Mơ hình cơng suất máy tính

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG SMALL CELL

4.2 Phân tích nhược điểm của hệ thống Small Cell

4.2.3 Mơ hình cơng suất máy tính

37

Do quá trình xử lý lưu lượng lớn ở BS của tế bào nhỏ 5G, khối lượng xử lý dữ liệu ở 5G nhỏ tế bào BS's được đánh giá bằng hoạt động trên giây tại BBU's. Hơn nữa, ngun tắc Landauer được sử dụng để ước tính cơng suất tính tốn tiêu thụ để xử lý dữ liệu trong phần này. Trong phần này, chúng tôi cũng nghiên cứu tác động của MIMO lớn và cơng nghệ sóng milimet dựa trên sức mạnh tính tốn của BS của tế bào nhỏ 5G.

4.2.3.1 Các loại cơng suất tính tốn

Trong các BS tế bào macro truyền thống, công suất được sử dụng tại BBU (BBU là đơn vị cốt lõi của BS) là nhỏ so với điện năng tiêu thụ của các PA. Với những tiến bộ gần đây của 5G của cơng nghệ sóng MIMO và sóng milimet, Small Cell của BS đang thay thế BS của tế bào macro để thực hiện chức năng truyền dữ liệu không dây trong mạng lưới di dộng 5G. Hơn nữa, điện năng tiêu thụ tại BBU's dự kiến sẽ tăng dần do lượng truy cập lớn trong tế bào nhỏ 5G của BS. Kiến trúc hậu cần điển hình của eNodeB BS, tức là BS ơ macro trong mạng di động. Khơng có mất tính tổng qt, BBU của BS ô macro bao gồm bốn hệ thống: hệ thống băng tần cơ sở, hệ thống điều khiển, hệ thống chuyển giao và hệ thống điện. Các chức năng chi tiết của các hệ thống này trong BBU được mơ tả như sau:

• Các chức năng của hệ thống băng tần cơ sở bao gồm lọc tín hiệu, biến đổi Fourier nhanh / Fourier nhanh nghịch đảo biến đổi (FFT / IFFT), điều chế và giải điều chế, xử lý kỹ thuật số tiền biến dạng (DPD), phát hiện tín hiệu, và mã hóa / giải mã kênh không dây. Lưu ý rằng, chức năng xử lý tín hiệu được sử dụng cho máy phát và

bộ thu được thực hiện bởi BBU.

• Hệ thống kiểm sốt chịu trách nhiệm kiểm soát và quản lý việc phân bổ nguồn lực tại BS để cung cấp giao diện điều khiển giữa BS và các đơn vị mạng khác. Hơn nữa, các giao thức điều khiển giao tiếp được chạy tại hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển cũng cung cấp một giao diện ngôn ngữ người-máy (MML) cho thiết bị đầu cuối duy trì cục bộ (LMT) để định cấu hình phân bổ tài nguyên của BBU.

• Hệ thống chuyển giao kết nối với thực thể quản lý di động / cổng phục vụ (MME /S- GW) của lõi mạng bằng giao diện S1 (xem Hình 1). Hơn nữa, thơng tin kiểm sốt và quản lý giữa các BS là được chuyển tiếp bởi giao diện X2 của hệ thống chuyển giao trong BBU's.

• Hệ thống điện chịu trách nhiệm cung cấp điện, làm mát và giám sát tại BBU's.

Đối với BS của tế bào nhỏ, hầu hết các chức năng được tích hợp vào một vài chip bán dẫn và khơng có một cơng suất duy nhất hệ thống. Do đó, hệ thống của BBU ở ô nhỏ BS đơn giản hơn hệ thống của BBU ở ơ vĩ mơ của BS.

38

4.2.3.2 Tính tốn mơ hình điện

Khó khăn chính là làm thế nào để tính tốn sức mạnh tính tốn cho mọi hệ thống hậu cần trong BBU's. Để đạt được điều này, chúng tôi phân vùng BBU thành các phần khác nhau dựa trên kiến trúc phần cứng. Chúng bao gồm DPD, Bộ lọc, CPRI, OFDM, FD, FEC và CPU trong đó DPD là phần xử lý kỹ thuật số trước biến dạng, bộ lọc là phần cứng được sử dụng để lấy mẫu tín hiệu lên / xuống và lọc, CPRI là phần giao diện vô tuyến công cộng chung để kết nối với mạng lõi và chuỗi RF bằng liên kết nối tiếp, OFDM là phần cứng được sử dụng cho FFT và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)-cụ thểxử lý tín hiệu, FD là phần xử lý miền tần số, bao gồm, ánh xạ / ánh xạ ký hiệu và Cân bằng MIMO, FEC là sửa lỗi chuyển tiếp bao gồm mã hóa và giải mã kênh, và CPU là bộ xử lý điều khiển nền tảng BBU. Dựa trên nguyên tắc của Landauer, chúng tơi ước tính sức mạnh tính tốn của chip bán dẫn sử dụng hoạt động Giga trên giây (GOPS) và xem xét các chip bán dẫn khác nhau kỹ thuật. Sức mạnh tính tốn của BBU được tổng hợp bằng sức mạnh tính tốn của mọi bộ phận phần cứng, tức là mọi chip bán dẫn tại BBU.

