Design of energy efficient network planning schemes for LTE-based cellular networks

Abstract

The rapid expansion of mobile services and the emerging demand for multimedia applications have led to an impressive traffic growth. To this end, Mobile Network Operators (MNOs) seek to extend their infrastructure by installing more Base Stations (BSs), in an effort to increase the network capacity and meet the pressing traffic demands. Furthermore, to fulfill the escalated demands, Heterogeneous Networks (HetNets), which consist of Small Cells (SCs) and the traditional BSs, constitute the new trend of next generation networks. The deployed infrastructure implies a rise in the Capital Expenditures and has a direct impact on the network energy consumption, thus resulting in higher Operational Expenditures. Hence, the investigation of energy efficient solutions will bring down the energy consumption and the network cost. Since the BS is the most power hungry component, the research community has shifted towards the investigation of BS deactivation schemes. These schemes propose that part of the infrastructure can be temporarily switched off, when the traffic is low, while the active BSs extend their coverage to serve the network. Based on a comprehensive review of the state-of-the-art, a set of research opportunities were identified. This thesis provides contributions to the field of BS switching off strategies for wireless macro BSs networks and HetNets of single and multiple MNOs by proposing mechanisms that enhance different aspects of the network performance. The BSs deactivation, the innovative trend of infrastructure sharing and the financially driven collaboration among the involved parties of the current and future networks promise significant improvements in terms of energy and cost savings. The main thesis contributions are divided into three parts, described next. The first part of the thesis introduces innovative BS switching off approaches in single-operator environments, where only macro BSs are deployed. The proposed strategies exploit the inherit characteristics of the traffic load pattern (e.g., distribution of the users, traffic volume, etc.) and the distinctive features of the wireless cellular networks (e.g., BSs position, topology, etc.). Theoretical analysis and computer-based simulations show the performance improvement offered by the switching off strategies with respect to energy efficiency. The second part of the thesis explores a different challenge in network planning. The coexistence of multiple MNOs in the same geographical area has motivated a new business model, known as infrastructure sharing. A roaming-based deactivation scheme is proposed, by taking into account the rationality and the conflicting interests of the MNOs. The proposed game theoretic framework enables the MNOs to take individual switching off decisions, thus bypassing potential complicated agreements. The theoretical and simulation results show that our proposal significantly improves the energy efficiency, guaranteeing at the same time the throughput in realistic scenarios. Moreover, the proposed scheme provides higher cost efficiency and fairness compared to the state-of-the-art algorithms, motivating the MNOs to adopt game theoretic strategies. The third part of the thesis focuses on the exploitation of HetNets and the proposal of energy and cost effective strategies in SC networks with multiple MNOs. We effectively address the cost sharing by proposing accurate cost models for the SCs to share the network cost. Taking into account the impact of the traffic on the cost, we propose novel cost sharing policies that provide a fair outcome. In continuation, innovative auction-based schemes within multiobjective optimization framework are introduced for data offloading from the BSs, owned by the MNOs, to the third-party SC networks. The proposed solution captures the conflicting interests of the MNOs and the third-party companies and the obtained results show that the benefit of proposing switching off approaches for HetNets.

La rápida expansión de los servicios móviles y de la demanda emergente de aplicaciones multimedia han dado lugar a un impresionante crecimiento del tráfico. Operadores de redes móviles (MNOs) tratará de extender su infraestructura mediante la instalación de más estaciones base (BSs), en un esfuerzo por aumentar la capacidad de la red y satisfacer las apremiantes demandas de tráfico. Además, para cumplir con las exigencias escalada, redes heterogéneas (HetNets), constituyen la nueva tendencia de las redes de próxima generación. La infraestructura implica un aumento en los gastos de capital y tiene un impacto directo en el consumo de energía a la red, lo que resulta en un aumento de los gastos operacionales. La investigación de soluciones de eficiencia energética hará bajar el consumo de energía y el coste de la red. La comunidad científica se ha desplazado hacia la investigación de los sistemas de desactivación de BSs. Estos esquemas proponen que parte de la infraestructura se puede cdesectivarse, cuando el tráfico es bajo, mientras que los BSs activas extender su cobertura al servicio de la red. Esta tesis ofrece contribuciones al campo de la BSs desconexión para las redes y HetNets con uno o multiples MNOs, proponiendo mecanismos que mejoran diferentes aspectos del rendimiento de la red. La desactivación de BS,s la tendencia innovadora de compartir infraestructura y la colaboración impulsada financieramente entre las partes implicadas de las redes actuales y futuras prometen mejoras significativas en términos de ahorro energético y económico. Las principales contribuciones de tesis se dividen en tres partes, que se describen a continuación. La primera parte de la tesis introduce innovadora apagar enfoques en entornos de un solo operador, donde se despliegan sólo macro BSs. Las estrategias propuestas explotan las características de tráfico (por ejemplo, la distribución de los usuarios, el volumen de tráfico, etc.) y las características distintivas de las redes (por ejemplo, la posición BS, topología, etc.). Análisis teórico y simulaciones muestran la mejora del rendimiento ofrecido por las estrategias de conmutación con respecto a la eficiencia energética. La segunda parte de la tesis explora un reto diferente en la planificación de la red. La coexistencia de múltiples operadores en la misma zona geográfica ha motivado un nuevo modelo de negocio, conocida como la compartición de infraestructura. Se propone un esquema de desactivación basada en itinerancia, teniendo en cuenta la racionalidad y los intereses en conflicto de los operadores de redes móviles. Los resultados teóricos y de simulación muestran que nuestra propuesta mejora significativamente la eficiencia energética, garantizando al mismo tiempo el rendimiento en escenarios realistas. Por otra parte, el esquema propuesto proporciona una mayor eficiencia de costes y la equidad en comparación con los algoritmos del estado de la técnica, motivar al mnos de adoptar estrategias de teoría de juegos. La tercera parte de la tesis se centra en la explotación de HetNets y la propuesta de estrategias eficaces de energía y costes en las redes con múltiples operadores. Nos dirigimos efectivamente la participación en los costos, proponiendo modelos de costos precisos para para compartir el costo de la red. Teniendo en cuenta el impacto del tráfico en el coste, proponemos políticas costos compartidos novedosas que proporcionan un resultado justo. En la continuación, los esquemas basados en subastas innovadoras dentro de marco de optimización multiobjetivo se introducen los datos que descargan de la BS. La solución propuesta recoge los intereses en conflicto de los operadores de redes móviles y las compañías de terceros y los resultados obtenidos muestran que el beneficio de proponer la desconexión se acerca para HetNets