Дослідження методів енергозбереження обладнання користувачів у системах зв’язку 5G
Автор: Кравець Юрій Валерійович
Кваліфікаційний рівень: магістр (ОНП)
Спеціальність: Телекомунікації та радіотехніка (освітньо-наукова програма)
Інститут: Інститут інформаційно-комунікаційних технологій та електронної інженерії
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Сучасні мобільні мережі п’ятого покоління (5G) є ключовою технологією, що забезпечує високошвидкісний зв’язок, низьку затримку та підтримку масового підключення пристроїв в умовах Інтернету речей (IoT). Проте однією з основних проблем таких мереж є високе енергоспоживання користувацького обладнання (UE – User Equipment), що значно впливає на автономність пристроїв, стабільність роботи мережі та загальну ефективність зв’язку. Враховуючи зростаючий обсяг мобільного трафіку, потребу в обробці великої кількості даних і підтримку нових сервісів (VR/AR, автономний транспорт, розумні міста), дослідження енергоефективних механізмів управління UE стає важливим завданням. Відомо, що основні витрати енергії у користувацькому обладнанні припадають на радіочастотну підсистему, процесорні обчислення та інші апаратні модулі, які виконують обробку сигналу, передачу даних та керування зв’язком. Впровадження адаптивних механізмів управління енергоспоживанням дозволяє суттєво зменшити споживання електроенергії без значного впливу на якість обслуговування (QoS). Технологія 5G базується на використанні широкого діапазону частот, що поділяються на три основні категорії: низькочастотний діапазон (Sub-1 GHz), середньочастотний діапазон (1–6 GHz) та високочастотний міліметровий діапазон (mmWave, понад 24 GHz). Кожен з них має свої особливості: низькочастотний забезпечує широку зону покриття та стабільність зв’язку, середньочастотний є компромісом між покриттям і пропускною здатністю, а високочастотний дозволяє досягати надвисоких швидкостей передавання даних, але має обмежену дальність поширення сигналу та вищу чутливість до перешкод. Розвиток 5G визначає не лише необхідність підвищення швидкості передавання даних, а й потребу в ефективному управлінні ресурсами, включно з оптимізацією енергоспоживання обладнання. Оскільки мережі п’ятого покоління спрямовані на підтримку великої кількості пристроїв, зокрема в межах концепції Інтернету речей (IoT), забезпечення їхньої енергоефективності стає одним із основних викликів для інженерів і дослідників. Високий рівень енергоспоживання мобільних пристроїв та інфраструктури може суттєво впливати на експлуатаційні витрати операторів зв’язку, термін служби акумуляторних батарей у користувацькому обладнанні та загальну екологічну стійкість мереж нового покоління. Окрім частотного спектра, ефективність мобільних мереж 5G значною мірою залежить від моделей трафіку, які визначають вимоги до обслуговування різних типів сервісів. Основними категоріями є eMBB (enhanced Mobile Broadband), що забезпечує високошвидкісний доступ до мультимедійного контенту; URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications), який критично важливий для автономного транспорту, промислових додатків та телемедицини; та mMTC (massive Machine Type Communications), орієнтований на підключення великої кількості IoT-пристроїв із низьким енергоспоживанням. Кожен із цих сервісів має свої вимоги до швидкості передавання даних, часу відгуку та стабільності з’єднання, що впливає на вибір методів оптимізації енергоспоживання. Ефективне управління енергоспоживанням у 5G вимагає комплексного підходу, що охоплює аналіз архітектури мережі, оцінку енергетичних характеристик пристроїв та впровадження адаптивних механізмів оптимізації потужності передавання сигналів. У процесі оптимізації енергоспоживання важливу роль відіграють методи керування режимами роботи передавачів та приймачів, адаптація потужності випромінювання до умов прийому сигналу, а також впровадження алгоритмів економного використання ресурсів мережі. Важливим аспектом енергозбереження є також компенсація нелінійних спотворень сигналів, що виникають у процесі їхнього передавання. Ці спотворення можуть суттєво впливати на якість зв’язку та ефективність використання спектру, особливо в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль. Дослідження методів адаптації сигналів до таких спотворень дозволяє не лише покращити показники якості зв’язку, а й зменшити енергоспоживання завдяки більш ефективному використанню ресурсів передавання даних. Таким чином, дослідження енергоефективного управління користувацьким обладнанням в мобільних мережах 5G має важливе значення, оскільки дозволяє підвищити тривалість автономної роботи мобільних пристроїв, знизити витрати операторів зв’язку та сприяти ефективному функціонуванню телекомунікаційної інфраструктури. Мета випускної кваліфікаційної роботи - дослідження енергоефективного управління користувацьким обладнанням у системах мобільного зв’язку 5G. Об’єктом дослідження є системи зв’язку 5G. Предметом дослідження є методи енергозбереження користувацького обладнання. У роботі здійснено огляд особливостей розвитку та функціонування систем зв’язку 5G. Здійснено аналіз моделей трафіку мобільних мереж зв’язку для користувацьких сервісів. Здійснено дослідження щодо ефективності використання сигналів пробудження пристроїв, а також механізмів переведення обладнання в режим зниженого енергоспоживання. Проаналізовано підходи до керування енергозбереженням за рахунок гнучкої конфігурації антеної решітки користувацьких пристроїв, що передбачає вимикання окремих приймальних елементів під час моніторингу контрольної інформації. Здійснено порівняльний економічний аналіз методів розгортання конфігурації програмного продукту для надання послуг користувачам мобільних мереж.