استراتژی های روشن و خاموش کردن ایستگاه دینامیک برای شبکه سلولی سبز

Dynamic Base Station Switching-on/off Strategies for Green Cellular Networks

چکیده

1 . معرفی

الف . انگیزه

ب . سهم اصلی

ج . کارهای قبلی

2 . مشخصات سیستم و فرمولبندی مساله

الف . مشخصات سیستم

ب . فرمولبندی کلی مساله

3 . الگوریتم پیشنهادی SWES

الف . طرح منطقی : نماد تاثیر سیستم

ب . جزئیات الگوریتم

ج . ابتکارات با توجه به پیاده سازی عملی

د . دیگر مسائل پیاده سازی

4 . آنالیز مرتبه اول

5 . آنالیز عددی

الف . صرفه جویی انرژی توسط الگوریتم SWES

ب . مشخصات الگوریتم SWES

6 . نتیجه گیری

7. کارهای آینده

چکیده

در این مقاله، به بررسی ایستگاه کلیدزنی پایه دینامیک (BS) به منظور کاهش انرژی مصرفی در شبکه های سلولی بی سیم می پردازیم. به طور خاص ، ما یک مساله حداقل سازی انرژی کلی مربوط به کلیدزنی BS را فرموله می کنیم که به عنوان یک مساله دشوار با محاسبات پیچیده و بار سیگنالی بالا شناخته می شود. ما یک الگوریتم به صرفه انرژی براساس کلیدزنی روشن / خاموش (SWES) پیشنهاد می کنیم که قابلیت پیاده سازی در روش پراکنده با پیچیدگی محاسبات پایین را دارد. قانون کلیدی طراحی الگوریتم پیشنهادی خاموش کردن BS ها یکی پس از دیگری می باشد که با معرفی شبکه جدیدی تاثیرات بر شبکه را به حدقل می رساند ،‌ که بارهای اضافی BS های مجاور را نیز محاسبه می کند. به منظور کاهش بیشتر علامت دهی و بکارگیری سربار روی هوا و داده های متمرکز ، سه نسخه ی دیگر SWES را ارائه می دهیم که از مقادیر تقریبی به عنوان معیار تصمیم گیری بهره می برند. توضیح می دهیم که چگونه از الگوریتم ارائه شده می توان در عمل در سطح پروتکل و همچنین برای محاسبه میزان صرفه جویی انرژی از طریق تجزیه و تحلیل مرتبه اول در یک محیط ساده استفاده کرد. شبیه سازی گسترده نشان می دهد که الگوریتم SWES به طور قابل توجهی می تواند به کاهش مصرف انرژی کلی منجر شود ، بعنوان مثال برآورد ما 50-80٪ صرفه جویی بالقوه بر اساس مشخصات ترافیک واقعی در یک منطقه شهری است.

1 . معرفی

الف . انگیزه

به تازگی انقلابی در داده های موبایل [2] رخ داده است که توسط گوشی های هوشمندی که به اینترنت دسترسی داشته و برنامه های چند رسانه ایی متنوعی دارند هدایت می شود. با این حال این مطلب مصرف انرژی را افزایش داده و ردپای کربن را به صنعت ارتباطات باز می کند. بطور خاص تمام تکنولوژی اطلاعات و ارتباطات (ICT) سهمی به اندازه 2٪ از انتشار CO2 در حال حاضر و سهمی به اندازه 5/1٪ (CO2e)1 در سال 2007 داشتند [3],[4] . یک مطالعه کمی در [5] شکلی که در ادامه می آید نرخ انتشار CO2  را برای شبکه های سلولی به ترتیب در سال 2007 و 2020 به میزان 4/0 و 2/0 تخمین می زند. توجه داشته باشید ، درحالیکه اثر کلی ICT بین سال های 2007 و 2020 دوبرابر است ، اثر شبکه های سلولی تقریبا سه برابر در همان دوره زمانی پیش بینی شده است.

6 . نتیجه گیری

در این مقاله، ما بر روی مشکل کلیدزنی BS برای صرفه جویی در انرژی در شبکه های سلولی بی سیم متمرکز شدیم. بطور خاص یک اصل طراحی براساس مفهوم تازه ی تاثیر شبکه را پیشنهاد نمودیم. با توجه به مشکل پیاده سازی، پیچیدگی محاسباتی و میزان مشکلات اطلاعات بازخورد، ما چندین الگوریتم SWES ارائه دادیم. بعلاوه الگوریتم پیشنهادی ما برای الگوریتم توزیع برخط طراحی شده است که می تواند بدون کنترلر مرکزی کار کند. در نهایت، با استفاده از تجزیه و تحلیل مرتبه اول نشان دادیم که میزان انرژی صرفه جویی شده به نسبت ترافیک ، میانگین ، واریانس و استقرار BS وابسته می باشد. ما به صورت تجربی نشان دادیم که الگوریتم های ساده پیشنهادی نه تنها می توانند عملکردی نزدیک به الگوریتم جامع بهینه داشته باشند بلکه می توانند به صرفه جویی قابل توجهی تا 80٪ دست یابند.