Nguyên lý Landauer được đề xuất vào năm 1961 bởi Rolf Landauer, người đã cố gắng áp dụng lý thuyết nhiệt động lực học sang máy tính kỹ thuật số. Nguyên tắc của

Landauer giải thích mối quan hệ giữa quá trình thơng tin và năng lượng tiêu dùng theo quan điểm của mức độ tự do vi mô trong vật lý thống kê. Điều này dựa trên một vật lý nguyên tắc liên quan đến giới hạn tiêu thụ năng lượng lý thuyết thấp hơn tương ứng với tính tốn. Chịu hãy nhớ rằng khái niệm entropy trong lý thuyết thông tin do Claude Shannon đưa ra được vay mượn từ lý thuyết nhiệt động lực học. Tương tự, nguyên lý của Landauer kết nối hai khái niệm thông tin và năng lượng này bằng cách sử dụng lý thuyết nhiệt động lực học và vật lý thống kê. Do đó, trong bài báo này, nguyên tắc của Landauer được sử dụng đầu tiên để phân tích mức tiêu thụ điện năng tính tốn trong mạng di động nhỏ 5G. Cụ thể hơn nguyên tắc của Landauer chỉ ra rằng bất kỳ thao tác thông tin nào không thể đảo ngược về mặt logic, chẳng hạn như xóa một bit hoặc hợp nhất của hai đường dẫn tính tốn, phải đi kèm với sự gia tăng entropy tương ứng trong tính khơng mang thơng tin bậc tự do của thiết bị xử lý thông tin hoặc mơi trường của nó.

4.2.4 Các định giá của mơ hình cơng suất máy tính

Xem xét rằng các mạng di động nhỏ 5G với kỹ thuật sóng MIMO lớn và sóng milimet vẫn chưa đã được triển khai thương mại, rất khó để so sánh kết quả mơ phỏng với các mạng di động nhỏ 5G thực. Đến xác thực hiệu suất của mơ hình tiêu thụ điện năng được đề xuất, trước tiên chúng tôi so sánh kết quả của với mơ hình của dự án EARTH, đo mức tiêu thụ điện năng của tế bào vĩ mô và nhỏ tế bào BS từ các mạng

39

khơng dây thực. Khơng làm mất đi tính tổng qt, hai hệ thống truyền thơng khơng dây là được cấu hình với 10 MHz và ăng ten 2 × 2 tại các BS và thiết bị đầu cuối. Dựa trên kết quả từ dự án EARTH, tổng công suất tiêu thụ và cơng suất tính tốn của một ơ macro BS tương ứng là 321,6 W và 29,68 W.

Tương tự, đối với mơ hình tiêu thụ điện năng được đề xuất của chúng tơi, tổng điện năng tiêu thụ và cơng suất tính tốn của một ô macro BS tương ứng là 317,84 W và 24,78 W. Trong trường hợp BSS ô nhỏ cho dự án EARTH, tổng cơng suất tiêu thụ và cơng suất tính tốn của một ô nhỏ BS tương ứng là 6,2 W và 2,4 W. Cho mơ hình tiêu thụ điện năng được đề xuất, tổng công suất tiêu thụ và cơng suất tính tốn là 7,22W và 3,6 W, tương ứng. So với kết quả trên, kết quả của mơ hình tiêu thụ điện năng được đề xuất phù hợp với kết quả của mạng khơng dây thực. Do đó, mơ hình tiêu thụ điện năng được đề xuất của chúng tôi được chứng minh là có khả năng ước tính mức tiêu thụ điện năng của mạng di động nhỏ 5G.

Kể từ khi MIMO khổng lồ và cơng nghệ sóng milimet là cơng nghệ cốt lõi cho hệ thống thông tin di động 5G, trong phần này tác động của số lượng ăng-ten và băng thông lên BS của tế bào vĩ mô và BS tế bào nhỏ được mơ phỏng chi tiết.

