Exploiting wireless local area network density to improve energy and bandwidth allocation in internet access networks

Abstract

Residential access networks provide always-on connectivity at a constant maximum speed and constant energy consumption. However, their usage is not constant. Users combine disconnection periods with light usage periods and heavy usage periods. The mismatch between the energy consumption and the traffic demand results in a waste of energy. Moreover these networks are unable to increase the energy devoted to a user to satisfy her peaks of demand. The low average utilization of access networks, which is reported to be below 10%, makes clear this waste of energy. Meanwhile, the figures of energy consumption reported by telecommunication companies are staggering. And the maximum connectivity speeds in many regions of the world remain insufficient to support bandwidth hungry applications. To reduce the energy wasted by access networks and increase the maximum speed obtained by individual users I propose to exploit the high density of wireless networks in urban environments. This density allows to i) group light traffic demanding users into a small subset of access lines powering off the unused ones and ii) add the capacity of several lines to increase the throughput obtained by high speed demanding users. The results in this dissertation show that i) the combination of the reduced number of active lines with simple switches at the Internet Service Provider (ISP) central office, can save 66% of the energy devoted to powering access networks and ii) high traffic demanding users can experience a 4× speedup. This thesis has steered great interest in major ISPs. Actually, Telefónica decided to commercialize the ideas here presented and is actively testing its commercialization with a market test in Spain.

El uso de Internet en entornos residenciales no es constante. Los usuarios combinan períodos de desconexión con otros de bajo uso y algunos de alta actividad. Aún así, las redes de acceso a Internet proporcionan una máxima velocidad constante con un consumo energético también constante. La diferencia entre el uso de las redes y su consumo resulta en un desperdicio energético. Además, las velocidades máximas obtenidas por los usuarios son insuficientes para satisfacer sus picos de demanda. La baja utilización media de las redes de acceso – inferior al 10%— pone en evidencia este desperdicio. Mientras tanto, las cifras de consumo energético de las principales operadoras de telecomunicaciones son impresionantes y la velocidad máxima de conexión en muchas regiones del mundo sigue siendo insuficiente para ofrecer servicios como la transmisión de video en alta definición. En esta disertación propongo aprovechar la alta densidad de redes inalámbricas existente en entornos urbanos para reducir el desperdicio de energía de las redes de acceso e incrementar la máxima velocidad de conexión a Internet. Esta densidad permite i) agrupar usuarios con un bajo consumo de Internet en un subgrupo de líneas de acceso y apagar las que queden sin usar, y ii) agrupar la capacidad de varias líneas de acceso para aumentar la velocidad de conexión de los usuarios que lo necesiten. Los resultados presentados en esta disertación muestran que i) combinando la reducción de líneas activas con simples conmutadores en las centrales de los operadores se puede reducir el consumo energético de las redes de acceso en un 66% y ii) los usuarios pueden experimentar un aumento de su velocidad de hasta 4 veces. Esta tesis doctoral ha despertado gran inter ́es en las principales operado- ras de Internet. De hecho, Telefónica ha decidido comercializar las ideas presentadas en esta disertación y está realizando pruebas comerciales en España.