکه ها، شبکه های فراتر از نسل چهارم و یا شبکه های فراتر از 2020 نیز اطلاق می شود. اگرچه تحقیقات در این زمینه در چند سال اخیر آغاز شده، ولی هنوز تعریف جامع و استاندارد خاصی برای شبکه های نسل پنجم ارائه نشده است.
با این وجود، هدف اصلی و مشترک تمامی تحقیقاتی که پیرامون فناوری های نسل پنجم در جریان است، ارتباط تعداد نامحدود اشیا با یکدیگر با ظرفیت ارتباطی نامحدود و کیفیت سرویس بالا است . - Rodriguez,2015 - با وجود ویژگی ها و سرویس های متمایز فناوری های سیار نسل چهارم نسبت به فناوری های پیشین خود و با وجود رشد و توسعه سریع آنها در سال های اخیر، پیش بینی می شود که این فناوری ها تنها تا حدود یک دهه آینده پاسخگوی نیازهای کاربران باشند
رشد ترافیک داده به میزان چند صد برابر، افزایش تعداد ابزارهای متصل به شبکه های بی سیم به میزان چند ده برابر و متنوع شدن سرویس های مورد تقاضای کاربران در سال های آینده، توسعه شبکه های فعلی را ضروری می سازد. بدین جهت در چند سال اخیر ایده شبکه های سیار فراتر از نسل چهارم و یا همان شبکه های نسل پنجم مطرح شده است.
شبکه های بدون سیم در سال های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. از مهمترین دلایل استفاده از این شبکه ها قابلیت تحرک، برپاسازی سریع و سهولت کاربرد آنها نسبت به شبکه های باسیم است. از مشکلات اساسی این شبکه ها کانال های محو شونده است. یکی از راه های مقابله با محوشوندگی در کانال های بی سیم استفاده از شیوه های چندگانگی در ارسال یا دریافت سیگنال است. در شیوه های چندگانگی، نمونه های مستقل سیگنال به گیرنده خواهد رسید و گیرنده با استفاده از این نمونه های مستقل می تواند اثرات محوشوندگی را از سیگنال بزداید. بنابراین اهمیت پرداختن به مایمو انبوه به عنوان مهمترین و پیشرفته ترین روش ارسال و دریافت چندگانگی در شبکه های بی سیم ضروری بنظر می رسد.
از سوی دیگر بازار سرویس های مخابراتی اگر چه از رشد سریعی برخودار است، اما با محدودیتی اساسی در منابع رادیویی مواجه بودهو نکته مهم دیگر عدم بهره گیری بهینه از این منابع محدود است. بر این اساس در راستای بهینه سازی استفاده از منابع، تغییر رویه مدیریت سنتی منابع امری ضروری است. بی تردید روش های کنونی مدیریت طیف علاوه بر بهینه نبودن قادر به برآوردن نیازهای فناوری آتی نیز نخواهد بود، بنابراین حرکت به سمت روش های انعطاف پذیری که تحت عنوان مدیریت پویای منابع خوانده می شوند امری اجتناب ناپذیر است. فناوری سلول های ماکرو امروزی برای ایجاد پوشش وسیع و فراگیر بسیار مناسب هستند اما با این وجود قادر به پاسخگویی به رشد روزافزون تعداد کاربران و خدمات مورد انتظار آنها نیستند . علاوه بر این از نظر بهینگی انرژی هم بسیار ناکارآمد هستند.
به نظر می رسد که راه حل در استقرار انبوه سلول های ارتباطی و بیشینه سازی استفاده مجدد از فرکانس و بعد فضایی است که در این راستا می توان به دو فناوری مایمو انبوه - Rusek,2013 - و - Hoydis,2013 - و استقرار سلول های کوچک فناوری مایمو انبوه با استقرار گسترده آرایه های آنتن در ایستگاه های پایه در جهت کاهش انرژی مصرفی بسیار تاثیرگذار است، زیرا که با داشتن انبوهی از آرایه ها می توان انرژی را بصورت متمرکز به سمت کاربر گسیل نمود که از تلفات انتشار، تداخل درون و برون سلولی، نویز و غیره و ... جلوگیری به عمل می آید.
