Due to global warming, the reduction of energy consumption has become a significantly important issue. According to the international energy agency (IEA), the amount of global $CO_2$ emissions showed the highest increase by 1.0 Gt (3.2% of total 31.6 Gt) recorded in 2011. Unless we keep the annual $CO_2$ emissions lower than 44 Gt until year 2020, the Earth will encounter extensive ecosystem failures. Hence, the energy saving efforts are required in all the industrial and commercial fields including information communication technologies (ICTs). Within the ICT, wireless base stations (BSs) are known to consume approximately 80% of the total energy used in wireless networks.
Moreover, wide penetration of smartphones has drastically increased wireless data traffic. According to Cisco, the compound annual growth rate (CAGR) of the global wireless data traffic is forecasted to be 78%. Particularly, in the United States, wireless data traffic increased 123% from 2010 to 2011 (CTIA). Within five years, wireless data traffic is expected to be approximately 18 times higher than the present traffic. Thus, service providers should increase network capacity by more than 80% each year to resolve such a tremendous traffic growth. Among the solutions for this traffic increment such as installing new bases stations or upgrading the cellular network into a next-generation network, WiFi offloading has been spotlighted with its cheap capital and operation expenditure (CAPEX/ OPEX). With WiFi offloading, users offload the cellular networks using overlapped WiFi networks.
In this dissertation, we focus on the research of energy-efficient BS architectures. First, we propose a practical BS power consumption model and compare the performance of various BS architectures in terms of throughput and energy efficiency. We consider a BS power consumption model with more realistic environments such as walls, temperature, the number of antennas, and behavior of IT components. Moreover, we model various BS architectures such as the conventional macro-cell based BS architecture, a micro-cell based BS architecture, and a distributed remote radio head (RRH)-based BS architecture. Through numerical results, we investigate the effect of the number of transmitters in an area and the active user density on the entire BS power consumption and energy efficiency.
In addition, we focus on the research of an energy-efficient multi-mode integrated BS architecture. In a heterogeneous network which consists of multiple wireless networks (such as cellular and IEEE 802.11-based WiFi networks), mobile terminals with multiple wireless module can simultaneously utilize different networks. Consequently, from the current multi-mode environment, a multi-mode integrated BS architecture can enhance the network performance. In this dissertation, we propose both centralized and decentralized WiFi-offloading models for maximizing throughput in a heterogeneous network. Through numerical results, a user and the heterogeneous network with the proposed models achieve 20% higher throughput than the conventional on-the-spot WiFi-offloading model in a dense traffic environment.
지구 온난화 현상으로 인하여, 에너지 소모량 절감은 매우 중요한 이슈가 되었다. 국제 에너지 기구 (IEA)에 의하면, 2011년 지구의 이산화탄소 배출량은 1 Gt 으로, 그 증가량의 최고치를 갱신했다. 이러한 추세를 유지한 상태로 2020년까지 44Gt 이상의 이산화탄소가 배출된다면, 지구의 생태계는 심각한 위기를 맞게 될 것이다. 그러므로, 에너지 효율 향상은 모든 공업 및 상업 분야에서 중요한 화두가 되었고 정보통신 분야도 마찬가지이다. 정보통신 분야 중 무선 통신에서는 기지국이 전체 에너지의 약 80프로 정도의 에너지를 소모한다고 알려져 있다.
게다가, 스마트폰이 되중화 되면서 무선 데이터 트래픽량이 급증하고 있다. Cisco에 의하면, 무선 데이터 트래픽의 연간 증가량은 78퍼센트로 예측되고 있다. CTIA에 의하면, 실제로 미국 내에서만 2010년에서 2011년 사이 123퍼센트의 무선 트래픽량 급증이 있었다고 한다. 이러한 추세라면 5년 이내에 무선 데이터 트래픽량은 현재의 18배가 될 것이다. 그러므로, 이러한 무선 데이터 트래픽량의 증대를 수용하기 위하여 사업자들은 매해 약 80퍼센트의 망 수용 용량을 증대시켜야 한다. 이러한 망 용량 증대의
해결책들 중에서도 무선랜 망을 이용한 오프로딩은 그 설치/유지 비용이 매우 저렴하기 때문에 기대되는 해결책 중 하나로 각광 받고 있다.
본 학위 논문에서 우리는 에너지 효율적인 이종망 구조에 대하여 연구하도록 한다. 먼저 우리는 기지국의 에너지 효율을 분석하고 기존의 기지국 구조들의 에너지 효율을 비교한다. 그 뒤 셀룰러와 무선랜 망이 공존하는 환경의 에너지 효율을 분석하고, 이를 효율적으로 향상시킬 수 있는 새로운 기지국 구조를 제안한다. 이에 추가하여 우리는 이러한 환경에서 성능을 향상시킬 수 있는 무선랜 망을 이용한 오프로딩을 제안한다. 실험에 의하면 제안한 무선랜 망을 이용한 오프로딩 기법은 기존 기법들에 비하여 20프로 이상의 수율 및 에너지 효율 향상을 보장할 수 있었다.
