دانلود رایگان مقاله شبکه های سلولی نسل پنجم 5G

چکیده

       در این مقاله، ما یک بررسی کوچک روی شبکه های سلولی 5G سبز ارائه کرده و برخی از مسائل پژوهشی و چالش های فعالسازی تکنیک هایی برای شبکه های بی سیم پهن باند سبز را کاوش میکنیم. روند دستیابی به انرژی سبز در شبکه های سلولی اپراتورهای شبکه و مقامات استانداردسازی را به همکاری باهم ترغیب کرده تا ردپای کربن از محصولات به منظور آوردن ایستگاه های سلولی eco  5G سبز کاهش یابد. ما ابتدا یک مرور کلی بر روی معماری سیستم های بی سیم 5G و پشته پروتکل های جدید مربوطه را فراهم خواهیم کرد. سپس، طرح های دسترسی ترکیبی چندگانه، مانند رویکردهای ترکیب متعامد (OFDMA) و غیر متعامد (CDMA) را با هدف بهبود ظرفیت و پوششدهی به طور همزمان مورد بحث قرار میدهیم. از آنجا که ایستگاه های پایه بخش حداکثر کل انرژی در سیستم های سلولی فعلی را مصرف میکنند، ما تکنیک های انرژی تجدید پذیر مهم را برای ایستگاه های پایه سبز اکتشاف کرده، و یک بررسی جامع در مورد چگونگی تولید انرژی تجدید پذیر مانند انرژی خورشیدی، بادی و سوخت را برای ایستگاه های پایه سبز در شبکه های سلولی 5G فراهم خواهیم نمود. 

1. معرفی

        سیستم نسل پنجم (5G) انقلابی در نسل فعلی است که در آن دسترسی مصرف کننده به شبکه از طریق تلفن های هوشمند می باشد. مفهوم عادی 5G  در سالهای 2013-2015 در مسیر افزایش است. با این حال، کاربران از طریق سطحی از حجم تماسها و انتقال داده ها با 5G  از دستگاه های VoIP و دیگر برنامه های کاربردی موبایل فراتر رفته اند. با افزایش دانش و سطح آگاهی از فن آوری، ارائه خدمات برای حفظ وفاداری مشتری و ارائه بهترین و آخرین فن آوری برای تولید کنندگان تلفن همراه ضروری است. امروزه تعدادی دستگاه های نوآورانه از تولید کنندگان پیشرو تلفن های هوشمند مختلف با قابلیت های برتر مشاهده میشود، مانند آیفون های اپل، سامسونگ و HTC جدیدترین خط تولید تلفن های هوشمند، به عنوان مثال به تازگی از یک افزایش در سهم بازار برخوردار بوده اند.

