Intra-cell frequency band exiling in green cellular networks

Abstract

Gelişen mobil haberleşme sistemleriyle birlikte artan baz istasyonları güç tüketiminde önemli bir artışa neden olmaktadır. Bu artış enerji verimli sistemleri ön plana çıkarmaktadır. Artan enerji tüketimi hızla gelişen mobil iletişim sistemlerinde kritik bir konudur. Yaklaşan 5G teknolojisi ile milyonlarca baz istasyonu ve milyarlarca akıllı cihaz için enerji verimli sistemlerin tasarlanması gerekmektedir. Günümüzde genellikle iletişim sistemleri, enerji verimliliğinden daha ziyade performans odaklı olarak tasarlanmaktadır. 2030 yılına ilişkin tahminlere göre, 50 milyar akıllı cihaz sisteme bağlanacak ve kişi başına altı akıllı cihaza sahip olunacaktır. 2030'da bilgi ve iletişim teknolojilerinin %75'inin kablosuz olacağı düşünülürse enerji verimli sistemler gelecekte önemli bir rol oynayacaktır.Günümüz teknolojisinde kullanılan büyük hücreler çok sayıda kullanıcının haberleşmesine imkan vermektedir. Fakat kendi kendilerini organize etmelerinde birçok zorluk bulunmaktadır. Kullanıcıların farklı bölgelerde yoğunlaşması ve veri kullanan cihazların sayısında görülen hızlı artış var olan büyük hücre altyapısı tarafından desteklenemeyecektir. Gelişen 5G teknolojisiyle büyük hücre yapısı yerine küçük hücreler kullanılmaya başlanacaktır. Gün boyunca mobil kullanıcıların hareketi nedeniyle hücrelerdeki trafik yoğunluğu değişkenlik gösterir. Eğer her makro hücre trafik yoğunluğunun en fazla olduğu zamana göre planlanırsa, sistemde daima kapasitesinin altında çalışan hücreler olacaktır. Hiçbir sabit hücre planlaması değişen trafik yüküne uygun bir çözüm getirmeyecektir. Gelecekte bu trafik dalgalanması daha ciddi bir enerji problemler oluşturacaktır. Baz istasyonları, mobil haberleşme sistemlerinde en çok güç tüketen unsur olup trafikteki dalgalanmalara bağlı enerji verimliliğinin artırılması için iki temel yöntem belirtilmektedir: hücre açma/kapama (cell switch on/off, CSO) ve hücre yakınlaştırma/uzaklaştırma (cell zooming, CZ) yöntemleri.CSO'da kapsama alanındaki trafik yoğunluğu hesaplanıp belirlenen eşik değerinin altında çalışan baz istasyonlarının kapatılması amaçlanmaktadır. CSO'yu dinamik, statik ve hibrit olarak üç ana yöntem altında incelemek mümkündür. Dinamik CSO'da sistem, gerçek zamanlı veri kullanarak kapanacak aday hücreyi belirler. Bu nedenle, sistem trafik koşullarındaki değişikliklere kolayca uyum sağlar. Statik CSO'da geçmiş trafik bilgileri kullanılarak aylık veya mevsimsel olarak kapatılacak baz istasyonları belirlenir. Bu yöntem gerçek zamanlı veriye ihtiyaç duymaz. Bu nedenle sistem dinamik yönteme göre daha hızlı çalışır. Hibrit CSO'da statik ve dinamik yöntemler beraber uygulanır. Kapsama alanı sağlamak ve ağ bilgisi toplamak için önceden belirlenmiş bir aktif hücre takımı açık bırakılır. Geriye kalan hücreler ise trafikteki hızlı değişikliklere uyum sağlamak için hazırda kapalı bir şekilde tutulur. Hibrit CSO, işaret ile girişim ve gürültü oranı (SINR) bakımından dinamik CSO'dan, enerji verimliliği bakımından ise statik CSO'dan daha iyi bir performansa sahiptir. Kullanıcılar, baz istasyonunun kapsama alanı içersinde düzgün bir dağılıma sahip olmadıklarında hibrit yöntemin kullanılması en uygundur. Bu çalışma, toplanan veriler her saat başı analiz edildiği için dinamik CSO olarak sınıflandırılabilir.Bir diğer yöntem olan CZ'de, kapsama alanı dinamik değiştirilerek baz istasyonunun tükettiği güç azaltılmaya çalışılır. Bununla birlikte, kapsama alanı için baz