In this thesis, we analyze short-time scale BS (Base Station) power saving controlling transmission power and scheduling users of each BS on multi-cell cellular networks. Although the transmission power of a typical macro BS is lower (10W-20W) than total BS power consumption (500W-2000W), the transmission power also exerts influence linearly on the power consumption of power amplifiers and cooling systems and battery backup and power supply loss in the BS. Even with a transmission power reduction, users can expect high performance when they are in the interference-limited region and appropriate power control and user scheduling algorithms are adopted. Through simple simulations under EQ (equal power allocation) and IM (interference management) cases, we verify that more than 76% throughput can be obtained for edge and center users only with a 1/5 of transmission power. Furthermore, we propose four BS power sharing policies which are novel greening policies exploiting temporal and spatial degree of freedom with fixed fairness criterion (proportional fair) and present power allocation and user scheduling algorithms to meet asymptotically near optimal solutions of given framework. Through extensive simulation, we verify that the impact of proposed power sharing policies on BS power saving. Besides, we show more outstanding greening performance of IM and spatio-temporal power sharing with network-level average power constraint than IM and no spatio-temporal power sharing through the simulations under the part of the Manchester city, UK (United Kingdom) irregular BS deployment and power consumption scenarios. Furthermore, we verify greening performance of our frameworks on the small cell (such as micro and femto cell) which is an inevitable trend in the next generation cellular network to maximally exploit the spectral resources. A promising conclusion in drawn that higher GAT and greening efficiency are achieved with smaller cell sizes when applying IM and spatio-temporal power sharing with network-level average power constraint than EQ with no spatio-temporal power sharing. We also conclude that the lower fairness criterion is adopted (sum rate maximization), the higher greening performance can be achieved. Finally, we analyze economic point of view of proposed four power sharing policies and EQ which show that wireless operators are willing to reduce their transmission power to maximize their surplus.
최근 네트워크 Greening에 대한 관심이 높아지면서, 네트워크 성능을 어느정도 유지하면서 전력소모를 최소화하는 연구들이 많이 진행되어 왔다. 정보통신 산업 중, 셀룰러 네트워크가 소모하는 전력의 비중은 25%정도이고 그 중 ,기지국에서 소모하는 전력은 60%에서 80%정도로 상당히 높은 것을 확인할 수 있다. 셀룰러 네트워크 에서 기지국의 전력소모를 최소화하기 위한 연구는 시간 규모로 크게 세 가지 단계로 나누어 볼 수 있다. 첫째, 가장 긴 시간 규모 (반 영구적)로서 기지국을 새롭게 설치하는 입장에서 설치 장소를 기지국의 전력소모를 최소화하는 방향으로 결정하는 연구가 있다. 둘째, 하루에서 일주일 정도의 시간 규모로서 셀룰러 네트워크 사용자의 트래픽 용량에 따라 각각의 기지국을 켜고 끄는 것을 최적화하는 방향의 연구가 있다. 마지막으로, 가장 짧은 시간규모 (수초단위)로서 기지국의 전송전력을 최적으로 제어하는 연구가 있다. 본 학위논문에서는 가장 짧은 시간 규모의 기지국 전력 절약 기법에 대한 연구를 다룬다.
현재 한 대의 기지국에서 소모하는 전송전력은 대략 20W정도로 기지국에서 소모하는 전체 전력인 500W에서 2000W에 비해 상당히 낮다고 볼 수 있다. 하지만, 전송전력은 기지국의 전력증폭기, 냉각기등이 전송전력에 비례하기 때문에 10W정도의 전송전력을 낮추는 것으로 230W정도의 전체 전력을 낮추는 효과를 볼 수 있다. 다중 셀 셀룰러 네트워크를 고려한다면, 기지국의 전송전력을 20W에서 10W로 줄이더라도 간섭 제한 영역으로 전송전력을 관리하고, 간섭회피를 할 수 있도록 전력관리와 사용자선택을 최적으로 한다면, 전체 성능을 어느정도 유지할 수있다.
본 학위논문에서는 첫째, 동일한 파워를 사용하는 경우와 간섭회피를 고려한 전력관리를 하는 경 우에 대해서 전력을 상당히 줄였을 때, 셀 내의 사용자들의 성능을 비교 분석한다. 둘째, 간섭회피를 고려하여 전력관리를 하면서 네트워크 전체 기지국의 전송전력을 시간적으로, 혹은 공간적으로 공유하여 관리하는 방식을 제안하고, 이 방식의 최적화 문제를 세워서 전력관리와 사용자 선택 알고리즘을 제시한다. 셋째, 다양한 환경에서 제안한 방식의 성능과 기지국의 전력소모량을 비교,분석한다. 특히, 잉글랜드 맨체스터 도시의 실제 기지국 위치정보와 전송전력정보를 환경으로 시뮬레이션함으로써 실제 셀룰러네트워크 환경에서 본 학위논문에서 제안한 알고리즘을 적용했을때, 기존 방식에 비해 실제적으로 어느 정도의 전력을 절감할 수 있는지를 보여주었다. 넷째, 미래에 네트워크 용량증대가 피할 수 없는 현상이라고 보았을때, 현재의 매크로 기지국을 사용하여 넓은 지역을 커버하는 것에 대비하여 같은 지역을 마이크로 기지국 여러대로 커버한다면, 같은 전력을 사용하더라도 더 높은 성능을 보이는 것을 보여주었고, 제안한 시공간적 전송 공유기법과 긴섭화피를 사용한다면, 훨씬 더 높은 성능을 낼 수 있음을 확인하였다. 다섯째, 사용자 간 Fairness 기준을 다르게 적용했을 경우에 Greening 영향을 살펴보았다. 마지막으로, 셀룰러 네트워크에서의 짧은 시간 규모 기지국 Greening이 셀룰러 네트워크 사업자들에게 어느정도의 수익을 보여줄 수 있는지를 경제 모델을 세우고 결과를 비교, 분석하였다.