Abstract

In this paper, we investigate dynamic base station (BS) switching to reduce energy consumption in wireless cellular networks. Specifically, we formulate a general energy minimization problem pertaining to BS switching that is known to be a difficult combinatorial problem and requires high computational complexity as well as large signaling overhead. We propose a practically implementable switching-on/off based energy saving (SWES) algorithm that can be operated in a distributed manner with low computational complexity. A key design principle of the proposed algorithm is to turn off a BS one by one that will minimally affect the network by using a newly introduced notion of network-impact, which takes into account the additional load increments brought to its neighboring BSs. In order to further reduce the signaling and implementation overhead over the air and backhaul, we propose three other heuristic versions of SWES that use the approximate values of network-impact as their decision metrics. We describe how the proposed algorithms can be implemented in practice at the protocol-level and also estimate the amount of energy savings through a first-order analysis in a simple setting. Extensive simulations demonstrate that the SWES algorithms can significantly reduce the total energy consumption, e.g., we estimate up to 50-80% potential savings based on a real traffic profile from a metropolitan urban area.

I. INTRODUCTION

A. Motivation

Recently, there has been an explosion in mobile data [2], which is mainly driven by smart-phones that offer ubiquitous Internet access and diverse multimedia applications. However, this also brings ever-increasing energy consumptions and carbon footprint to the mobile communications industry. In particular, the whole information and communication technology (ICT) sector has been estimated to contribute to about 2 percent of global CO2 emissions, and about 1.5 percent of global CO2 equivalent (CO2e1) emissions in 2007 [3], [4]. A quantitative study in [5] estimated the corresponding figure for cellular networks to be 0.2 and 0.4 percent of the global CO2e emissions in 2007 and 2020, respectively. Note that while the overall ICT footprint will less than double between 2007 and 2020, the footprint of cellular networks is predicted to almost triple within the same period.

VI. CONCLUSION

In this paper, we focused on the problem of BS switching for energy savings in wireless cellular networks. In particular, we suggested a design principle based on the newly introduced concept of network-impact. Taking into account the implementation difficulty, the computational complexity and the amount of feedback information problems, we proposed several SWES algorithms. Furthermore, our proposed algorithms are designed to be online distributed algorithms that could be operated without any centralized controller. Finally, from the first-order analysis we showed the amount of energy saving is dependent upon the traffic ratio of mean and variance and the BS deployment. We empirically showed that the proposed simple algorithms can not only perform close to the optimal exhaustive algorithm but also can achieve significant energy savings up to 80%.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

استراتژی های روشن و خاموش کردن ایستگاه دینامیک برای شبکه سلولی سبز

Dynamic Base Station Switching-on/off Strategies for Green Cellular Networks

صرفه جویی انرژی در برنامه ریزی شبکه های سلولی تحت زوم سلولی ناکافی

Energy-Efficient Cellular Network Planning under Insufficient Cell Zooming

چکیده

1 . معرفی

2 . مدل سیستم و فرمول بندی مساله

الف . مدل سیستم و فرضیات

ب . فرمولبندی مساله

3 . زوم سلولی توسط افزایش توان انتقال

الف . ترافیک در برنامه ریزی

ب . صرفه جویی انرژی شبکه

4 . نتیجه گیری

چکیده

با رشد روزافزون سیستم های سلولی، مصرف انرژی به یک مسئله حیاتی تبدیل شده است. برنامه ریزی شبکه سلولی موجود عمکردگرا می باشد که هدف اش پاسخ گویی به درخواست ها در اوج ترافیک بدون ملاحظات بیش از حد در بهره وری انرژی می باشد. متاسفانه، سابقه ی ترافیک در دنیای واقعی نشان داده است که در بسیاری از موارد ، بسیاری از سلول ها در حالت بهره وری پایین قرار دارند. خاموش کردن سلول های خاصی در دوره های ترافیک پایین برای برخی از زمانها ثابت شده است که از نظر بهره وری انرژی کارآمد می باشد. با خاموش کردن این سلول ها باقی سلول های در حال کار می بایست ناحیه پوشش خود را با زوم سلولی افزایش دهند تا سرویس دهی را تضمین کنند. با این حال ممکن است بسته به تنظیمات سلول این زوم کردن کافی نباشد.

