Evaluación de la Eficiencia  Energética de un Esquema  de Apagado Selectivo en  Redes Móviles

Arturo Medela, Javier Valiño, Bruno CendónTST Sistemas

Luis Sánchez, Luis MuñozUniversidad de Cantabria

Índice

• Introducción• Estado del Arte• Límites de ahorro con un esquema simple de 

gestión ON‐OFF

• Ahorros energéticos bajo las limitaciones del  mundo real

• Conclusiones

Introducción

Introducción• Crecimiento exponencial del mercado redes móviles 

banda ancha– TICs responsables de 3% emisiones CO2

– Despliegue redes (LTE), aumento número Estaciones Base  (BS)

• Terreno para mejoras en ahorro energético– Hasta ahora, reducción en terminales usuario

– Consumo recae en operador  Estaciones Base

• Soluciones– Hardware eficiente energéticamente

– Esquemas inteligentes de gestión de red

Introducción• Apagado de BS cuando condiciones carga red 

permita mantener prestación servicios– Despliegues red, calculados para pico de tráfico– Menor cantidad de nodos de red utilizados

– Ajuste de potencia emitida por cada una de las BS

Estado del Arte

Estado del Arte• Soluciones planteadas para ofrecer el mejor ratio 

cobertura –

capacidad– Equipos y red diseñados para operar en alta demanda

• Eficiencia energética en redes móviles, campo  novedoso

– Ahorro en redes ad hoc• Gestión de la topología• Balanceo de carga

– Aproximaciones sobre apagado dinámico BS• Limitaciones en los patrones de tráfico elegidos

Límites de ahorro esquema simple ON‐OFF

Límites de ahorro esquema simple ON‐OFF

• Principio fundamental diseño: garantía de nivel QoS– Recursos desperdiciados al evaluarse el caso peor– Disminución tráfico (día‐noche, desplazamientos usuarios)

• Según perfil de carga en la red, variación en equilibrio entre  número de BSs a apagar y cantidad de tiempo apagadas 

diferentes ahorros energéticos

• Modelo simplificado para carga normalizada en red celular– Agregación de 2 Gaussianas, misma media, diferente desviación estándar 

(σ’=3σ)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (h)

Load

Combinación 

de Gaussianas

Límites de ahorro esquema simple ON‐OFF• Utilizando estos perfiles, se propone un mecanismo simple de gestión 

energética consistente en aplicar una estrategia de ON‐OFF BS basándose en  la carga actual

– Apagar (OFF) BS cuando la carga es tal que las BS restantes pueden servir las demandas de 

los usuarios

– Viabilidad relacionada con despliegue de BS realizado para tratar con picos de tráfico

– Aplicable en BS donde el factor limitante es la capacidad y no la potencia

– Esta estrategia considera un conjunto de BS definidas a priori como candidatas a colocarse 

en estado idle

basándose en curvas de carga y experiencia previa

• Para carga máxima L una zona necesita ser servida por N celdas– Si la carga cae (L - ∆L), celdas redundantes, sólo a∙N permanecen necesarias.

– Se define a = (1 - ∆L/L) como la carga normalizada o la fracción de BS activas restantes.

– Cuanto más decae la carga, mayor número de BS pueden apagarse e incrementar el ahorro. 

Límites de ahorro esquema simple ON‐OFF• Siendo  A=a ∙ N con

a<1 el número de BS que permanecen activas e                    

I = (1-a) ∙ N aquellas que pueden colocarse en modo idle. 

• Con esta suposición y considerando reparto equitativo de tráfico descargado  desde las BS inactivas, las restantes deben ocuparse de un tráfico:

• Obviamente, sólo si LA (t)<1 puede aplicarse el esquema de ahorro de  energía, dado que para valores mayores la carga por BS no podría gestionarse 

de forma apropiada.

• Precisamente cuando LA (t)=1 el esquema puede aplicarse de forma óptima.

1 1( ) ( ) ( ) ( )AaL t L t L t L t

a a

1( ) ( ) 1 ( )AL L a La

Carga restante 

normalizada por la 

fracción de  BS 

disponibles

Carga normal

Límites de ahorro esquema simple ON‐OFF• Las condiciones de carga crecen y decrecen durante el día, con lo que el 

tiempo durante el cual las BS pueden apagarse está

comprendido entre τE y τM , con L(τE ) = L(τM ) = a, τE < τM

• Es factible calcular el consumo de potencia en la red como función de ambas

• Lo que se traduce en un ahorro de:

( , ) ( ( )) ( ) ( )E M M E E M EP N T L N

( ( )) ( ) ( )( , )

( ) (1 ( )) 1

M E E M EE M

M E E

N T L NSN TL

T

Límites de ahorro esquema simple ON‐OFF• Las pruebas muestran que la cantidad de potencia ahorrada depende 

fuertemente del perfil de carga ofrecida a la red.

• Existe un momento óptimo de apagado del número apropiado de BS, 

• Mejor solución: menor número de BS idle, pero por mayor periodo de tiempo

 

0 1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time (h)

Savi

ngs

(%)

0),(),(

ME

ME

ddS

A mayor valor de L(τE

), 

superiores ahorros

Ahorros energéticos bajo limitaciones mundo real

Ahorros energéticos bajo limitaciones mundo real

• En despliegue real de red celular, su configuración limita el tipo de esquemas  a usar. 

