[논문 리뷰] Key technologies to accelerate the ICT Green evolution -- An operator's point of view

Azeddine Gati, Fatma Ezzahra Salem외 18명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 22.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 24인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 인프라, 소프트웨어 설계, 수학적 최적화 분야의 핵심 기술을 통해 ICT의 녹색 전환을 가속화하는 통신사업자 시각을 제시한다. 에너지 효율적인 아키텍처, 동적 자원 오케스트레이션, 다중 목표 최적화를 제안하여 액세스 네트워크에서 에너지 소비를 최대 70%까지 감소시키며, 녹색 오케스트레이션을 핵심 추진력으로 삼아 에너지, 지연, 수익과 같은 상충되는 KPI를 균형 잡는 데 기여한다.

ABSTRACT

The exponential growth in networks' traffic accompanied by the multiplication of new services like those promised by the 5G led to a huge increase in the infrastructures' energy consumption. All over the world, many telecom operators are facing the problem of energy consumption and Green networking since many years and they all convey today that it turned from sustainable development initiative to an OPEX issue. Therefore, the challenge to make the ICT sector more energy-efficient and environment-friendly has become a fundamental objective not only to green networks but also in the domain of green services that enable the ICT sectors to help other industrial sector to clean their own energy consumption. The present paper is a point of view of a European telecom operator regarding green networking. We address some technological advancements that would enable to accelerate this ICT green evolution after more than 15 years of field experience and international collaborative research projects. Basically, the paper is a global survey of the evolution of the ICT industry in green networks including optical and wireless networks and from hardware improvement to the software era as well as the green orchestration.

연구 동기 및 목표

• 5G 확산과 증가하는 데이터 트래픽로 인한 ICT 네트워크의 에너지 소비 증가를 다루며, 이는 핵심적인 OPEX 및 지속 가능성 과제가 되고 있음.
• 광학, 무선, 데이터센터 인프라 전반에서 녹색 네트워크 전환을 가속화할 수 있는 핵심 기술적 요인을 규명하고 평가함.
• 하드웨어 효율성, 소프트웨어 최적화, 수학적 모델링을 통합한 통합 프레임워크를 제안하여 실시간 에너지 인식 네트워크 제어 및 오케스트레이션을 가능하게 함.
• 지능형 녹색 오케스트레이션을 통해 통신사업자가 에너지 효율성, 서비스 품질, 지연, 비즈니스 수익과 같은 상충되는 KPI를 균형 잡을 수 있도록 지원함.
• 지속 가능성을 핵심 네트워크 설계 및 공학 교육에 통합함으로써 녹색 ICT를 전략적 차별화 요소로 위치함.

제안 방법

• 기존의 중심국사(central offices)에서 Next-Generation Central Offices (NGCO)/NGPoP의 제한된 수의 집중화된 구조로의 전환을 제안하여, 특히 콘텐츠 배포 네트워크(CDN)의 에너지 사용을 최적화함.
• 가상 머신(VM) 통합 및 슬립 모드 활성화를 구현하여 데이터센터의 에너지 소비를 감소시키며, 유휴 자원 활용도를 극대화함.
• 다중 목표 최적화 및 확률적 메타모델을 활용한 녹색 오케스트레이션 브레인 개발을 통해 에너지, 지연, 서비스 품질 간의 트레이드오프를 관리함.
• 게임 이론 기반의 플레이어-지불 모델을 도입하여 오버더탑(OTT) 서비스 간에 종단 간 에너지 소비를 공정하게 할당함. 이는 네트워크 에너지 사용의 최대 80%를 차지할 수 있음.
• 신호 전달 및 데이터 전달 평면을 분리함으로써 네트워크 아키텍처를 단순화하고, 공유 가능한 에너지 효율적인 신호 네트워크를 가능하게 함.
• 데이터 마이닝 및 수학적 도구를 활용하여 인기와 위치 기반의 콘텐츠 배치를 최적화함으로써 에너지 소비를 최소화하면서도 지연 요구사항을 충족함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 아키텍처 및 기술 혁신을 통해 전체 ICT 네트워크 에너지 소비의 약 70%를 차지하는 액세스 네트워크의 에너지 소비를 줄일 수 있는가?
• RQ2 녹색 오케스트레이션은 동적 네트워크 환경에서 에너지 효율성, 서비스 품질, 비즈니스 수익과 같은 상충되는 KPI를 균형 잡는 데 어떤 역할을 할 수 있는가?
• RQ3 게임 이론과 다중 목표 최적화는 OTT 서비스 및 네트워크 사업자 간의 에너지 소비 비용을 공정하게 할당하는 데 어떻게 적용될 수 있는가?
• RQ4 소프트웨어 생태설계와 동적 VM 관리 방식은 성능이나 신뢰성에 손상 없이 데이터센터의 에너지 소비를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ5 콘텐츠 배치 전략의 영향은 종단 간 에너지 효율성에 미치며, 데이터 기반 및 수학적 모델링 기법을 통해 어떻게 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 액세스 네트워크 분야가 전체 ICT 네트워크 에너지 소비의 약 70%를 차지하며, 에너지 절감 노력의 주요 대상이 됨.
• 액세스 네트워크의 에너지 소비는 로드에 관계없이 거의 일정한 전력 소모를 보이는 엣지 장비(예: 광선로탈리널(OLT))에 의해 주로 결정됨.
• 트랜스포트 네트워크는 트래픽 증가에도 불구하고 안정적인 에너지 소비를 보이며, 이는 액세스 및 코어 네트워크 대비 상대적인 에너지 절감 효과가 낮음을 시사함.
• 다중 목표 최적화를 활용한 녹색 오케스트레이션은 에너지 효율성과 서비스 품질, 지연 간 균형을 이루는 실시간 비공격적 네트워크 구성 제어를 가능하게 함.
• 수학적 모델링, 특히 확률적 메타모델은 에너지 소비 데이터의 불확실성을 관리하고 에너지 반응 예측 정확도를 향상시킴.
• 게임 이론 기반 모델을 통한 OTT 서비스 간 공정한 에너지 비용 할당은 전체 네트워크 에너지 사용의 최대 80%를 차지할 수 있으며, 투명하고 공정한 공유 메커니즘을 가능하게 함.