در این مقاله، ما بهره وری انرژی را در برنامه ریزی شبکه سلولی در نظر می گیریم. پارامتر جدیدی را برای محاسبات ترافیک معرفی می کنیم که نرخ زمانی ترافیک کم τ نام دارد. به منظور خاموش کردن سلول های بیشتردو راه حل قابل دستیابی می باشد : بکارگیری سلول های کوچکتر ولی بیشتر یا پیاده سازی فن آوری پوشش گسترده. ما روی راه حل سابق تمرکز می کنیم تا تنظیمات سلول و روش ارزیابی جدیدی ارائه دهیم برای مشخص کردن اینکه آیا استقرار سلولی خاص از نظر انرژی به صرفه است و در مقایسه با طرح قدیمی چه مقدار انرژی می تواند ذخیره کند. نشان داده می شود زمانی که نرخ زوم کردن سلولی به مقدار کافی برسد برای طرح خاصی از خاموش کردن سلول ها  ، بکارگیری سلول های بیشتر به صرفه جویی بیشتری در انرژی منجر می شود. همچنین پس از رد کردن آستانه هرچه پارامتر τ بزرگتر باشد صرفه جویی انرژی طرح ما نیز بیشتر خواهد بود.

4 . نتیجه گیری

ما صرفه جویی انرژی را در مرحله برنامه ریزی شبکه سلولی در نظر گرفتیم. یک روش ارزیابی ارائه شد تا ببینیم با استفاده از نتایج برنامه ریزی سنتی باید سلول های بیشتری را خاموش کنیم یا نه ، که عموما نیاز داشت تا سلول های فعال مانده منطقه بیشتری را پوشش دهند. این نیاز ها را می توان با زوم سلولی توسط افزایش توان انتقالی پاسخ داد. حتی اگر زوم سلولی ناکافی باشد ، با هم ممکن است با بکار گیری سلول های کوچکتر اما بیشتر بهره وری انرژی را افزایش دهیم اگر نرخ زوم به حد کافی رسیده و نرخ زمانی ترافیک کم بزرگتر از مقدار آستانه اش باشد.

Abstract

With rapid growth of cellular systems, energy consumption has become a critical issue. The existing cellular network planning is performance-oriented, whose objective is to satisfy peak traffic requirements, without too much considerations on energy efficiency. Unfortunately, real-world traffic profiles have indicated that in most time, most of the cells are in low utilization. Switching off certain cells in low traffic period for some time is proved energy-efficient. To switch off cells, remaining operating cells need to extend their coverage by cell zooming to guarantee service. However, such zooming might be insufficient, depending greatly on cell configurations.

In this paper, we consider energy efficiency in cellular network planning. We introduce a new parameter for traffic estimation, which is low traffic time ratio τ . In order to switch off more cells for insufficient cell zooming, two solutions are feasible: to deploy smaller but more cells or to implement coverage extension technologies. We focus on former solution to determine cell configurations and propose an evaluation method to determine whether certain cell deployment is energy-efficient and how much energy it could save, compared with traditional planning. It is shown that when cell zooming ratio is reaching sufficient for certain switching-off scheme, deploying more cells could be more energy-efficient. Also, after exceeding the threshold, the larger the parameter τ is, the more energy-efficient our solution is.

IV. CONCLUSION

We have considered energy saving in cellular network planning stage. An evaluation method is proposed to determine whether or not to adjust deployment obtained from traditional planning in order to switch off more cells, which normally requires remaining active cells to extend their coverage to certain extent. This requirement could be achieved with cell zooming by increasing transmit power. Even if cell zooming is insufficient, it is still possible to deploy smaller but more cells to increase energy efficiency if cell zooming ratio is reaching sufficient and low traffic time ratio is larger than certain threshold.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

صرفه جویی انرژی در برنامه ریزی شبکه های سلولی تحت زوم سلولی ناکافی

Energy-Efficient Cellular Network Planning under Insufficient Cell Zooming

ارتباطات بی سیم موج میلیمتری چندگیگابیت برای 5G: از دسترسی ثابت تا شبکه های سلولی

Multi-Gigabit Millimeter Wave Wireless Communications for 5G: From Fixed Access to Cellular Networks

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

ارتباطات بی سیم موج میلیمتری چندگیگابیت برای 5G: از دسترسی ثابت تا شبکه های سلولی

Multi-Gigabit Millimeter Wave Wireless Communications for 5G: From Fixed Access to Cellular Networks

• برای دانلود رایگان مقاله انگلیسی با فرمت pdf بر روی عنوان انگلیسی مقاله کلیک نمایید.
• برای خرید و دانلود ترجمه فارسی آماده با فرمت ورد، روی عنوان فارسی مقاله کلیک کنید.