Nói chung, PA của BS ơ macro và BS ơ nhỏ được cấu hình là 102,6 W và 1,0 W. minh họa sức mạnh tính tốn của BS liên quan đến số lượng anten và băng thông. Hệ thống mặc định các tham số của BS thực được cấu hình như sau: băng thơng là 20MHz, điều chế là cầu phương 64 điều chế biên độ (QAM), tốc độ mã hóa là 56, chu kỳ nhiệm vụ trong miền thời gian là 100% và tần suất - chu kỳ nhiệm vụ miền là 100%. Cho thấy sức mạnh tính tốn của BS liên quan đến số lượng ăng ten. Sức mạnh tính tốn của BS nhanh chóng tăng lên khi tăng số lượng anten. Nguyên nhân là do cơng suất tính tốn được tiêu thụ để xử lý Miền tần số ở tỷ lệ với bình phương của số lượng ăng-ten. Hơn nữa, sức mạnh tính tốn của BS ơ macro ln lớn hơn cơng suất tính tốn của BS ô nhỏ khi số lượng anten được tăng lên. Khi số của ăng-ten bằng 128, tức là áp dụng cơng nghệ MIMO khổng lồ, sức mạnh tính tốn của BS tế bào macro lớn hơn 3000 W và cơng suất tính tốn của BS ơ nhỏ lớn hơn 800 W.

Nói chung, với sự thích ứng của các kỹ thuật sóng milimet, các hệ thống truyền thơng 5G sẽ có thể hỗ trợ băng thơng lớn (ví dụ: 400 MHz), hay chính xác hơn là tốc độ truyền cao. Do đó, điều này sẽ yêu cầu nhiều xử lý hơn tại BBU, do đó tăng thêm sức mạnh tính tốn của BS. Tác động của kỹ thuật sóng milimet lên sức mạnh tính tốn của BS dựa trên giao tiếp khơng dây băng thơng. Khi số lượng anten được cấu hình mơ tả sức mạnh tính tốn của BS với tơn trọng băng thơng. Sức mạnh tính tốn của BS tăng khi tăng của băng thơng. Hơn nữa, sức mạnh tính tốn của BS ơ macro ln lớn hơn sức mạnh tính tốn của BS ơ nhỏ khi băng thông được tăng lên. Khi băng

40

thông là 400 MHz, tức là sử dụng milimet cơng nghệ sóng, cơng suất tính tốn của tế bào vĩ mơ BS lớn hơn 1000 W và cơng suất tính tốn của ơ nhỏ BS lớn hơn 200 W. Small Cell của BS có thể tiết kiệm nhiều điện năng tính tốn hơn cho BBU hơn BS tế bào vĩ mô trong hệ thống thông tin di động 5G.

Để đánh giá vai trị của cơng suất tính tốn trong BS, tỷ lệ cơng suất tính tốn được xác định bởi tính tốn cấp nguồn trên tổng công suất tại BS. Quả sung. 5 minh họa tỷ lệ cơng suất tính tốn liên quan đến số ăng-ten và băng thông cho BS của tế bào nhỏ và BS của tế bào macro. Cho thấy sức mạnh tính tốn với đối với số lượng ăng-ten. Tỷ lệ cơng suất tính tốn tăng lên với tăng số lượng ăng-ten. Hơn nữa, tỷ lệ cơng suất tính tốn của BS ơ nhỏ ln lớn hơn tỷ lệ cơng suất tính tốn của ơ macro BS. Ngồi ra, tỷ lệ cơng suất tính tốn của BS ơ nhỏ rõ ràng là lớn hơn 50%. Tỷ số cơng suất tính tốn tăng khi tăng băng thơng. Hơn nữa, việc tính tốn sức mạnh của BS ơ nhỏ ln lớn hơn sức mạnh tính tốn của BS ơ macro. Khi sóng milimet cơng nghệ được chấp nhận, tức là băng thơng lớn hơn hoặc bằng 20 MHz và tỷ lệ công suất tính tốn của tế bào nhỏ của BS rõ ràng là lớn hơn 50%.

4.2.5 Thử thách tương lai

Sức mạnh tính tốn sẽ đóng một vai trị quan trọng hơn các tiêu thụ điện năng, bao gồm cả việc truyền tải điện năng ở 5G tế bào nhỏ của BS, bất kể mức độ của khối lượng tuyệt đối và tỷ lệ cho mạng di động nhỏ 5G là. Mặt khác, hiệu quả năng lượng của di động 5G hệ thống thông tin liên lạc dự kiến sẽ cải thiện 100 đến 1000 lần, so với hiệu quả năng lượng của 4G hệ thống thông tin di động. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến hiệu quả năng lượng của mạng di động 5G vẫn tập trung vào việc tối ưu hóa cơng suất truyền tải của BS. Đối mặt với vai trị của sức mạnh tính tốn trong tế bào nhỏ 5G mạng, một số thách thức tiềm ẩn được trình bày ở đây.

