The unprecedented rise of mobile user demand over the years have led to an enormous growth of the energy consumption of wireless networks as well as the greenhouse gas emissions which are estimated currently to be around 70 million tons per year. This significant growth of energy consumption impels network companies to pay huge bills which represent around half of their operating expenditures. Therefore, many service providers, including mobile operators, are looking for new and modern green solutions to help reduce their expenses as well as the level of their CO2 emissions. Base stations are the most power greedy element in cellular networks: they drain around 80% of the total network energy consumption even during low traffic periods. Thus, there is a growing need to develop more energy-efficient techniques to enhance the green performance of future 4G/5G cellular networks. Due to the problem of traffic load fluctuations in cellular networks during different periods of the day and between different areas (shopping or business districts and residential areas), the base station sleeping strategy has been one of the main popular research topics in green communications. In this presentation, we present several practical green techniques that provide significant gains for mobile operators. Indeed, combined with the base station sleeping strategy, these techniques achieve not only a minimization of the fossil fuel consumption but also an enhancement of mobile operator profits. We start with an optimized cell planning method that considers varying spatial and temporal user densities. We then use the optimal transport theory in order to define the cell boundaries such that the network total transmit power is reduced. Afterwards, we exploit the features of the modern electrical grid, the smart grid, as a new tool of power management for cellular networks and we optimize the energy procurement from multiple energy retailers characterized by different prices and pollutant levels in order to achieve green goals. Finally, we introduce the notion of green mobile operator collaboration as a new aspect of the green networking where competitive cellular companies might cooperate together in order to achieve green goals.

D’après Cisco, le trafic mobile de données augmentera d’un facteur 7 entre 2016 et 2021. Pour faire face à l’augmentation du trafic, les opérateurs mobile dimensionnent le réseau, ce qui s’accompagne d’une augmentation de sa consommation d’énergie et de son empreinte Carbonne. En outre, les marges financières des opérateurs baissent. Ainsi, le revenu global généré par le secteur des télécommunications a connu une baisse de 4% entre 2014 et 2015 d’après l’union internationale des télécommunications (UIT). Ces préoccupations ont suscité l’intérêt de la communauté scientifique pour la réduction de la consommation électrique des réseaux. Des études dans la littérature estiment l’énergie consommée par les services sur les équipements réseaux en se focalisant sur la consommation variable. La consommation énergétique d’un équipement réseau est composée d’une composante fixe et d’une composante variable. Dans cette thèse, nous partageons la responsabilité des catégories de service dans la consommation fixe du réseau en utilisant la valeur de Shapley. Dans un premier temps, nous considérons un réseau d’accès mobile et partageons la responsabilité des catégories de service qu’il fournit dans la consommation fixe. Nous définissons 5 catégories de service, à savoir, le «Streaming», le Web, le téléchargement, la voix et les autres services de données. En outre, nous traitons le cas de figure où certaines catégories de service sont obligatoires. Etant donné la complexité algorithmique de la valeur de Shapley, nous en proposons une forme approchée qui permet d’en réduire considérablement le temps de calcul. Ensuite, nous considérons le réseau de bout-en-bout, c’est-à-dire, l’accès mobile, l’accès fixe, la collecte, le coeur IP, le coeur mobile, les registres et les plateformes de service. Pour chaque segment, nous partageons la responsabilité des catégories de service dans la consommation fixe en appliquant notre modèle de partage basé sur la valeur de Shapley. L’analyse des résultats montre que le service «Streaming» consomme le plus d’énergie quel que soit le segment de réseau considéré, à l’exception des registres. Pour finir, nous traitons de la modélisation de l’efficacité énergétique des catégories de service. Dans un premier temps, nous calculons l’efficacité énergétique des catégories de service étant donné une station de base avec et sans «sleep mode». Ensuite, nous calculons l’efficacité énergétique des catégories de service étant donné un réseau d’accès mobile et considérant les cas avec et sans catégories de service obligatoires. Aussi étudions-nous les conditions pour ne pas détériorer l’efficacité énergétique du réseau au cours du temps en fonction des scénarios de dimensionnement / Internet traffic is growing exponentially. According to Cisco, mobile data traffic will increase sevenfold between 2016 and 2021, growing at a compound annual growth rate (CAGR) of 47%. In order to improve or keep up with users quality of experience (QoE), mobile carriers upgrade the