5G – sieć komórkowa piątej generacji – to najnowsze osiągnięcie w dziedzinie łączności mobilnej. W licznych publikacjach sieć 5G definiuje się ją jako sieć, która może połączyć praktycznie wszystkich ze wszystkim, w tym z maszynami, przedmiotami i urządzeniami [1]. 5G łączy w sobie podstawy GSM (globalnego systemu komunikacji mobilnej), 4G, Wi-Fi i innych technologii sieciowych, aby zapewnić stały zasięg w różnych przypadkach użycia. Operatorzy bezprzewodowi rozpoczęli uruchamianie nowych sieci 5G w 2019 roku, a na dziś zostało ono już wdrożone w ponad 120 krajach na całym świecie. Według danych Ookla® 5G Map, do końca 2022 roku wykonano 127 509 wdrożeń 5G w 128 krajach, w porównaniu do 85 602 w 112 krajach rok wcześniej. Dane jednoznacznie pokazują, że z jednej strony technologia ta nie została jeszcze wdrożona w pełni, ale z drugiej strony potwierdzają nie jest już technologią nową. Liczne wdrożenia sugerują, że 5G osiągnęło już fazę rozwoju, powoli zbliżając się do dojrzałości [2].
Jednym z ważniejszych wyzwań związanych z komercyjnym wdrażaniem technologii telekomunikacyjnych jest redukcja zużycia energii elektrycznej. Z punktu widzenia dostawcy usług telekomunikacyjnych, energia elektryczna stanowi dużą cześć kosztów operacyjnych. Nie dziwi więc fakt, że operatorzy są żywo zainteresowani możliwością zmniejszenia zużycia energii, dążąc do minimalizacji nakładów kwalifikowanych jako OPEX. Redukcja zużycia energii elektrycznej możliwa jest na wielu płaszczyznach. Począwszy od urządzeń końcowych sieci, dla których producenci prześcigają się w dostarczaniu funkcjonalności zapewniających pracę urządzenia z najmniejszą możliwą mocą nadajnika oraz używają energooszczędnych komponentów (w tym ekranów oraz układów odpowiedzialnych za przetwarzanie informacji). Po elementy sieci dostępowej RAN (Radio Access Network), które to mają największe zapotrzebowanie na pobór energii. To właśnie w sieci dostępowej komunikacja od i do użytkownika jest odpowiednio formowana, a poprzez elementy wzmacniające sygnał trafia do nadajników. Technologia 5G w tym obszarze przynosi spore korzyści związane z efektywnością energetyczną, wynika to z użycia, na szeroką skalę, rozwiązania Multiple Input Multiple Output (MIMO). MIMO nie tylko zwiększa przepustowość sieci bezprzewodowej poprzez wykorzystanie transmisji wieloantenowej zarówno po stronie nadawczej, jak i po stronie odbiorczej, ale także przynosi widoczny zysk energetyczny [3]. Badania [3,4,5] potwierdzają system 5G jest znacznie wydajniejszy energetycznie niż jego poprzednik.
Zysk energetyczny, o którym mowa jest częstokroć nadużywanym sloganem. Owszem, w przypadku komunikacji między siecią dostępową a pojedynczym użytkownikiem zauważymy oszczędności. Firmy Nokia i Telefónica zbadały, że sieci 5G są do 90 procent bardziej energooszczędne niż starsze sieci 4G. Trwające trzy miesiące badania, skupiły się na zużyciu energii przez sieć dostępu radiowego (RAN) w sieci Telefónica. Energooszczędność obliczono jako stosunek zużytej energii do jednostki danych przesyłanych przez siec. Co ważne, nie oznacza to wcale, że sieć 5G zużywa mniej energii w ujęciu bezwzględnym. Wręcz przeciwnie. Zauważmy, że 5G umożliwia szybszą transmisje i większą pojemność (ilość obsługiwanych stacji klientów na m2). Typowa stacja bazowa 5G zużywa nawet dwukrotnie lub więcej mocy niż stacja bazowa 4G. Dysproporcja ta może wzrosnąć przy wyższych częstotliwościach, ze względu na konieczność zastosowania większej liczby anten i gęstszej warstwy małych komórek sieci. Ponadto zużycie energii rośnie z uwagi na konieczność uruchomienia dodatkowych urządzeń działających na brzegu sieci, które są potrzebne do obsługi lokalnego przetwarzania i nowych usług Internetu rzeczy (IoT) [4]. Zwiększa to ogólne zużycie energii przez sieć.