         همانطور که فن آوری های بی سیم تکامل یافته اند، شبکه ها پیچیده تر شدند. استقرارها متراکم تر شد و در هر زمان و در هر نقطه این هدف تقریبا حاصل شده است. با این حال، استفاده از خطوط ثابت و تلفن های GSM به عنوان یک پیامد از تلفن های هوشمند به حداقل رسیده که ما را با هر نرخ، در هر زمان، هر جا و همیشه مقرون به صرفه متصل به جهان نگه میدارند.با گذشت هر روز از 1G  تا 3G  و از4G  تا 5G ، دنیای ارتباطات با پیشرفت های ارزش افزوده همراه با عملکرد بهبود یافته مواجه شده است. اشتراک شبکه های بی سیم و ترافیک شبکه به دلیل تقاضای غیر قابل پیش بینی، گسترش مناطق سرویس دهی و افزایش محبوبیت ارتباطات تلفن همراه به شدت افزایش یافت. توسعه فن آوری های جدید دسترسی بدون وقفه به سرویس هایی مانند صدا و داده، سرویس پیام چند رسانه ای (MMS)، چت تصویری، تلویزیون موبایل، محتوای HDTV، پخش ویدئویی دیجیتال (DVB) و گجت های سرگرمی فراهم می کند که دروازه ای به سوی ایجاد یک بعد جدید به زندگی انسان باز کرده و شیوه زندگی او را تغییر میدهد.در همین حال، در چند دهه گذشته جهان یک جهش بزرگ در صنعت مخابرات با بیش از 5 میلیارد نفر مالک تلفن همراه برای زندگی خصوصی و حرفه ای خود تجربه کرده است. انجمن تحقیقات جهانی بی سیم (WWRF) پیش بینی کرده است که 7 تریلیون دستگاه بی سیم شبکه های شهری و روستایی خارجی را برای بیش از 7 میلیارد نفر 24/7 تا سال 2017 سرویس دهی کرده و 80-95 درصد مشترک پهن باند تلفن همراه خواهند بود [1]. در میان این 7 میلیارد نفر، اکثریت آنها با دسترسی بسته سرعت بالا (HSPA) و شبکه های پیشرفته LTE (تکامل بلند مدت) سرویس دهی میشوند.بر اساس این گزارش آماری، تقاضا برای شبکه های شهری به تنهایی تا سال 2020 به 1000 برابر ظرفیت بیشتر افزایش خواهد یافت. در کمال تعجب ما در حال ورود به عصر Tera با تریلیون دستگاه ICT ، ترابایت فضای ذخیره سازی و قدرت محاسباتی بیشتر هستیم. این فن آوری های جدید مجبور به ارائه یک درجه آزادی در حوزه کاربری بوده و باید فرستنده را به کاربران نزدیک تر کنند و همچنین باید به کاربران مناسبی انتخاب کنند. این سه حوزه مهم پژوهشی در زمینه 5G  هستند.

         تغییرات آب و هوا یکی از مهمترین چالش های جهانی زمان ما است. در قرن گذشته یک رشد قابل توجه در میانگین دمای زمین وجود داشته است. این افزایش دما به اثرات گرم شدن کره زمین نسبت داده شده که توسط تجمع گازهای گلخانه ای (GHG) در اتمسفر به وجود آمده است. دلیل افزایش گازهای گلخانه ای و عمدتا دی اکسید کربن (CO2)، افزایش مصرف انرژی است که به انتشار آلاینده ها منجر میشود. بلایای طبیعی مانند توفان، سیل و تغییرات در سطح دریا به اثر گلخانه ای CO2 نسبت داده شده است. برآورد شده که در طول 30 سال گذشته انتشار گاز CO2 تا 73 درصد رشد داشته است. کشور هند در میان کشورهای در لیست انتشار گازهای گلخانه ای در رتبه 5 ام جهانی قرار گرفت، ایالات متحده و چین در حدود 4 برابر انتشار هند دخیل هستند. تجمع گازهای گلخانه ای (GHG) در اتمسفر سریع تر از پیش بینی ها در حال رشد است. دانشمندان، اقتصاددانان و سیاست گذاران خواستار اهداف انتشار حداقل 20٪ زیر سطح سال 1990 در سال 2020 می باشند [2]. صنعت اطلاعات و فن آوری ارتباطات (ICT) به تنهایی حدود 2٪ و یا 860 میلیون تن انتشار گازهای گلخانه ای در جهان را به خود اختصاص داده است. به حداقل رساندن انتشار گازهای گلخانه ای از صنعت فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) مسئولیت و همچنین اولویت اول ما می باشد. صنعت مخابرات یک موقعیت برجسته در کاهش انتشار CO2 خود در درجه اول با کاهش مصرف انرژی و جایگزین زیرساخت های قدیمی با زیرساخت های سلولی جدید سبز یافته است.هدف اصلی شبکه های 5G  ایجاد یک پلت فرم مشترک برای اپراتورهای شبکه تلفن همراه (MNO) و تولید کنندگان گوشی های تلفن همراه است تا برای به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی محصولات خود به ترتیب با 40 و 50 درصد با یکدیگر کار کنند. ویژگی های عمده 5G  بر 4G  از نظر حداکثر توان، احتمال قطعی کمتر، نرخ بیت بالاتر در بخش های بزرگ منطقه تحت پوشش، بدون هزینه ترافیک به دلیل هزینه استقرار پایین، سطح کارایی طیفی بالاتر و همچنین گوشی و مدل های شبکه سازگار با محیط زیست با شروع مفهوم زیرساخت ایستگاه های رادیویی سلولی سبز سازگار با محیط زیست با استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر غلبه میکند.