network with additional equipment. As a consequence, the network carbon footprint increases over time, alongside with its energy consumption. In addition, mobile carriers margins are decreasing. Global telecommunication revenues declined by 4% between 2014 and 2015 based on the international telecommunication union (ITU) figures. These concerns fostered a great interest in the research community for reducing networks energy consumption. In this regard, many works in the literature investigate the energy consumed by services on network equipment for optimization purposes notably, focusing on the variable component of energy consumption. Energy consumption of a network equipment is composed of a variable and a fixed components. The variable component is consumed to serve traffic. The fixed component is consumed irrespective of traffic. In this thesis, our objective is to share the responsibility of service categories in the fixed energy consumption. To do so, we use the Shapley value. First, we consider a radio access network and share the responsibility of the service categories it delivers in the fixed energy consumption. The services are classified into five categories, namely, Streaming, Web, Download, Voice and other data services. In addition, we consider the case when some service categories are mandatory to be provided, such as Voice due to legal constraints for instance. Because the Shapley value has a huge computational complexity, we introduce closed-form expressions in order to significantly reduce it. Next, we consider the end-to-end network and all its segments, that is, the mobile access, the fixed access, the collect, the mobile core, the registers, the IP core and the service platforms. For each segment, we share the responsibility of the service categories in the fixed energy consumption with the Shapley-based model introduced in the preceding chapter. We find that Streaming is the service that consumes the most whatever the network segment, except for registers, as it represents the vast majority of Internet traffic. Eventually, we focus on the service categories energy efficiency. First, we consider a base station and compute the services energy efficiency for the cases with and without sleep mode. Then, we consider a radio access network and compute the services energy efficiency with and without a mandatory player. Moreover, we discuss the conditions to not deteriorate the network energy efficiency over time following different upgrade scenarios

Orientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-25T09:43:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RodriguezBrljevich_Esteban_M.pdf: 2281259 bytes, checksum: 12557ac80a34c2bff2547f1f2aff1eaa (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A virtualização de redes é uma tecnologia promissora para a Internet do futuro, já que facilita a implementação de novos protocolos e aplicações sem a necessidade de alterar o núcleo da rede. Um passo chave para instanciar redes virtuais é a alocação de recursos físicos para elementos virtuais (roteadores e enlaces). A fim de contribuir para o esforço global de poupança de energia, a escolha de recursos físicos para instanciar uma rede virtual deveria minimizar o consumo de energia rede. No entanto, esta não é uma tarefa trivial, já que requerimentos de QoS devem ser atingidos. A busca da solução ótima deste problema é NP-difícil. O mapeamento de redes virtuais em substratos de rede físicos em cenários de alocaç?o e desalocaç?o de redes virtuais pode não levar a um consumo mínimo de energia devido à dinâmica das atribuições dos elementos virtuais previamente alocados. Tal dinâmica pode levar à subutilização da rede substrato. Para reduzir os efeitos negativos desta dinâmica, técnicas tais como a migração de redes virtuais em tempo real podem ser empregadas para rearranjar as redes virtuais previamente mapeadas para poupar energia. Esta dissertação apresenta um conjunto de novos algoritmos para o mapeamento de redes virtuais em substratos de rede com o objetivo de reduzir o consumo de energia. Além disso, dois novos algoritmos são propostos para a migração dos roteadores e enlaces virtuais para reduzir o número de roteadores e amplificadores ópticos requeridos. Os resultados obtidos por simulação mostram a eficácia dos algoritmos propostos / Abstract: Network virtualization is a promising technology for the Internet of the Future since it facilitates the deployment of new protocols and applications without the need of changing the core of the network. A key step to instantiate virtual networks is the allocation of physical resources to virtual elements (routers and links). In order to contribute to the global effort of saving energy, choice of physical resources to instantiate a virtual network needs to minimize the network energy consumption. However, this is not a trivial task, since the QoS of the application requirements has to be supported. Indeed, the search for the optimal solution of this problem is NP-hard. The mapping of virtual networks on network substrates at the arrival time of requests to the establishment of virtual networks may not lead to a global minimum energy consumption of energy due to the dynamic allocations and deallocations of virtual networks. Actually, such dynamics can lead to the underutilization of the network substrate. To mitigate the negative effect of this dynamics, techniques such as live migration can be employed to rearrange already mapped virtual networks to achieve energy savings. This dissertation presents a set of new algorithms for the mapping of virtual networks on network substrates aiming to reduce energy consumption. Additionally, two new algorithms are proposed for the migration of virtual routers and links to reduce the number of powered routers and optical amplifiers. Results derived by simulation show the efficacy of the proposed algorithms / Mestrado / Ciência da Computação / Mestre em Ciência da Computação