فناوری استقرار انبوه سلول های کوچک بصورت همپوشان با استفاده از این فرض که بیشتر ترافیک موجود در شبکه بصورت محلی است و قابلیت حرکت پاییینی دارد در کاهش حجم ترافیک سلول های ماکرو تاثیر بسزایی دارد. این روش میانگین فاصله کاربر با فرستنده را کاهش داده که خود منجر به کاهش تلفات انتشار و بهره وری بیشتر انرژی می شود. اما ایجاد چنین شبکه ای دارای هزینه های همچون پیچیدگی در کنترل لایه های مختلف و یا هماهنگی درون یا برون سلولی برای عدم تداخل نیز است.
توان کل مصرفی را میتوان بصورت دو بخش ثابت ناشی از سخت افزارها و پویای ناشی از توان گسیل شده آرایه ها، مدل کرد - Cui,2005 - و . - Auer,2012 - استفاده از فناوری های مایمو انبوه و سلول های کوچک بهبود چشمگیری در کاهش انرژی مصرفی بخش پویا خواهند داشت اما در مقابل به دلیل نیاز به سخت افزارهای بیشتر سبب افزایش در بخش ثابت خواهند شد. بنابراین استقرار انبوه سلول های کوچک باید بصورت دقیق برنامه ریزی و بهینه شده باشد تا منجر به کاهش توان کل مصرفی گردد.
مایمو و سلول های کوچک
یکی از روشهای متداول افزایش ظرفیت سیستمهای بی سیم، استفاده از ایده - Multiple -Input Multiple - MIMO Output - است. برای رسیدن به این مقصود باید به خواص آرایه آنتنهای استفاده شده در سیستم توجه کرده و در فرایند طراحی آنتنها نیز خواص سیستم MIMO را در نظر گرفت . - Elijah,2015 - آنالیز صورت گرفته در دو حالت رژیم توان پایین - low SNR - و حالت کلی توان می باشد. نشان خواهیم داد که با طراحی مناسب جهتگیری الگوی تشعشعی آنتنها در رژیم توان پایین می توان ظرفیت را به مقدار قابل توجهی افزایش داد. روابط و فرمولهای تقریبی فرم بسته برای ظرفیت سیستم در این حالت ارائه شده است.
در حالت کلی توان ارسالی، می توان مساله را در دو حالت محیط همسانگرد - isotropic - و محیط غیر همسانگرد بررسی کرد. در حالت محیط همسانگرد، پارامتر مهم تعیین کننده عملکرد سیستم همبستگی بین آنتنها است. - Mason,2010 - در این حالت نشان داده ایم که با جهتگیری مناسب الگوی تشعشعی آنتنها می توان همبستگی بین آنها را به مقدار قابل توجهی کاهش داد.
در حالت محیط غیر همسانگرد می توان نشان داد که کم کردن همبستگی به تنهایی برای بالا بردن ظرفیت کافی نمی باشد، و باید در فرایند طراحی کل عبارت ظرفیت را در نظر گرفت. طبق نتایج به دست آمده در این حالت می توان نشان داد که با انحراف دادن زاویه جهتگیری الگوی تشعشعی نسبت به جهت اصلی سیگنالهای فرودی به بیشینه ظرفیت دست می یابیم . - Bright,2014 - بررسی ما نشان می دهد که این انحراف زاویه تابع میزان غیر همسانگردی محیط است. همچنین نقش تزویج - coupling - آنتنها در این تحلیل مورد بررسی قرار گرفته است. نشان داده شده است که این پدیده بر پیشنهاد ارائه شده اثر مخربی دارد و بنابراین باید برای کم کردن اثر آن آنتنهای مناسبی انتخاب شود