        در آینده، چالش های عمده ای روی عملکرد به صرفه، بینش اشتراک گذاری، به اشتراک گذاری زیرساخت ها، حمایت از تمام فن آوری های رادیویی در یک پلت فرم مشترک و ایجاد یک پلت فرم برای زیرساخت های انرژی تجدید پذیر برای ایجاد جهان سبزتر وجود خواهد داشت. این مقاله در ابتدا یک تجزیه و تحلیل آماری دقیق ارائه میکند که به نقشه راه تحقیقات اخیر و تحولات در شبکه های سلولی 5G  منجر خواهد شد.

         ادامه مقاله به شرح زیر است: بخش دوم یک مرور کلی از معماری سیستم 5G است، بخش سوم حوزه های تکنولوژی رادیویی مسائل 5G را پوشش می دهد، بخش چهارم تجزیه و تحلیل منابع انرژی تجدید پذیر با مسائل و چالش های آینده در ایستگاه های پایه سلولی و بخش V نتیجه گیری ارائه می کند.

2. نمای کلی معماری سیستم 5G

         نسل چهارم (4G) و5G  دو کاندیدای بالقوه برای نسل بعدی ارتباطات بی سیم هستند، که با خصوصیات سرویس محور و کاربر محور مشخص شده اند.4G  معماری بی سیم باز (OWA) را برای پایانه های تلفن همراه خود با عملکرد بالاتر، پهنای باند بیشتر، نرخ داده بالا، قابلیت همکاری، سرویس به طور کامل همگرا، رابط کاربر پسند، مقیاس پذیری، نرم افزار مدیریت بحران و پیچیدگی سیستمی کم اتخاذ کرده است.مفاهیم کلیدی5G  فراتر از4G  شبکه های فراگیر، رله های همکارانه گروهی، تکنولوژی رادیویی ، شبکه های بی سیم پویای adhoc (DAWN)، تسهیم تقسیم فضا فرکانس Vendermonde (VFDM)، طرح دسترسی چندگانه ترکیبی با پارتیشن بندی استفاده مجدد، سیستم های پلت فرم استراتوسفر (HAPS)، دستگاه های پوشیدنی با قابلیت های AI و IPv6 می باشند.

         برای برتری بر 4G، 5G در ابتدا توسط Toni Janevski [4] پیشنهاد شد و اکنون به یک واقعیت تبدیل شده است. همانند وضع موجود در سراسر جهان، تولید کنندگان فناوری بی سیم به سرعت در حال تبدیل شدن از یک معماری سیستم های بی سیم بسته به سیستم های معماری باز انعطاف پذیرتر، قوی تر و مقرون به صرفه هستند. شرکت داده بین المللی (IDC) پیش بینی کرده است که بازار تلفن های هوشمند از جمله تبلت های چند رسانه ای، رایانه های شخصی و تلفن های هوشمند، از 494 میلیون در سال 2011 به 1.16 میلیارد دلار در سال 2016 رشد خواهد نمود [3].این تحول یک نقشه راه و چالشهای سالم برای نسل بعدی دستگاه های تلفن همراه دستی، از یک ترمینال انتقال رادیویی سنتی به معماری بی سیم باز مبتنی بر رابط کاربری (OWA) فراهم میکند [5]. توسعه OWA سیستم عامل و RTT (فناوری انتقال رادیویی) را مجازی سازی نموده، و به راحتی می تواند از استانداردهای بی سیم مختلف مانند GSM، EDGE، WCDMA، TD-CDMA، وای فای، LTE / LTE پیشرفته، وایمکس 802.16m  در یک پلت فرم پشتیبانی نماید. هدف ما همگرایی استانداردهای چندگانه در یک دستگاه واحد و یک پلت فرم واحد است. همچنین باید اطمینان حاصل شود که در همه زمان معماری سیستم باز می ماند در غیر این صورت عملکرد کلی در معماری بسته بسیار ضعیف خواهد بود. پشته پروتکل برای تلفن همراه 5G  به خصوص در لایه شبکه و لایه انتقال اصلاح شده است. که میتواند یک عملکرد صحیح در ارتباطات تلفن همراه آینده را منعکس کند.