Les réseaux d'opérateurs sont actuellement confrontés à multiples défis dont les coûts de réseaux, la disponibility, l'éco-durabilité et la qualité de service. Dans les réseaux "opaques", le signal optique est soumis à une régénération systématique à chaque passage par un noeud. Les réseaux "transparents" (ou tout-optiques) présentent une détérioration de la qualité du signal, due aux effets de dégradation par la couche physique s'accumulant depuis la source jusqu'à la destination. Les réseaux "translucides" offrent un compromis entre les deux types précédents. Dans de tels réseaux, une fraction des noeuds du réseau sont équipés de régénérateurs électriques, tandis que les autres sont complètement transparents aux signaux optiques. Dans un premier temps, nous avons proposé une technique d'optimisation pour la planification de réseaux translucides reposant sur une optimisation croisée entre les coûts CapEx et OpEx du réseau. L'algorithme développé fournit une solution pour le problème de routage et d'affectation de longueur d'onde tout en plaçant stratégiquement les régénérateurs. Dans un deuxième temps, nous avons étudié la planification de réseaux WDM tenant compte de la consommation énergétique, dans un contexte de trafic pré-planifié. Les cartes client servant d'interface entre le routeur IP et le switch optique présentent une opportunité pour réduire la consommation énergétique. Dans ce cadre, nous avons proposé une approche pour optimiser le nombre et l'utilisation de ces équipements en profitant de la corrélation spatio-temporelle entre les requêtes.

Ce travail a pour but d'améliorer l'efficacité énergétique des réseaux de cœur en éteignant un sous-ensemble de liens par une approche SDN (Software Defined Network). Nous nous différencions des nombreux travaux de ce domaine par une réactivité accrue aux variations des conditions réseaux. Cela a été rendu possible grâce à une complexité calculatoire réduite et une attention particulière au surcoût induit par les échanges de données. Pour valider les solutions proposées, nous les avons testées sur une plateforme spécialement construite à cet effet.Dans la première partie de cette thèse, nous présentons l'architecture logicielle ``SegmenT Routing based Energy Efficient Traffic Engineering'' (STREETE). Le cœur de la solution repose sur un re-routage dynamique du trafic en fonction de la charge du réseau dans le but d'éteindre certains liens peu utilisés. Cette solution utilise des algorithmes de graphes dynamiques pour réduire la complexité calculatoire et atteindre des temps de calcul de l'ordre des millisecondes sur un réseau de 50 nœuds. Nos solutions ont aussi été validées sur une plateforme de test comprenant le contrôleur SDN ONOS et des commutateurs OpenFlow. Nous comparons nos algorithmes aux solutions optimales obtenues grâce à des techniques de programmation linéaires en nombres entiers et montrons que le nombre de liens allumés peut être efficacement réduit pour diminuer la consommation électrique tout en évitant de surcharger le réseau.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous cherchons à améliorer la performance de STREETE dans le cas d’une forte charge, qui ne peut pas être écoulée par le réseau si des algorithmes de routages à plus courts chemins sont utilisés. Nous analysons des méthodes d'équilibrage de charge pour obtenir un placement presque optimal des flux dans le réseau.Dans la dernière partie, nous évaluons la combinaison des deux techniques proposées précédemment : STREETE avec équilibrage de charge. Ensuite, nous utilisons notre plateforme de test pour analyser l'impact de re-routages fréquents sur les flux TCP. Cela nous permet de donner des indications sur des améliorations à prendre en compte afin d'éviter des instabilités causées par des basculements incontrôlés des flux réseau entre des chemins alternatifs. Nous croyons à l'importance de fournir des résultats reproductibles à la communauté scientifique. Ainsi, une grande partie des résultats présentés dans cette thèse peuvent être facilement reproduits à l'aide des instructions et logiciels fournis. / This work seeks to improve the energy efficiency of backbone networks by automatically managing the paths of network flows to reduce the over-provisioning. Compared to numerous works in this field, we stand out by focusing on low computational complexity and smooth deployment of the proposed solution in the context of Software Defined Networks (SDN). To ensure that we meet these requirements, we validate the