Cellular Networks Coverage-Enrichment Using Renewable-Energy-Powered Base-Station

في العقـد الماضـي، كان هنـاك نمـو هائـل في سـوق شـبكات الاتصالات المتنقلـة، مـع زيـادة في عـدد المشـتركين والطلـب علـى تطبيقـات الوسـائط المتعـددة بشـكل كبيـر، ولا يتوقـع أن تسـتوعب نظـم وشـبكات الاتصالات اللاسلكية المسـتقبلية الزيـادة السـريعة في عـدد المشـتركين ومعدلات البيانــات والخدمــات فحســب، بــل أيضــا لتحقيــق كفــاءة أفضــل بكثيــر في اســتخدام الطاقــة وتغطيــة كاملــة للشــبكة. أمــا بالنســبة لتكنولوجيــات الاتصالات اللاسلكية والشــبكات، فــإن محطــات الاتصال هــى أكبــر مســتهلك للطاقــة. وتهيمــن البنيــة التحتيــة للشــبكة بشــكل أساســي عــلى استهلاك الطاقـة. معظـم محطـات الاتصال في وقتنـا الحالـي إمـا غيـر متصلـة بالشـبكة الكهربائيـة (أي تعمـل بالطاقـة عـن طريـق مولـدات الديـزل(أو مـن خلـال شـبكات توزيـع الكهرباء، مـن محطـات الطاقـة المعتمـدة عـلى الوقـود الأحفوري. ولذلـك، فـإن قطـاع الاتصالات السـلكية واللاسلكية مسـؤول عـن استهلاك الطاقـة وكذلـك ثانـي أكسـيد الكربـون وانبعاثـات الغـازات الضـارة في جميـع أنحـاء العالـم. وعلـاوة عـلى ذلـك، فـإن معظـم مشـغلي الشـبكات الخلويـة يوسـعون باسـتمرار تغطيـة شـبكاتهم لتقديـم الخدمـات للمشـتركين في المناطـق النائيـة التي تكـون خـارج نطـاق الشـبكة الكهربائيـة وال يوجـد بهـا بيئـة تحتيـة. إن توسـيع نطـاق التغطيـة اللاسلكية بهـذه المناطـق ليـس اقتصاديـا ومكلفـا، ويرجـع ذلـك إلى النفقـات التشغيلية والرأسـمالية المفرطـة. وبالتالـي، فـإن توسـيع تغطيـة الشـبكة اللاسلكية في المناطـق النائيـة يتطلـب تصميـم شـبكة الاتصالات بشـكل دقيـق جـدا وذو أداء عالـي للطاقـة. ف الآونة الأخيرة. أصبـح دمـج مصـادر الطاقـة المتجـددة أمـرا ضروريـا ال غنـى عنـه في تصميـم وتنفيـذ الشـبكات اللاسلكية المسـتقبلية. يهـدف معظـم مشـغلي الشـبكات المتنقلـة إلى زيـادة استقلالية الطاقـة عـن طريـق الاستفادة بكفـاءة مـن الطاقـة المتجـددة- إلى جانـب حلـول تخزيـن الطاقـة – لضمـان الاستدامة وطاقـة صديقـة للبيئـة. ويتمثـل أحـد التكنولوجيـات الرئيسـية التي يمكـن أن تسـاعد في تحقيـق هـذا الهـدف في تطبيـق محطـات الاتصال التي تعمـل بالطاقـة المتجـددة والتي تعتمـد في المقـام الأول علـى الطاقـة المحصـودة والمحفوظـة محليـا باسـتخدام حلـول مثـل الابـراج الشمسـية الهجينـة وتوربينـات الريـاح. وفـي الكويـت، تشـكل الطاقـة الشمسـية وطاقـة الريـاح اهـم مصـادر الطاقـة المتجـددة والمتوفـرة. ويتنـاول هـذا المشـروع اسـتدامة الشـبكات المتنقلـة المسـتقبلية عـن طريـق الحـد مـن اسـتخدام شـبكات الكهربـاء والديـزل في تشـغيل محطـات الاتصال عـن طريـق مصـادر الطاقـة المتجـددة. ونظـرا للمـدن الجديـدة والمناطـق السـكنية التي يجـري بناؤهـا في الكويـت، فـإن فوائـد اسـتخدام محطـات الاتصال تلـك هي: )1( تمكيـن انشـاء محطـات الاتصال الغيــر متصلــة بالشــبكة الكهربائيــة لتوفيــر تغطيــة الســلكية إلى معظــم المناطــق: )2( خفــض النفقــات التشــغيلية والرأســمالية لمشــغلي شـبكات الاتصالات، وبالتالـي خفـض التكاليـف للمشـتركين في الشـبكة: )3( الحـد بشـكل كبيـر مـن استهلاك الطاقـة. وانبعاثـات ثانـي أكسـيد الكربـون والغـازات الضـارة: و )4( توفيـر الاستقلالية مـن تقلبـات أسـعار الوقـود الأحفوري. ممـا يحسـن الاقتصاد الكويتـي. وتتمثـل أهـداف هـذا المشـروع التعاونـي الدولـي والمتعـدد المؤسسـات في مـا يلـي: )1( توفيـر حلـول عمليـة وأسـس رياضيـة لتحقيـق التـوازن الأمثل بيـن الاحمال والطاقـة لمحطـات الاتصال التي تعمـل بالطاقـة المتجـددة: )2( تطويـر تقنيـات ديناميكية لمحطـات الاتصال لتيسـير تفعيـل الشـبكات التي تعمـل بالطاقـة المتجـددة: و)3( تحديـد اسـتراتيجيات متينـة لدعـم محطـات الاتصال وربطهـا بشـبكات الاتصالات. وأخيـرا وليـس اخـرا. سيسـاهم هـذا المشـروع في إيجـاد حلـول للتحديـات التي تواجههـا الكويـت في سـعيها لتلبيـة 15% مـن الطلـب عـلى الطاقـة مـن المـوارد المتجـددة بحلـول عـام ،2030 وبالتالـي إثـراء نوعيـة الحيـاة للمواطنيـن الكويتييـن.