Abstract

         In this article, we present a brief survey on green 5G cellular networks, and explore some research issues and challenges of the enabling techniques for green broadband wireless networks. The trend of achieving green power in cellular networks is driving network operators and standardization authorities to work together to reduce carbon footprint of their products in order to bring eco friendly 5G green radio cellular base stations. We will first provide an overview on 5G wireless system architecture and the corresponding new protocol stacks. Next, hybrid multiple access schemes, such as combining orthogonal (OFDMA) and non- orthogonal (CDMA) approaches, aiming at improving the both capacity and coverage performances simultaneously are discussed. Since base stations consume the maximum portion of the total energy in current cellular systems, we explore important renewable energy techniques for green base stations, We will provide a comprehensive survey on how to generate renewable energy, such as solar, wind and fuel cells, for green base stations in 5G green cellular networks.

I. INTRODUCTION

         The Fifth Generation (5G) system is on its way to revolutionize the current generation by which consumer’s access networks through smart phones. The typical 5G concept is on track to be raised somewhere around 2013-2015. However, users will go through a level of call volume and data transmission with 5G pushed over VOIP-enabled devices and other mobile applications. With increasing knowledge and awareness of technology, it is essential for the mobile manufactures to provide services for maintaining customer loyalty, and to develop the best and latest technology. We have seen a number of innovative phones from various leading smart phone manufactures with superior functionality like Apple iPhones , Samsung and HTC newest line of smart phones, for example, have enjoyed a surge in market share recently.

        As wireless technologies evolved, networks became more sophisticated. Deployment became denser, and the anytime, anywhere goal had almost been achieved. However, usage of landlines and GSM-enabled phones was minimized as a result of smart phones which keep us connected to the world at any rate, anytime, anywhere, and always affordable. Every passing day from 1G to 3G and from 4G to the 5G, the world of telecommunications has seen a number of value added improvements along with enhanced performance. Wireless network subscription and network traffic is escalated enormously due to unpredictable demand, expansion of service areas and increased popularity of mobile communications growth. Developing the new technologies provides uninterrupted access to services such as voice and data, Multimedia Message Service (MMS), video chat, Mobile TV, HDTV content, Digital Video Broadcasting (DVB) and entertainment gadgets, which opens the gate that creates a new dimension to our lives and changes our lifestyle significantly.Meanwhile, the past few decades has experienced a great leap in the telecommunication industry with over 5 billion people owning mobile phones for their private and professional lives. Wireless World Research Forum (WWRF) has predicted that 7 trillion wireless devices will serve metropolitan and rural outdoor networks for over 7 billion people 24/7 by 2017 and 80-95 percent will be mobile broadband subscribers [1]. Among this 7 billion people, the majority of them will be served by High Speed Packet Access (HSPA) and LTE-Advanced (Long Term Evolution) networks. According to the statistics report, the demand for urban networks alone will increase to 1000 times more capacity by 2020. Surprisingly we are about to enter the era of Tera-Age with trillions of ICT devices, terabytes of memory storage and more computational power. These new technologies have to provide a degree of freedom in the user domain, have to bring transmitters closer to the users, and have to select the right users. These are the three critical research areas in the 5G field.