Firmy telekomunikacyjne oraz przedsiębiorstwa wdrażające prywatne sieci 5G będą musiały zmierzyć się ze wzrostem rachunków za energię. Wynika to z prostego faktu, zużycie energii na jednostkę danych (watt/bit) jest znacznie mniejsze dla 5G niż 4G, ale w wyniku wykorzystywania możliwości transmisji coraz większej ilości danych, zużycie energii jest znacznie większe. Według analiz [5] “zużycie energii przez sprzęt 5G jest od dwóch do czterech razy większe niż w przypadku 4G, co stawia bezprecedensowe wyzwania dla budowy wymaganej infrastruktury”. Nie oznacza to, że 5G jest systemem niewydajnym energetycznie. Wręcz przeciwnie, po prostu sieci 5G dają możliwości transmisji danych, wymagające odpowiednio większych zasobów energetycznych. W samych tylko Chinach, według Huawei, całkowite zużycie energii przez sieci telekomunikacyjne już przekracza 50 miliardów kWh. Firma zakłada że wartość ta ulegnie podwojeniu, gdy sieci 5G zostaną w pełni wdrożone. Szacowane 100 miliardów kWh (100TWh), to wartość robiąca ogromne wrażenie.
Przy tak dużym zapotrzebowaniu energetycznym ogromnie istotnym aspektem jest optymalizacja zużycia energii. I tu z niespodziewaną pomocą może przyjść, właśnie sieć 5G. Możliwości 5G: szybsza transmisja danych, większe pojemność i niskie opóźnienie (ultra low latency), pozwalają na budowę inteligentnych systemów zarządzania energią. Zadaniem tychże jest utrzymanie sieci energetycznej w stabilnym stanie poprzez równoważenie mocy wytwarzanej (ze wszystkich źródeł) z mocą aktualnie zużywaną [6]. Inteligentne sieci energetyczne, zarówno te istniejące jak i nowe, które dopiero pojawią się w przyszłości, muszą pracować z dużą ilością danych, odczytywać informacje z setek tysięcy czujników w bardzo krótkich odstępach czasu. Muszą działać szybko i bezzwłocznie reagować na wszelkie zmiany po jawiące się w sieci energetycznej. Tu właśnie pojawia się miejsce dla technologii 5G, która jest doskonałym wsparciem dla Internetu Energii (IoE), nowatorskiej koncepcji, która powoli zyskuje popularność. IoE skupia się na tworzeniu relacji pomiędzy urządzeniami energetycznymi a inteligentnymi licznikami i czujnikami. Sieci 5G mogą pomóc w skutecznym zarządzaniu systemami energetycznymi i inteligentnymi sieciami IoE.
[1] Dangi R, Lalwani P, Choudhary G, You I, Pau G. Study and Investigation on 5G Technology: A Systematic Review. Sensors (Basel). 2021 Dec 22;22(1):26. doi: 10.3390/s22010026. PMID: 35009569; PMCID: PMC8747744.
[2] Nowosielski R., Gołombek K.J., Jaskuła A., Wybrane aspekty oceny cyklu życia technologii, Conference Proceedings, 12th International Scientific Conference Achievements in Mechanical and Material Engineering, s. 665–668
[3] Zhou Y., Li D., Wang H., Yang A., Guo S. QoS-aware energy-efficient optimization for massive MIMO systems in 5G; Proceedings of the Sixth International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (WCSP); Hefei, China. 23–25 October 2014; pp. 1–5
[4] Dangi, R.; Lalwani, P.; Choudhary, G.; You, I.; Pau, G. Study and Investigation on 5G Technology: A Systematic Review. Sensors 2022, 22, 26. https://doi.org/10.3390/s22010026
[5] Chen Dongxu, “5G Power: Creating a green grid that slashes costs, emissions & energy use”, 2020, https://www.huawei.com (dostęp 2023.3.3)
[6] Jannati, M., Foroutan, E., Mousavi, S. M. S., and Grijalva, S. (2020). An Intelligent Energy Management System to Use Parking Lots as Energy Storage Systems in Smoothing Short-Term Power Fluctuations of Renewable Resources. J. Energ. Storage 32, 101905. doi:10.1016/j.est.2020.101905