Thách thức đầu tiên là tác động của kiến trúc mạng 5G đối với sức mạnh tính tốn trong mạng di động nhỏ 5G.

Tầm quan trọng của sức mạnh tính tốn được cải thiện để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng của Mạng di động nhỏ 5G. Một lý do rõ ràng là công suất truyền bị giảm trong các mạng di động nhỏ 5G áp dụng cơng nghệ sóng MIMO và sóng milimet. Với điện toán đám mây / sương mù và truyền thông bộ nhớ cache đang nổi lên đối với mạng 5G, ngày càng có nhiều khả năng lưu trữ và tính tốn dữ liệu hơn sẽ được thực hiện tại BS di động nhỏ 5G.

Do đó, có thể dự đốn cơng suất tính tốn đó, bất kể mức tiêu thụ điện năng của

khối lượng tuyệt đối và tỷ lệ sẽ được cải thiện hơn nữa đối với mạng di động 5G. Trong trường hợp này, năng lượng tối ưu hóa hiệu quả của mạng di động 5G sẽ

41

không chỉ xem xét sức mạnh truyền tải. Nhưng cũng là sức mạnh được sử dụng để tính tốn và lưu trữ dữ liệu tại BS. Thách thức thứ hai là tối ưu hóa sức mạnh tính tốn của BS với MIMO lớn và sóng milimet các cơng nghệ truyền dẫn. Các nghiên cứu hiện tại thường cố định giá trị của sức mạnh tính tốn ở BS. Hơn nữa, tác động của công nghệ truyền dẫn không dây 5G, chẳng hạn như MIMO lớn và cơng nghệ sóng milimet về sức mạnh tính tốn, được bỏ qua ở BS. MIMO lớn và cơng nghệ sóng có tác động lớn hơn đến sức mạnh tính tốn của BS tế bào nhỏ 5G. Xem xét vai trị của sức mạnh tính tốn ở BS của tế bào nhỏ 5G, không thể bỏ qua tác động của công nghệ truyền dẫn 5G đối với sức mạnh tính tốn của 5G tế bào nhỏ BS's. Khi cơng nghệ sóng MIMO và sóng milimet lớn được áp dụng bởi 5G tế bào nhỏ BS's, một số lượng lớn ăng-ten và băng thơng có thể được lên lịch để tối ưu hóa tài nguyên trong 5G mạng tế bào nhỏ. Cách lập lịch số lượng ăng ten và băng thơng để tối ưu hóa tính tốn năng lượng ở 5G tế bào nhỏ của BS. Thách thức thứ ba là sự cân bằng giữa sức mạnh tính tốn và sức mạnh truyền dẫn trong mạng 5G. Công suất bổ sung của BS phụ thuộc vào khả năng tính tốn và truyền tải của của BS. Khi công suất bổ sung của BS được kết hợp vào khả năng tính tốn và truyền tải của BS, hiệu quả năng lượng của mạng 5G có thể được tính tốn bằng hiệu quả năng lượng của cơng suất tính tốn và truyền tải tại của BS. Tuy nhiên, các cơng nghệ truyền dẫn 5G có những ảnh hưởng khác nhau đến hiệu quả năng lượng của việc tính tốn và cơng suất truyền của tế bào nhỏ của BS. Trong một số tình huống cụ thể, ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của việc tính tốn và sức mạnh truyền dẫn trái ngược nhau ở 5G tế bào nhỏ của BS. Do đó, mối quan hệ giữa việc tính tốn và sức mạnh truyền thơng cần được điều tra thêm về mạng 5G. Hơn nữa, sự cân bằng giữa cơng suất tính tốn và truyền tải cần được tối ưu hóa cho các BS di động nhỏ 5G.

Các hướng nghiên cứu được tóm tắt để giải quyết các vấn đề sau:

• Mơ hình hiệu quả năng lượng mới của mạng di động nhỏ 5G xem xét tính tốn và cơng suất truyền cần được điều tra. Hơn nữa, các mạng do phần mềm xác định (SDN) có thể được sử dụng để đánh đổi tính tốn và sức mạnh truyền dẫn ở BS di động nhỏ 5G với các chức năng điện tốn đám mây / sương mù.

• Để cải thiện hiệu quả năng lượng của BS tế bào nhỏ 5G, các đề án và thuật tốn tối ưu hóa chung phải được được phát triển để tiết kiệm công suất tính tốn và truyền tải