Delay Tolerant Users: A solution to end-to-end network energy efficiency - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2015

Delay Tolerant Users: A solution to end-to-end network energy efficiency

Des utilisateurs tolérants au délai - une solution pour l'efficacité énergétique de bout en bout

Résumé

Cellular networks have been traditionally designed to keep the network infrastructure always operational. This in order to ensure ubiquitous service availability and enough capacity to serve the peak of usage of the customers. Recently, the concern about the energy efficiency of this paradigm has increased, and a different approach has concentrated the research efforts of industry and academy. In this new paradigm, the infrastructure is dynamically adapted to the temporal and spatial traffic variations, reducing the energy wastage. The majority of these studies make the adaptation of the infrastructure unnoticeable to the users. However, with the appropriate interactivity and incentives, some users may be willing to offer their cooperation to the network. In this thesis we consider the user cooperation in the design and control of energy efficiency techniques. We consider a specific type of cooperation in which the users are able to offset the start of their services for a bounded and known-in-advance delay. Based on proactive interaction with the users, the network may ask them to delay the start of their services if an energy efficiency technique is applied in the area where they are located (e.g. a base station is switched off). Thus, a portion of the traffic is shifted and the network can optimize the resource utilization in order to consume less energy. First, we present an overview and classification of the literature covering the main domains of the thesis, namely energy efficiency in cellular networks and user demand shaping. We describe as well the most recent cellular network architecture - LTE. Then, we propose two different strategies to control the network resources depending on the cooperation of the users and their delay tolerance, and we evaluate the impact of such cooperation schemes in different energy efficiency techniques. Afterwards, we propose a theoretical framework for the analytical evaluation of the proposed strategies. We obtained the theoretical bounds of the attainable energy savings when employing different energy efficiency techniques, and we investigated the trade-off between the waiting time bounds proposed to the users and the energy gains. We observed that increased delay tolerance leads to more energy gains, and that the gains have an upper bound determined by the system serving capacity. We also noted that delaying opportunistically the user services depending on the system conditions is more beneficial than systematically delaying all of them. Finally, we evaluated the strategies under more realistic conditions using system level simulations. We corroborated the theoretical trends and we observed that the attainable gains are limited by the duration of the network reconfiguration process.
Les réseaux cellulaires fonctionnent traditionnellement en maintenant l'infrastructure du réseau toujours opérationnelle, de manière à satisfaire non-seulement la disponibilité du service, mais aussi les capacités réseaux nécessaires pour gérer les pics de charge utilisateur. Ce paradigme est limité en terme d'efficacité énergétique et une approche différente est actuellement prise dans le cadre des recherches industrielles et académiques. Dans ce nouveau paradigme, l¿infrastructure est dynamiquement adaptée en fonction des variations temporelles et spatiales du trafic, réduisant de ce fait les pertes d¿énergie. Dans cette thèse, nous prenons en compte la coopération de l'utilisateur dans la mise en ¿uvre et le contrôle des techniques d¿efficacité énergétique. Nous considérons un type spécifique de coopération où l¿utilisateur est capable de décaler l¿utilisation de son service pendant un temps fixé et borné, et connu à l¿avance. En utilisant une interaction proactive avec les utilisateurs, le réseau peut alors leur demander de décaler l¿utilisation de leur service si une technique d¿efficacité énergétique est appliquée dans leur zone de localization (ex: une station de base étant désactivée). Ainsi, une portion du trafic n¿est pas générée immédiatement et le réseau peut optimiser l¿utilisation des ressources, rester une plus longue période en utilisant un ensemble de ressources limité, et donc entrainer une moindre consommation d¿énergie. Nous présentons d'abord une vue d'ensemble et une classification de le littérature des domaines abordées dans le cadre de cette thèse: l'efficacité énergétique dans les réseaux cellulaires et l'adaptation du trafic. Ensuite, nous proposons deux stratégies différentes pour contrôler les ressources du réseau, fonction de la coopération des utilisateurs et de leur tolérance aux délais, et nous évaluons l¿impact d¿un tel schéma de coopération pour différentes techniques d¿efficacité énergétique. Après ça, nous proposons un modèle théorique afin d'évaluer analytiquement les stratégies proposées. Nous obtenons alors les limites théoriques d'économie d'énergie atteignables par utilisation de différentes stratégie d'efficacité énergétique and nous évaluons le compromis entre les limites du temps d¿attente proposé aux utilisateurs, et les économies d¿énergie atteignables. Nous avons observés qu'une augmentation dans la tolérance au délai entraine un meilleur gain énergétique, et que ce gain a une limite maximale déterminée par la capacité du système. Nous avons aussi noté que retarder de manière opportuniste le service de l'utilisateur en fonction des conditions du système est plus bénéfique que de les retarder tous systématiquement. Finalement, nous avons évalué par simulation les stratégies sous des conditions plus réalistes. La simulation confirme les tendances observées avec le modèle théorique et nous avons noté que les gains atteignables sont limités par les temps d'adaptation du système lors des phases de reconfiguration.
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  • HAL Id : tel-01310944 , version 1

Citer

Samantha Gamboa. Delay Tolerant Users: A solution to end-to-end network energy efficiency. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Télécom Bretagne; Université de Rennes 1, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01310944⟩
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