• Geometría de una red de acceso y posicionamiento de estaciones permiten  únicamente unos pocos valores específicos de fracciones de celdas que 

permanecen activas durante la zona de baja carga.– Hexagonal: Esquemas 1/4, 1/7 con antenas omnidireccionales, 1/9 con tri‐

sectoriales

– Manhattan: Esquemas 1/2, 1/3 

BS

BS

BSBS

BSBS

BSBSBSBS

BS

Boresight

BS

Boresight

BSBSBSBS BSBS

Ahorros energéticos bajo limitaciones mundo real

• Aplicando estas limitaciones al modelo de carga presentado, se observan  ciertos ahorros:

• Diversas conclusiones a la vista de los resultados:– Con esquemas simples de gestión pueden lograrse ahorros significativos.

– Mayores ahorros no directamente relacionados con número de BS apagadas, sino con 

condiciones de carga en la red.

– Esquemas agresivos de gestión no siempre realizables: BS activas deben ser capaces de 

soportar todo el tráfico de la red.

Load condition model, L(t, sigma)

Savi

ngs

(%)

1/2 ON-OFF scheme 1/3 ON-OFF scheme 1/4 ON-OFF scheme 1/7 ON-OFF scheme

Ahorros energéticos bajo limitaciones mundo real

• Limitación mundo real adicional introducida,

condiciones reales de tráfico.

• Estudio similar, obteniendo ahorros en función del momento de apagado y la  reducción en consumo de potencia

– Esquemas más agresivos, no aplicables

– Reducción notable para casos factibles

– Atendiendo a tiempo BS apagada, ahorros

máximos con esquema 1/2

• Se infieren ahorros notables a través de la combinación de varios esquemas  de apagado, aplicándolos a lo largo del día, ON/OFF de forma progresiva.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (h)

21:0

0

23:0

0

01:0

0

03:0

0

05:0

0

07:0

0

09:0

0

11:0

0

13:0

0

15:0

0

17:0

0

19:0

0

21: 0

0

Load

0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

20

Savi

ngs

(%)

Switch off triggering time

21:0

0

22:0

0

23:0

0

00:0

0

01:0

0

02:0

0

03:0

0

04:0

0

05:0

0

06:0

0

0

3

6

9

12

15

18

21

24

Dis

conn

ectio

n tim

e (h

)

Disconnection time

Savings

1/2 ON-OFF scheme

1/3 ON-OFF scheme

1/4 ON-OFF scheme

Ahorros energéticos bajo limitaciones mundo real

• Restricción extra, celdas reales con tráfico no aproximado ni promediado.– Posibilidad de grandes variaciones instantáneas, uso ineficiente ON‐OFF

• Necesidad de acotar situaciones provechosas– Tiempo que tarda BS en cambiar de estado  se asumen 30 minutos para aplicación 

eficiente del algoritmo

– Valor esperado de la carga en la celda durante ese tiempo  Uso de predictores

• Predicción Lineal, parámetros:– Modelo: curva tomada como referencia para hacer predicciones. Obtención matriz de 

coeficientes.

– Orden: número de medidas tomadas como referencia del modelo para construir la matriz.

– Ventana: número de muestras a predecir a partir de los datos reales y el modelo.

P

kk knxanx

1

ˆ

1

1

132

1021

2

1

Nx

PxPx

a

aa

PNxNxNx

xnxnxxPxPx

P

xaX

Ahorros energéticos bajo limitaciones mundo real

• Utilizando modelos de ahorro combinados, se establecen umbrales relativos  a la capacidad de carga de la celda. 

– Si la curva de carga supera dichos umbrales, actúa el predictor, decidiendo si se aplica ON‐

OFF o no.

• Prueba de fiabilidad del proceso: curva de carga promediada real

con la  inclusión de variaciones en amplitud y ruido blanco aditivo.

Predicció

n errónea

Predicciones acertadas

Umbral 

25% (1/4)

Umbral 

11% (1/9)

¡ Precisión 89,42%!

• 106

simulaciones

• 9.101.495 predicciones 

8.138.433 Aciertos

963.062 Errores

Conclusiones

Conclusiones

• Esquema simple de gestión de red– Apagado de BSs aprovechando momentos de baja 

carga

– Configuración, a partir del perfil de tráfico, de  estaciones en modo idle

• Apagado completo, importante ahorro energético

• Incremento potencia para compensar ausencias en  cuanto a cobertura, insignificante

• Coordinación limitada a definición de cuándo y cuáles  BSs deben actuar 

Conclusiones

• Diferentes modelos de tráfico– Perfiles favorables, ahorros superiores 50%– Limitaciones mundo real, 20%

• Herramientas de predicción– Incremento en la complejidad

– Más elementos de evaluación

• Partiendo de suposiciones simples, posibilidad  de procedimientos más complejos

– Adaptación dinámica a condiciones de red

– Mejor conocimiento topología

Gracias por su atención