University of Oulu

Algorithms for efficient and energy-aware network resource management in autonomous communications systems

Saved in:
Author: Mämmelä, Olli1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Communications Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526216089
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2017
Publish Date: 2017-11-14
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (YB210), Linnanmaa, on 24 November 2017, at 12 noon
Tutor: Professor Marcos Katz
Doctor Petteri Mannersalo
Reviewer: Associate Professor Esa Hyytiä
Doctor Marinos Charalambides
Opponent: Docent Pasi Lassila
Description:

Abstract

According to industry estimates, monthly global mobile data traffic will surpass 30.6 exabytes by 2020 and global mobile data traffic will increase nearly eightfold between 2015 and 2020. Most of the mobile data traffic is generated by smartphones, and the total number of smartphones is expected to continue growing by 2020, which results in rapid traffic growth. In addition, the upcoming 5G networks and Internet of Things based communication are estimated to involve a large amount of network traffic. The increase in mobile data traffic and in the number of connected devices poses a challenge to network operators, service providers, and data center operators. If the transmission capacity of the network and the amount of data traffic are not in line with each other, congestion may occur and ultimately the quality of experience degrades. Mobile networks are also becoming more reliant on data centers that provide efficient computing power. However, the energy consumption of data centers has grown in recent years, which is a problem for data center operators.

A traditional strategy to overcome these problems is to scale up the resources or by providing more efficient hardware. Resource over-provisioning increases operating and capital expenditures without a guarantee of increased average revenue per user. In addition, the growing complexity and dynamics of communication systems is a challenge for efficient resource management. Intelligent and resilient methods that can efficiently use existing resources by making autonomous decisions without intervention from human administrators are thus needed.

The goal of this research is to implement, develop, model, and test algorithms that can enable efficient and energy-aware network resource management in autonomous communications systems. First, an energy-aware algorithm is introduced for high-performance computing data centers to reduce the energy consumption within a single data center and across a federation of data centers. For network access selection in heterogeneous wireless networks, two algorithms are proposed, a client side algorithm that tries to optimize users' quality of experience and a network side algorithm that focuses on optimizing the global resource usage of the network. Finally, for a video service, an algorithm is presented that can enhance the video content delivery in a controllable and resource-efficient way without major changes in the mobile network infrastructure.

see all

Tiivistelmä

Langattoman tietoliikenteen nopean kasvun ennustetaan jatkuvan edelleen lähivuosinakin ja alan teollisuuden arvioiden mukaan matkapuhelinliikenteen määrä ylittäisi globaalisti 30,6 eksatavua vuoteen 2020 mennessä. Tämä tarkoittaisi liikennemäärän kahdeksankertaistumista ajanjaksolla 2015–2020. Älypuhelimet tuottavat suurimman osan matkapuhelinliikenteestä, ja älypuhelimien lukumäärän arvioidaan jatkavan kasvuaan vuoteen 2020 saakka, mikä johtaa nopeaan liikenteen kasvuun. Tämän lisäksi arvioidaan, että 5G verkot ja esineiden Internet tuottavat suuren määrän verkkoliikennettä. Matkapuhelinliikenteen ja laitteiden määrän kasvu tuo haasteita verkko-operaattoreille, palvelun tarjoajille, ja datakeskusoperaattoreille. Mikäli verkossa ei ole tarpeeksi siirtokapasiteettia dataliikenteen määrää varten, verkko ruuhkautuu ja lopulta palvelukokemus kärsii. Matkapuhelinverkot tulevat myös tulevaisuudessa tarvitsemaan datakeskusten laskentakapasiteettia. Datakeskusten energiankulutus on kuitenkin kasvanut viime vuosina, mikä on ongelma datakeskusoperaattoreille.

Perinteinen strategia ongelmien ratkaisemiseksi on lisätä resurssien määrää tai tarjota tehokkaampaa laitteistoa. Resurssien liiallinen lisääminen kasvattaa kuitenkin sekä käyttö- että pääomakustannuksia ilman takuuta siitä, että keskimääräinen myyntitulo per käyttäjä kasvaisi. Tämän lisäksi tietoliikennejärjestelmät ovat monimutkaisia ja dynaamisia järjestelmiä, minkä vuoksi tehokas resurssienhallinta on haastavaa. Tämän vuoksi tarvitaan älykkäitä ja kestäviä metodeja, jotka pystyvät käyttämään olemassa olevia resursseja tehokkaasti tekemällä autonomisia päätöksiä ilman ylläpitäjän väliintuloa.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on toteuttaa, kehittää, mallintaa, ja testata algoritmeja, jotka mahdollistavat tehokkaan ja energiatietoisen verkkoresurssien hallinnan autonomisissa tietoliikennejärjestelmissä. Tutkimus esittää aluksi supertietokonedatakeskuksiin energiatietoisen algoritmin, jonka avulla voidaan vähentää energiankulutusta yhden datakeskuksen sisällä sekä usean eri datakeskuksen välillä. Verkkoyhteyden valintaan heterogeenisissä langattomissa verkoissa esitetään kaksi algoritmia. Ensimmäinen on käyttäjäkohtainen algoritmi, joka pyrkii optimoimaan yksittäisen käyttäjän palvelukokemusta. Toinen on verkon puolen algoritmi, joka keskittyy optimoimaan verkon kokonaisresurssien käyttöä. Lopuksi esitetään videopalvelulle algoritmi, joka parantaa videosisällön jakoa kontrolloidusti ja resurssitehokkaasti ilman että matkapuhelinverkon infrastruktuurille tarvitaan muutoksia.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1608-9
ISBN Print: 978-952-62-1607-2
Issue: 620
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2017. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.