Дослідження методів енергозбереження обладнання користувачів у системах зв'язку 5G

Abstract

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.Modern fifth-generation (5G) mobile networks represent a key technology enabling high-speed communication, low latency, and support for massive device connectivity in the context of the Internet of Things (IoT). However, one of the primary challenges of such networks is the high energy consumption of user equipment (UE), which significantly affects device autonomy, network stability, and overall communication efficiency. Given the increasing volume of mobile traffic, the need to process large data sets, and the demand for new services (e.g., VR/AR, autonomous transport, smart cities), the study of energyefficient UE management mechanisms becomes a critical task. It is well known that the main sources of energy consumption in user equipment include the radio frequency subsystem, computational processing units, and other hardware modules responsible for signal processing, data transmission, and communication control. The implementation of adaptive energy management mechanisms allows for a significant reduction in power consumption without severely impacting the quality of service (QoS). 5G technology is based on the use of a wide range of frequencies, typically divided into three main categories: low-band (Sub-1 GHz), mid-band (1–6 GHz), and high-band millimeter-wave (mmWave, above 24 GHz). Each of these frequency ranges has specific characteristics: the low-band offers extensive coverage and stable connectivity; the midband provides a balance between coverage and capacity; and the high-band supports ultrahigh- speed data transmission but has limited propagation distance and is more sensitive to interference. The development of 5G not only demands higher data rates but also necessitates efficient resource management, including optimization of device power consumption. Since 5G networks are designed to support a massive number of devices—particularly within the framework of the Internet of Things (IoT)—ensuring energy efficiency becomes one of the major challenges for engineers and researchers. High power consumption by mobile devices and infrastructure can significantly impact the operating costs of network providers, reduce battery life of user equipment, and affect the overall environmental sustainability of nextgeneration networks. Beyond the frequency spectrum, the efficiency of 5G networks also largely depends on traffic models that define the service requirements of various applications. The main categories include: eMBB (enhanced Mobile Broadband), which provides high-speed access to multimedia content; URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications), crucial for autonomous vehicles, industrial applications, and telemedicine; mMTC (massive Machine Type Communications), aimed at connecting a large number of low-power IoT devices. Each of these service types has specific requirements regarding data rate, response time, and connection reliability, all of which influence the choice of energy optimization methods. Effective energy management in 5G networks requires a comprehensive approach, which includes analyzing the network architecture, evaluating the energy characteristics of devices, and implementing adaptive mechanisms for transmission power optimization. Power control strategies for transmitters and receivers, dynamic adjustment of transmission power based on signal conditions, and resource-efficient algorithms all play key roles in reducing energy consumption. Another important aspect of energy efficiency is the compensation of nonlinear signal distortions that occur during transmission. These distortions can significantly degrade communication quality and spectrum efficiency, especially under multipath propagation conditions. Investigating methods for signal adaptation to such distortions can not only improve communication quality metrics but also reduce energy usage through more efficient data transmission. Therefore, the study of energy-efficient user equipment management in 5G mobile networks is of great importance, as it contributes to extending the operational time of mobile devices, reducing the costs for mobile operators, and supporting the sustainable development of telecommunication infrastructure. The objective of this qualification thesis is to investigate energy-efficient user equipment management in 5G mobile communication systems. The object of research is 5G communication systems. The subject of research are the methods of energy saving of user equipment. This work provides an overview of the development and operational features of 5G communication systems. An analysis of traffic models in mobile networks for user services is presented. The study investigates the effectiveness of device wake-up signaling and mechanisms for transitioning equipment into low-power modes. Approaches to energy management through flexible antenna array configuration in user devices are analyzed, including the deactivation of individual receiving elements during control channel monitoring. A comparative economic analysis of software configuration deployment methods for mobile service provisioning is also conducted.