In the last decade, there has been tremendous growth in cellular networks market, with the number of subscribers and
demand for multimedia applications escalating dramatically. Future wireless communication systems and networks are
not only expected to accommodate the rapid increases in the number of subscribers, data rates and real-time services, but
also to achieve significantly better energy-efficiency and complete network coverage. For wireless access technologies and
cellular networks, the base-stations are the largest power consumer, and network energy consumption is mainly dominated
by network infrastructure. Most of today's base-stations are either off-grid (i.e. powered via diesel generators) or through
electricity grids from fossil fuels-dependent power plants. Therefore, the telecommunications sector is liable for energy
consumption as well as carbon dioxide (CO2) and greenhouse gas (GHG) emissions around the globe. Moreover, most
cellular network operators are continually expanding their networks to provide services to subscribers in rural and remote
areas that are off-grid with no infrastructure. Extending the grid connection to such areas is not economic and costly, which
is due to the excessive operational and capital expenditures. Hence, extending cellular network coverage in remote areas
requires very careful network design and high energy performance.
Recently, the integration of renewable-energy sources has become crucial and indispensable in the design and implementation
of future wireless networks. Most cellular network operators are aiming at increasing energy independence by efficiently
utilizing the temporally varying renewable energy---coupled with energy storage solutions---to ensure sustainability and
cleaner energy. One of the key technologies that could help towards this aim is the application of renewable-energypowered base-stations, which primarily rely on locally harvested and stored energy, while using green solutions such as
hybrid solar panels and wind turbines. In Kuwait, the predominant and abundant renewable energy sources are in the form
of solar and wind. This project addresses the sustainability of future cellular networks by reducing the use of electricity
grids and diesel in operating base-stations via renewable-energy sources. Since new cities and residential areas are
being built in Kuwait, the benefits of using such base-stations are: (1) enable the deployment of off-grid base-stations to
provide network coverage and access to most areas, where a reliable energy source does not exist; (2) reduce operational
and capital expenditures for cellular operators and thus lower costs for network subscribers; (3) significantly reduce
energy consumption, and CO2 and GHG emissions; and (4) provide insulation from tariffs and fossil fuel prices and their
fluctuations, which improves the Kuwaiti economy.
The overarching objectives of this international and multi-institutional collaborative project are: (1) provide practical
solutions and mathematical foundations to optimizing load- and energy-balancing for renewable-energy-powered basestations; (2) develop dynamic base-station resource allocation techniques to facilitate the realization of renewable-energypowered networks; and (3) designate robust backhaul strategies to support such base-stations and networks. Last but
foremost, this project will contribute solutions to Kuwait's national challenges in its pursuit to meet 15% of power demand
from renewable resources by 2030, and thus enrich the quality of life for Kuwait’s citizens.