Ενεργειακά αποδοτικά δίκτυα ασύρματων επικοινωνιών

Abstract

In wireless communication networks, with a full redesign in structure, operation and resources’ distribution at all levels of operation of this very complex mechanism, a significant amount of the consumed energy can be saved. Proper decision-exchange and support infrastructures, which will provide to the network management services the ability to meet the ever-changing needs and conditions of the environment, are considered as necessary, in order to achieve a high degree of energy efficiency optimization in wireless broadband communications.This PhD Dissertation focuses on energy-efficient operation of one of the most common wireless access technologies, namely mobile/cellular communications. We focused on the wireless access points’ operation, which consume up to 80% of the total energy required by an operational wireless mobile network. We introduced new operational, transmission and traffic load servicing profiles in the set of wireless access points, aiming at the higher reduction of their energy consumption, while maintaining and monitoring the level of services offered to the end user. From a theoretical perspective, we classified this particular energy aware model into the category of the capacitated facility location problems, which are NP-hard. We applied exhaustive techniques for estimating the upper bound in each of the mobile network’s system models we examined, and we formulated the corresponding power consumption optimization problems. We examined a variety of different parameters and variations, such as: a) homogeneous and heterogeneous topology models, b) different radio access techniques, c) static users and user mobility patterns d) variety of offered services, as well as and e) application of backhaul models, and introduced energy-efficient heuristic schemes capable of finding the optimal solution from a power consumption perspective, per snapshot and/or per daily operation of a wireless communication network, while maintaining the quality of services at the desired levels.

Στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών, με πλήρη ανασχεδιασμό της διάρθρωσης, λειτουργίας και κατανομής των πόρων αυτού του ιδιαιτέρως περίπλοκου μηχανισμού σε όλα τα επίπεδα λειτουργίας του, μπορεί να εξοικονομηθεί σημαντικό ποσοστό της καταναλισκόμενης ενέργειας. Κατάλληλες υποδομές ανταλλαγής και λήψης αποφάσεων, οι οποίες θα παρέχουν στο σύστημα διαχείρισης του εκάστοτε δικτύου τη δυνατότητα να γνωρίζει το βέλτιστο τρόπο με τον οποίο θα μπορεί να ανταποκριθεί στις συνεχώς μεταβαλλόμενες ανάγκες και συνθήκες του περιβάλλοντός του, κρίνονται απαραίτητες και πρέπει να υλοποιηθούν διότι θα συμβάλλουν στην επίτευξη υψηλού βαθμού βελτιστοποίησης της ενεργειακής απόδοσης των ασύρματων δικτύων τηλεπικοινωνιών. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην ενεργειακά αποδοτική λειτουργία των δικτύων κινητής, που είναι μία εκ των δύο σημαντικότερων τεχνολογιών ασύρματης πρόσβασης. Εστιάσαμε στην αναθεώρηση του τρόπου λειτουργίας των σημείων ασύρματης πρόσβασης, τα οποία αναλίσκουν το 80% της απαιτούμενης ενέργειας για την ομαλή λειτουργία ενός δικτύου κινητής. Προτείναμε νέα προφίλ λειτουργίας, εκπομπής και εξυπηρέτησης της τηλεπικοινωνιακής κίνησης στο σύνολο των σημείων πρόσβασης, στοχεύοντας στην υψηλότερη μείωση της ενεργειακής τους κατανάλωσης, με παράλληλη παρακολούθηση και διατήρηση του επιπέδου των υπηρεσιών που προσφέρεται στον τελικό χρήστη. Από θεωρητική προσέγγιση, αποδείξαμε ότι το συγκεκριμένο μοντέλο προσέγγισης της μείωσης της ενεργειακής κατανάλωσης των δικτύων κινητής εντάσσεται στην κατηγορία προβλημάτων χωρητικότητας και χωροθέτησης που ανήκει στην κατηγορία NP-Δύσκολων προβλημάτων. Εφαρμόσαμε τεχνικές εύρεσης της μέγιστης ενεργειακής εξοικονόμησης σε καθένα από τα μοντέλα συστήματος δικτύων κινητής που εξετάσαμε, και διατυπώσαμε τα αντίστοιχα προβλήματα ενεργειακής βελτιστοποίησης. Εξετάσαμε ποικιλία παραμέτρων και εκδοχών στα ανωτέρω προβλήματα, όπως: α) ομογενή και ετερογενή μοντέλα τοπολογιών, β) διάφορες τεχνικές ραδιοπρόσβασης, γ) στατικά μοντέλα και μοντέλα κίνησης χρηστών, δ) διαφορετικής ποιότητας προσφερόμενες υπηρεσίες, καθώς και ε) εφαρμογή μοντέλων οπισθοζεύξεων, και αναδείξαμε ευριστικά σχήματα εξεύρεσης βέλτιστων ενεργειακά λύσεων, ικανά να ελαχιστοποιήσουν την ενεργειακή κατανάλωση των δικτύων κινητής ανά στιγμιότυπο ή ανά ημερήσιο κύκλο της λειτουργίας τους, διατηρώντας παράλληλα την ποιότητα των υπηρεσιών στα επιθυμητά επίπεδα.