[論文レビュー] Green Cellular Networks: A Survey, Some Research Issues and Challenges

Ziaul Hasan, Hamidreza Boostanimehr+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2011

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 45被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、アーキテクチャの見直し、異種環境の展開、認知無線や協調リレーリングといった先進技術を活用した、無線通信網におけるエネルギー効率化を実現する包括的なフレームワークを提案する。主なエネルギー節約技術として、エネルギーに配慮した基地局、動的スペクトラム管理、再生可能エネルギーの統合を特定し、異種環境では最大60%、高度なパワー増幅器を用いることで最大70%のエネルギー削減を実証した。

ABSTRACT

Energy efficiency in cellular networks is a growing concern for cellular operators to not only maintain profitability, but also to reduce the overall environment effects. This emerging trend of achieving energy efficiency in cellular networks is motivating the standardization authorities and network operators to continuously explore future technologies in order to bring improvements in the entire network infrastructure. In this article, we present a brief survey of methods to improve the power efficiency of cellular networks, explore some research issues and challenges and suggest some techniques to enable an energy efficient or "green" cellular network. Since base stations consume a maximum portion of the total energy used in a cellular system, we will first provide a comprehensive survey on techniques to obtain energy savings in base stations. Next, we discuss how heterogeneous network deployment based on micro, pico and femto-cells can be used to achieve this goal. Since cognitive radio and cooperative relaying are undisputed future technologies in this regard, we propose a research vision to make these technologies more energy efficient. Lastly, we explore some broader perspectives in realizing a "green" cellular network technology

研究の動機と目的

• 現在、世界の二酸化炭素排出量の2%を占めている無線通信網のエネルギーコストと二酸化炭素排出量の増加に対処すること。
• ディーゼル発電機を用いるオフグリッドサイトではコストが10倍に増加するため、ネットワーク運用事業者の運用費（OPEX）を削減すること。
• 持続可能なモバイル通信を支援するため、すべてのネットワーク層およびシステムアーキテクチャにおいてエネルギー効率化を推進すること。
• グリーンラジオ分野における主な研究課題、特にエネルギーに配慮したMAC、ルーティング、クロスレイヤー最適化を特定し、それらに対処すること。
• 埋め込みエネルギー、スマートグリッド、統計的電力プロファイルといった広範な視点をグリーンネットワーク設計に統合すること。

提案手法

• エネルギー効率指標と標準化の取り組みを調査し、エネルギー効率、スケーラビリティ、帯域幅、遅延の間のトレードオフを強調する。
• 基地局（BS）の電力消費を分析し、Doherty構造、GaNベースの増幅器、スイッチモード設計を用いたパワー増幅器の改善に注目する。
• ネットワーク自己最適化技術とスリープモードを提案し、基地局の電力消費を20–40%削減可能であることを示す。
• トラフィック負荷に応じて適応可能な「セルズーミング」と動的BSオン/オフ戦略を導入し、エネルギー消費を低減する。
• マイクロ、ピコ、フェムトセルを用いた異種環境ネットワーク展開を評価し、マクロセルのみのネットワークに比べ最大60%のエネルギー削減を達成した。
• オフグリッド基地局に再生可能エネルギー源（太陽光、風力）を統合することで、ディーゼル依存度を低下させ、排出量を削減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線通信網の各レイヤーおよびアーキテクチャにおいて、エネルギー効率をどのように定量化・標準化できるか。
• RQ2 特にパワー増幅器とスリープモード最適化を通じて、基地局の電力消費を削減する最も効果的な技術は何か。
• RQ3 マイクロ、ピコ、フェムトセルを用いた異種環境ネットワーク展開は、全体のネットワークエネルギー効率にどのように影響するか。また、埋め込みエネルギーとのトレードオフは何か。
• RQ4 認知無線および協調リレーリング技術を実世界の無線通信展開でエネルギー効率的に運用する上で、残された課題は何か。
• RQ5 埋め込みエネルギー、スマートグリッド、統計的電力プロファイルといった広範な要因は、グリーン無線通信網の持続可能性にどのように影響を与えるか。

主な発見

• Doherty構造およびGaNベースの増幅器を用いたパワー増幅器の改善により、エネルギー消費を最大50%削減可能であり、スイッチモード増幅器では最大70%の節約が可能である。
• ネットワーク自己最適化技術とスリープモードにより、基地局の電力消費を20–40%削減できる。
• マイクロ、ピコ、フェムトセルを用いた異種環境ネットワーク展開により、マクロセルのみのネットワークに比べ最大60%のエネルギー削減が達成できる。
• 動的スペクトラム管理技術を用いることで、エネルギー消費を最大50%削減できる。
• オフグリッド基地局に再生可能エネルギーを統合することで、世界のディーゼル消費量を最大0.35%削減できる。
• 小セルの過剰な展開は埋め込みエネルギーを増加させ、結果として総合的なエネルギー消費を増加させる可能性があるため、最適なネットワーク設計の必要性が示された。