istasyonunun güç tüketimi tüm sistemin yaklaşık %10'unu oluşturmaktadır. Ayrıca enerji verimliliği, kullanıcıların farklı bir frekans bandına atanmasıyla artırılabilir. Hücrenin kapsama alanının artırıp azaltılmasında üç farklı yol önerilmiştir. Sürekli CZ tekniğinde, hücre kapsama alanı en uzaktaki kullanıcıya göre ayarlanır. Kesikli CZ tekniğinde, kapsama alanı istenen sayıda alanlara bölünür. Kapsama alanını değiştirmek isteyen istasyon hızlıca bir üst veya alt seviyeye geçerek kapsama alanını değiştirmiş olur. Bulanık CZ tekniğinde, kesikli CZ tekniğiyle belirlenen sınırlar yaklaşık %10-20 arasında genişletilir. Yapılan benzetimlerde ölçülen SINR değerinin en iyi kesikli CZ'de, sonra bulanık ve sürekli CZ'de elde edilmiştir. Operatörün, kapatılacak veya kapsama alanı azaltılacak hücreye karar vermesinde; hücre yükü, iş hacmi, kullanıcı sayısı ve kullanılan ortalama veri miktarı gibi temel performans göstergeleri kullanılır. Yapılan çalışmalarda hücre yükleri, kullanıcı sayısı ve iyi SINR'a sahip kullanıcı sayısı CSO performans göstergeleri olarak incelenmiş ve en iyi performans, kullanıcı sayısının göz önünde bulundurulduğu durumda elde edilmiş olup bu çalışma da kullanıcı sayısı değişkenliği üzerine temellendirilmiştir. Ayrıca iki farklı frekans bandı (LFB/UFB) kullanılarak hem kapsama boşlukları önlenmiş hem de kullanıcıların UFB'den LFB'ye atanarak enerji verimliliğinin sağlanabileceği gösterilmiştir. Hızla gelişen mobil haberleşme sistemleriyle artan enerji tüketimi, gelecek yıllarda mevcut sistemlerin enerji verimliliğinin artırılması üzerine odaklanılacağını göstermektedir. Fakat, CSO ve CZ yöntemleri her ne kadar da enerji verimliliği sağlayan yöntemler olsa da bazı eksik yönleri mevcuttur. Bu teknikler servis alanının tam kapsanmasını garanti etmez. Bu nedenle bazı kapsama boşlukları oluşabilir. Ayrıca hesaplama basitliği ve hızlı işlem gerekliliği bu yöntemler için pek yeterli düzeyde değildir.Bu çalışmada, baz istasyonlarındaki frekans bantlarının kapsama alanlarının dinamik değiştilerek güç tüketiminde verimliliğe ve özellikle LTE sistemlerindeki eNodeB'lerin kapsama alanlarının verimli kullanımına odaklanan hücre içi frekans bant sürgünü yöntemi önerilmiştir. Yöntem sayesinde yüksek frekans bandındaki kullanıcılar daha az güç tüketen düşük frekans bantlarına atanır. Yöntemin uygulanabilirliği teorik ve pratik açıdan incelenmiştir. Bu çalışmayla hücresel sistemin farklı frekans bantlarındaki kapsama alanının belirli koşullar altında değiştirilmesi önerilmektedir. Yüksek frekans bandındaki (upper frequency band, UFB) kullanıcıların düşük frekans bandına (lower frequency band, LFB) atama etkisi analiz edilip farklı frekans bantlarının güç tüketimi özellikleri kıyaslanmıştır. Gerçek veriler yardımıyla önerilen yöntemin benzetimi yapılıp spektral ve enerji verimliliği bakımından değerlendirilmiştir.Bu çalışmada, ilk olarak CSO ve CZ yöntemlerinin teorik arka planı sunulmaktadır. Ardından belirlenen problem ve bu çalışma sayesinde yaptığımız katkı açıklanmıştır. İkinci bölümde enerji verimli hücresel ağların tasarımıyla ilgili temel bilgiler verilmiştir. Spektral ve enerji verimliliğin sistemin performansını ölçmede iki temel parametre olduğu belirtildi. Üçüncü bölümde mevcut yöntemlere alternatif olarak önerilen hücre içi frekans bant sürgünü yöntemiyle ilgili ayrıntılar verilip, kullanılan gerçek veriler ve güç tüketim modelleri açıklanmıştır. Buna ek olarak, önerilen yöntemin performans ölçümünde kullanılan parametreler açıklanmıştır. Dördüncü bölümde benzetim sonuçları açıklanmış ve önerilen yöntemin belli bir trafik yoğunluğuna kadar verimlilik artışı gösterilmiştir. Son bölümde çalışma özetlenip, gelecekte çalışabilecek ucu açık konular verilmiştir.