        Climate change is one of the most compelling global challenges of our time. There has been a considerable increase in the average temperature of the earth in the past century. This rise in temperature is attributed to the effects of global warming brought about by the accumulation of greenhouse gases (GHG) in the atmosphere. The reason for increased GHG, mainly Carbon Dioxide (CO2), is because of the increased energy consumption which results in emission of pollutants. Natural calamities like typhoons, floods and changes in the sea levels are attributed to the CO2 fuelled greenhouse effect. It is estimated that during the last 30 years the CO2 emissions have gone up by 73 %. India is ranked 5th amongst the countries in the list of global GHG emission, with USA and China contributing about 4 times emission than that of India. The accumulation of greenhouse gas (GHG) in the atmosphere is growing faster than originally predicted.Scientistic,economists and policy makers are calling for emissions targets of at least 20 % below 1990 levels in 2020 [2]. The information and communications technology (ICT) industry alone accounts for about 2 % or 860 million tons of the world’s greenhouse gas emissions. It is our responsibility and also first priority to minimize the GHG emissions from the information and communication technology (ICT) industries. The telecommunications industry has taken a bold position in reducing its CO2 emissions, primarily by reducing the energy consumption and replacing old with new green cellular infrastructure. The main objective of 5G networks are to motivate and create a common platform for both mobile network operators (MNO) and mobile handset manufacturers to work together to minimize the environmental footprint of their products by 40 % and 50 %, respectively. The grand features of 5G overcomes 4G in terms of maximum throughput, lower outage probability, higher bit rates in large portions of coverage area, no traffic fees due to low deployment cost, higher system level spectral efficiency and also eco-friendly” handset and network models kick-starting the concept of eco-friendly green radio cellular base station infrastructure using possible renewable energy resources.

         In the future, the major challenges will be cost effective operation, spectrum sharing, infrastructure sharing, supporting all radio technologies in a common platform and creating a platform for renewable energy infrastructure to make our world greener.This paper initially gives a detailed statistical analysis that will lead to the roadmap of recent research and developments in 5G cellular networks.

        The rest of the paper is organized as follows: section II is an overview of 5G system architecture, Section III covers the radio technology aspect of 5G issues, Section IV analyses renewable energy resources the future issues and challenges in cellular base stations, and section V provides a conclusion.

II. OVERVIEW OF 5G SYSTEM ARCHITECTURE

         Fourth generation (4G) and 5G are two potential candidates for the next generation of wireless communication, and they are distinguished by service-centric and user-centric qualities. 4G adopts open wireless architecture (OWA) for its mobile terminals with higher performance, enhanced bandwidth, high data rates, interoperability, fully converged service, user friendly interface, scalability, crisis-management application and low system complexity. Key concepts of 5G beyond 4G are Pervasive networks, Group cooperative relays, cognitive radio technology, Dynamic Adhoc Wireless Networks (DAWN), Vendermonde-subspace frequency division multiplexing (VFDM), Hybrid multiple access scheme with new reuse partitioning, High-altitude stratospheric platform (HAPS) systems, Wearable devices with AI capabilities and IPv6.

         To overcome the 4G, 5G was initially proposed by Toni Janevski [4] and it has become a reality. As per the present status all over the world, wireless manufactures are rapidly transforming from a closed wireless system architecture to more flexible, robust, cost effective open architecture systems. International Data Corporation (IDC) has predicted that smart phone shipments will grow from the 494 million in 2011 to 1.16 billion in 2016 including Media Tablets, PCs and Smart Phones [3]. This transition provides a roadmap and healthy challenges for next generation mobile hand held devices from a traditional transmission-specific radio terminal to an interface-based open wireless architecture (OWA) [5]. The newly deployed OWA virtualizes the operating system and RTT (Radio Transmission Technology), and can easily support the multiple different wireless standards like GSM, EDGE, WCDMA, TD-CDMA, WiFi, LTE/LTE-Advanced, WiMAX 802.16m in single platform. Our target is to converge multiple standards in a single device and single platform. We also need to ensure that at all times the system architecture remains open otherwise overall performance will be low in the closed architecture. The Protocol stack for the 5G mobile phone has been modified specially in the network layer and transport layer. This will reflect a healthy performance in future mobile communication.

چکیده

1. معرفی

2. نمای کلی معماری سیستم 5G

3. جنبه های رادیویی تکنولوژی 5G 

4. ایستگاه های پایه سلولی سبز با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر 5G

A. انرژی خورشیدی / انرژی باد

B. انرژی سرور بر اساس سلول سوختی

5. نتیجه

منابع

Abstract

1. INTRODUCTION

2. OVERVIEW OF 5G SYSTEM ARCHITECTURE

3. RADIO TECHNOLOGY ASPECT OF 5G

4. GREEN POWERED CELLULAR BASE STATIONS USING RENEWABLE ENERGY RESOURCES OF 5G

A. Solar energy / wind energy

B. Fuel cell based energy server

5. CONCLUSION

REFERENCES