Holistic energy efficiency optimization in cellular networks
- Reference number
- ICA14-0059
- Start and end dates
- 150901-190831
- Amount granted
- 4 000 000 SEK
- Administrative organization
- Linköping University
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
This project will assess, analyze, and mathematically optimize the energy efficiency (EE) of wireless networks. This is motivated by the wireless data traffic which is expected to grow by 1000x over the next 15 years. This raises concerns on the long-term sustainability and if the wireless infrastructure can be redesigned to accommodate more traffic without increasing the total power consumption. The work plan consists of four tasks. 1) Develop new mathematical models and holistic EE metrics, which describe the achievable data throughput (compensated for overhead) and all the power that is consumed to achieve it (e.g., radiated power, circuit dissipation, digital processing, backhaul consumption). 2) Utilize the new models to derive fundamental limits on how high the optimized EE can realistically become. 3) Optimize the network to maintain high EE under varying data traffic (from day to night) by dynamically switching off hardware (e.g., antennas) when not needed. 4) Find the hardware precision that maximizes the EE, by using recent models of how the signal distortion and power dissipation in circuits are interconnected. The expected result is a new holistic framework for assessing the end-to-end EE, including upper EE limits that explain how much the data traffic can grow without increasing the power consumption. Qualitative insights and concrete examples will be given on how to design and dynamically reconfigure wireless network with high EE as goal.
Popular science description
Trådlös kommunikation är en av vår tids största tekniska framgångssagor. Enligt undersökningen ”Svenskarna och internet 2013” (Stiftelsen för Internetinfrastruktur) har 99 % av alla svenskar i åldern 12-45 år en mobiltelefon, varav nästan alla är smarta mobiler. Ju mer vi använder våra mobiler, surfplattor och datorer desto högre blir våra förväntningar på att ständigt vara trådlöst uppkopplade mot Internet. Faktum är att mängden trådlös datatrafik ökar explosionsartat med hela 60 % per år. Om denna trend håller i sig så kommer 1000 gånger mer data att kommuniceras trådlöst om bara 15 år. För att hänga med i den snabba utvecklingen måste teleoperatörerna ständigt installera ny utrustning och använda nya tekniker som utvecklats av kommunikationsforskare. Priset för att upprätthålla den explosionsartade ökningen av datatrafik är att mer och mer energi används till att sända ut denna trådlösa informationen och att driva den bakomliggande infrastrukturen. Informations- och kommunikationsteknikens globala energiförbrukning har redan passerat den globala flygindustrins förbrukning. Mobilnäten motsvarar en liten men ständigt ökande del av denna energiförbrukningskaka. Denna situation är inte långsiktigt hållbar, eftersom mänskligheten redan förbrukar resurser snabbare än vad Jorden kan återskapa dem. Målet med detta forskningsprojekt är att undersöka på vilka sätt som framtidens trådlösa nätverk och mobilnät kan utvecklas för att bli drastiskt mer energieffektiva. Detta kommer att analyseras med matematiska modeller för hur mängden trådlös dataöverföring beror på energin som förbrukas. Nya modeller kommer utveckas inom projektet för att ge en komplett (holistisk) bild över nätverkens energiförbrukning. Matematiska optimeringsverktyg kommer användas för att identifiera nya intuitiva sätt att designa energieffektiva nätverk och tekniker för att genomföra den trådlösa dataöverföringen på ett effektivare sätt.