Green communications has been gaining a lot of attraction in recent years due to the increasing power consumption in rapidly evolving cellular networks. With upcoming technology, namely 5G and beyond, some characteristics of the previous generations, such as data rate and delay, are expected to be enhanced. However, these demands cause not only more energy-related costs but also environmental consequences in the mobile communication industry. Information and communication technology (ICT) sector is responsible from 10% of the total energy consumption and 2% of global CO2 emissions. Among the main ICT sectors, 37% of the total ICT energy consumption are due to the communication equipments. Also, many communication technology companies, taking actions for decreasing harmful effects of ICT tools, have announced that their 2025 goals are to reduce greenhouse gas emissions up to 40%.The drive to make cellular networks more `green` begins with base stations (BSs) since, the power is mostly consumed by BSs at around 60%. Thus, smaller improvements in power consumption bring huge energy savings. After all of that, the most important factor for determining the energy consumption level is traffic density. User traffic load varies in the cells during the day. The biggest reason for this is the mobility of mobile users. For example, while traffic density is high in working areas during the day, traffic density is much less in residential and living areas. In the evening, we can observe the opposite of this traffic intensity model. Setting parameters of each macrocell considering to the most dense time results in serving cells running under their own capacities. The 80% of BSs works in a serious unsaturated state in the 80% of all time. In the future, this traffic fluctuation is expected to become a more serious problem. In next generation wireless network systems, it is envisaged to increase the energy efficiency by changing the coverage area of BSs by two basic methods: cell switch on-off (CSO) and cell zooming (CZ). However, neither CSO nor CZ are sufficient solutions for energy efficiency in wireless networks. These techniques may not guarantee to meet the demands such as covering whole service area, computational simplicity, and fast processing. Therefore, intra-cell frequency band exiling (ICE) is proposed as a promising energy-efficient technique due to the fact that radio units of lower frequency bands (LFBs) consume less power than radio units of upper frequency bands (UFBs). In ICE scenarios, we reduce the power consumed by a BS through switching the frequency bands. Hence, energy efficiency can be improved by assigning user equipments (UEs) from UFBs to LFBs. In this work, we introduce an energy-efficient technique, ICE, by adjusting the coverage areas of multiple frequency bands supported by the communication network. Also, it is shown that total ASE and EE can be increased by ICE till 10^7 Kbytes/km^2 traffic value. The contributions of this work are listed as: i) the condition for assigning users from a UFB to LFB is explained in terms of energy efficiency, ii) ICE probability of a cellular system is derived, iii) the performance of ICE is investigated in terms of ASE and EE, and iv) the trade-off between EE and ASE is provided.