proposed solutions on a network testbed built for this purpose. Moreover, we believe that it is indispensable for the research community in computer science to improve the reproducibility of experiments. Thus, one can reproduce most of the results presented in this thesis by following a couple of simple steps. In the first part of this thesis, we present a framework for putting links and line cards into sleep mode during off-peak periods and rapidly bringing them back on when more network capacity is needed. The solution, which we term ``SegmenT Routing based Energy Efficient Traffic Engineering'' (STREETE), was implemented using state-of-art dynamic graph algorithms. STREETE achieves execution times of tens of milliseconds on a 50-node network. The approach was also validated on a testbed using the ONOS SDN controller along with OpenFlow switches. We compared our algorithm against optimal solutions obtained via a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model to demonstrate that it can effectively prevent network congestion, avoid turning-on unneeded links, and provide excellent energy-efficiency. The second part of this thesis studies solutions for maximizing the utilization of existing components to extend the STREETE framework to workloads that are not very well handled by its original form. This includes the high network loads that cannot be routed through the network without a fine-grained management of the flows. In this part, we diverge from the shortest path routing, which is traditionally used in computer networks, and perform a particular load balancing of the network flows. In the last part of this thesis, we combine STREETE with the proposed load balancing technique and evaluate the performance of this combination both regarding turned-off links and in its ability to keep the network out of congestion. After that, we use our network testbed to evaluate the impact of our solutions on the TCP flows and provide an intuition about the additional constraints that must be considered to avoid instabilities due to traffic oscillations between multiple paths.

Le terme “réseau vert” ou pour éviter une traduction directe, “réseau propre” repose sur la sélection de technologies et de produits réseaux économes en énergie, et garantissant un usage minimal des ressources quand cela est possible. Cette thèse vise à étudier les problèmes d’allocation des ressources dans les petits réseaux de cellules dans un contexte de réseau propre. Nous développons des algorithmes pour différents paradigmes. Nos travaux reposent principalement sur le contexte de la théorie des jeux de coalition, mais également sur des outils de géométrie stochastique ainsi que d’un modèle de jeu de surpeuplement. Nous étudions tout d’abord le problème d’association de mobiles à des stations de base dans les applications de diffusion d’un flux commun, sous contrainte de minimisation de la consommation d’énergie totale: nos algorithmes suivent une approche préservant l’énergie. Nous examinons le problème d’association des mobiles sous le prisme des jeux de coalition. Ce jeu tend à former la grande coalition, qui se caractérise par le fait que tous les joueurs forment une coalition unique. Nous prouvons que ce jeu de coalition à un noyau non vide ce qui signifie que la grande coalition est stable. Dans une deuxième partie, nous analysons un problème important dans les réseaux propres qui consiste à éteindre les stations de base qui ne sont pas indispensables. Nous abordons ce problème de façon statistique, dans le cas de fournisseurs de services coopérant au moyen d’outils de jeux de coalition vus sous un angle de la géométrie stochastique. Le jeu coalitionnel considéré est joué par les fournisseurs de services qui collaborent à éteindre leurs stations de base. Nous avons analysé la stabilité de Nash qui est un concept utilisé pour les jeux de coalition hédoniques. Nous posons la question suivante: Existe-t-il une méthode de répartition de la fonction d’utilité qui se traduit par un partitionnement Nash-stable? Nous répondons à cette question dans la thèse. Nous démontrons que le noyau Nash-stable, défini comme l’ensemble des méthodes de répartition des couts conduisant à un partitionnement stable au sens de la stabilité de Nash. Nous considérons finalement les jeux liés à l’association des mobiles à un point d’accès. Le jeu consiste à décider à quel point d’accès un mobile doit se connecter. Nous considérons le choix entre deux points d’accès ou plus. Les décisions d’association dépendent du nombre de mobiles connectés à chacun des points d’accès. Nous obtenons de nouveaux résultats en utilisant des outils élémentaires de jeux de congestion et d’éviction. Nous étudions le problème de la sélection de partenaires dans le cas de constitution de binomes gagnant-gagnant, ou chacun des partenaires s’appuie sur l’autre pour sa propre transmission. Nous proposons d’assimiler la sélection des partenaires au problème classique en théorie des jeux de recherche stable de colocataire. / The term “green networking” refers to energy-efficient networking technologies and products, while minimizing resource usage as possible. This thesis targets the problem of resource allocation in small cells networks in