Radio Planning and Management of Energy-Efficient Wireless Access Networks

Dans les dernières années, le secteur des Technologies de l'Information et de la Communication (TIC) a transformé la façon dont nous vivons: il joue un rôle principal sur le développement économique et la productivité, en offrant des services innovants qui sont devenus partie intégrante de la vie quotidienne. En raison de ce phénomène, l'effet des technologies de l'information et de la communication sur le réchauffement climatique ne peut plus être ignoré. Le concept des TIC Vertes (ou Green ICT, en anglais) est né dans le but de stimuler la recherche vers des solutions respectueuses de l'environnement et économes en énergie. Étant une partie important des TIC, les réseaux de télécommunication connaissent une croissance en plein essor. Les contraintes de qualité de service et de capacité sont les principaux responsables de l'augmentation de la consommation d'énergie; en particulier, une grande partie de la facture d'électricité des opérateurs de réseaux est due aux exigences élevées de puissance des stations de base sans fil, qui ont été identifiées comme les composantes les plus énergivores des réseaux. Jusqu'à présent, l'industrie de la communication mobile s'est essentiellement concentrée sur le développement de terminaux mobiles à faible consommation d'énergie afin d'attirer un plus grand nombre de clients et, par conséquent, d'augmenter les profits des opérateurs; en revanche, le monde de la recherche étudie la question de l'efficacité énergétique d'un point de vue plus large. En plus des études sur dispositifs et protocoles économes en puissance, des travaux plus récents ont abordé la problème du design et du fonctionnement éco-énergétiques dans les infrastructures de réseaux câblés et sans fil. De nombreux aspects de la planification et gestion des réseaux verts ont été explorés. Cependant, les deux problèmes n'ont jamais été liés et abordés à la fois, en négligeant le fait que l'efficacité d'une gestion de réseau à faible consommation d'énergie dépend en grande partie des décisions prises dans la phase de design.

Abstract

In the last years, the ICT sector has transformed the way we live. Consistently delivering innovative products and services, the ICT assumed a primary role on economic development and productivity, becoming an integral part of everyday life. However, due to their wide and constantly increasing diffusion, the effect of information and communication technologies on global warming can no longer be ignored. The concept of Green ICT has originated with the aim of building awareness of this, thus boosting the research toward environmentally sustainable, energy-efficient technologies and solutions. As an important part of the ICT, telecommunication networks are experiencing a booming growth. Capacity issues and quality of service constraints are some of the main concerns that contribute to raise the power consumption. In particular, a large portion of the electricity bill results from the high power requirements of wireless base stations, which have been proved to be the most energy-hungry network components. Up to now, the mobile communication industry has focused mostly on the development of power-efficient mobile terminals, so as to attract a higher number of customers and consequently increase the operators' profits; on the other hand, the research world has been investigating energy efficiency from a wider point of view. Besides studies on power-efficient devices and protocols, more recent works addressed the problem of energy-aware design and operation in wired and wireless network infrastructures. Many aspects and challenges of green network planning and management have been explored; nevertheless, the two problems have never been linked and tackled at the same time, neglecting the fact that an effective power-efficient network operation largely depends on the decisions taken in the design phase. The research presented in this doctoral thesis aims at filling this gap by developing an optimization framework that jointly considers the design and operation of wireless networks. The proposed joint planning and energy management problem (JPEM) strives to prove that, when cell sleeping is adopted as network management technique, the level of flexibility offered by the installed topology strongly improves the system capability to adapt to the varying traffic load. By minimizing the trade-off between capital expenditures (CapEx) related to the network deployment and operational expenditures (OpEx) calculated over the network lifetime, the model finds the most energy-efficient network topology while meeting the capital investment limitations imposed by the mobile operator.