Évaluation de l'efficacité énergétique dans les réseaux cellulaires mobiles à l'aide de la modélisation fluide

Evaluation of energy efficiency in mobile cellular networks using a fluid modeling framework

• Auteur / Autrice : Yanqiao Hou
• Direction : Véronique Vèque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Hind Castel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marceau Coupechoux, Tadeusz Czachórski, André-Luc Beylot, Joanna Tomasik
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marceau Coupechoux, Tadeusz Czachórski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Qualité de Service (télécommunications)

Radiocommunications mobiles

Économies d'énergie

Mots clés libres

Efficacité énergétique

Réseaux mobiles

JT-CoMP

Évaluation des performances

Modélisation fluide

Energy efficiency

Mobile networks

JT-CoMP

Performance evaluation

Fluid modeling

Résumé

La conception des systèmes de communication dits 5G cible une efficacité énergétique ambitieuse, au moins 1000 fois supérieure à celle du système 4G actuellement disponible, tout en offrant un débit de transmission de données supérieur et un temps de latence très faible. Il est donc nécessaire de développer des modèles représentatifs et précis des grands réseaux cellulaires afin d’évaluer leur performance et d’identifier les principaux facteurs impliqués dans la consommation d'énergie comme l’atténuation de signal, le type et la qualité de la couverture cellulaire radio. Nous avons utilisé la modélisation fluide spatiale pour développer des modèles représentatifs et calculables afin de calculer la métrique d'efficacité énergétique. Notre modèle considère un réseau composé de plusieurs cellules opérant en OFDMA sur les liens descendants, et de multiples équipements utilisateurs répartis aléatoirement. Une expression analytique de l'efficacité énergétique a été dérivée pour prendre en compte les principaux facteurs liés à la communication : coefficient d’atténuation de signal, probabilité de couverture, type du réseau. Des simulations numériques ont permis de comparer les résultats avec ceux obtenus par les simulations Monte Carlo et ainsi, montrer l'efficacité et la précision de la modélisation fluide pour de grands réseaux cellulaires. Les résultats numériques montrent que l'efficacité énergétique est indépendante de la densité des équipements utilisateurs. Par ailleurs, l'efficacité énergétique est plus importante dans les environnements suburbains que dans les milieux urbains où l'effet de shadowing est grand et ce, quel que soit le type de réseaux (macro, micro ou femto). Cependant, et d’une façon plus générale, le déploiement de petits réseaux (small cells) offre une meilleure efficacité énergétique comparée au réseau macro classique. En outre, nous avons évalué l'effet de la technique de transmission conjointe multipoint (JT-CoMP) sur l'efficacité énergétique, qui est considérablement améliorée lorsque le nombre de stations de base coordonnées augmente. En revanche, la coordination entre les stations de base n’est efficace que pour les équipements utilisateurs éloignés de leur station de base. En résumé, nos résultats numériques mettent en évidence l'efficacité et la précision de la modélisation fluide qui peut être considérée comme un outil mathématique par les opérateurs pour évaluer l'efficacité énergétique des réseaux cellulaires.

The design target of energy efficiency for 5G networks is at least 1000-fold than the currently available 4G system, while offering higher data transmission rate and very low latency. To evaluate the performance of large representative cellular networks and capture the main factors involved in the energy consumption process, representative and accurate models must be developed. To develop tractable and efficient models, we use the spatial fluid modeling framework and compute the energy efficiency metric. Our model consists of a downlink transmission of an OFDMA cellular network, composed of several base stations and multiple user equipments randomly distributed over the area. An analytical expression of energy efficiency is then derived to study the impact of the major factors involved in the energy consumption process such as fading and shadowing attenuation, cellular coverage type and quality. Extensive numerical simulations were run to compare the results obtained by Monte Carlo simulations and demonstrate the effectiveness and accuracy of the fluid modeling for large cellular networks. The numerical results indicate that user density does not affect energy efficiency. Besides, energy efficiency is more important in suburban environments than in urban environments where the shadowing effect is great, regardless of the cellular coverage type. However, and more generally, micro-cellular networks’deployment offers better energy efficiency than the conventional macro-cellular ones. Besides, we evaluated the effect of the promising Joint Transmission Coordinated MultiPoint (JT-CoMP) technique on energy efficiency, which is significantly improved as the number of coordinated BSs increases. On the other hand, coordination between base stations is only effective for user equipment that is remote from their base station. To resume, our numerical results illustrate the effectiveness and accuracy of fluid modeling, which can be considered a mathematical tool by operators to benchmark cellular networks’energy efficiency.