a green networking context. We develop algorithms for different paradigms. We exploit the framework of coalitional games theory and some stochastic geometric tools as well as the crowding game model. We first study the mobile assignment problem in broadcast transmission where minimal total power consumption is sought. A green-aware approach is followed in our algorithms. We examine the coalitional game aspects of the mobile assignment problem. This game has an incentive to form grand coalition where all players join to the game. By using Bondareva-Shapley theorem, we prove that this coalitional game has a non-empty core which means that the grand coalition is stable. Then, we examine the cost allocation policy for different methods. In a second part, we analyze a significant problem in green networking called switching off base stations in case of cooperating service providers by means of stochastic geometric and coalitional game tools. The coalitional game herein considered is played by service providers who cooperate in switching off base stations. We observed the Nash stability which is a concept in hedonic coalition formation games. We ask the following question: Is there any utility allocation method which could result in a Nash-stable partition? We address this issue in the thesis. We propose the definition of the Nash-stable core which is the set of all possible utility allocation methods resulting in stable partitions obtained according to Nash stability. We finally consider games related to the association of mobiles to an access point. The player is the mobile which has to decide to which access point to connect. We consider the choice between two access points or more, where the access decisions may depend on the number of mobiles connected to each access points. We obtained new results using elementary tools from congestion and crowding games. Last but not least, we extend our work to cooperative transmissions. We formulate the partner selection problem in cooperative relaying based on a matching theoretic approach. Partner selection is described as a special stable roommate problem where each player ranks its partners by some criterion. We adapted Irving’s algorithm for determining the partner of each player. We introduced a decentralized version of the Irving’s algorithm.

Les vingt dernières années ont vu l’émergence de systèmes sans fil dans la vie de tous les jours. Ils ont rendu possible la création de technologies telles que les téléphones portables, le WiFi ou l’internet mobile qui sont maintenant tenus pour acquis dans la société actuelle. L’impact environnemental des technologies de l’information et des communications connaît une croissance exponentielle et a atteint l’impact de l’industrie du transport aérien. L’initiative d’informatique verte a été lancée en réponse à cette observation pour réduire de 15 à 30% les émissions de gaz à effet de serre en 2020 comparé aux prédictions faites en 2002 afin de garder le réchauffement climatique inférieur à 2°C. Dans cette thèse, nous avons étudié des techniques d’économie d’énergie dans les réseaux sans fil et comment elles interagissent entre elles afin de donner une vue holistique des réseaux verts. Nous prenons également en compte l’usage du spectre radio fréquence qui est le moyen le plus utilisé pour les communications entre systèmes sans fil et qui devient une ressource rare à cause du besoin grandissant de notre société pour de la bande passante en mobilité. Cette thèse suit les couches réseaux avant de remonter les piles matérielleset logicielles. Des contributions ont été apportées à la plupart des couches afin de proposer un réseau sans fil autonome où les noeuds peuvent collaborer pour améliorer les performances du réseau, réduire de façon globale l’utilisation du spectre radio tout en limitant la consommation énergétique du réseau. / The last twenty years saw the emergence of wireless systems in everyday’s life. They made possible technologies such as mobile phones, WiFi or mobile Internet which are now taken for granted in today’s society. The environmental impact of Information and Communications Technology (ICT) has been raising exponentially to equate the impact of the airline industry. The green computing initiative has been created in response to this observation in order to meet the 15%-30% reduction in green-house gases by 2020 compared to estimations made in 2002 to keep the global temperature increasebelow 2°C. In this thesis, we studied power-saving techniques in wireless networks and how they interact with each others to provide a holistic view of green networking. We also take into account the radio frequency resource which is the most commonly usedcommunication medium for wireless systems and is becoming a scarce resource due to our society’s ever-increasing need for mobile bandwidth. This thesis goes down the network stacks before going up the hardware and software stack. Contributions have been madeat most layers in order to propose an autonomic wireless network where nodes can work collaboratively to improve the network’s performance, globally reduce the radio frequency spectrum usage while also increasing their battery life.

The term "green networking" refers to energy-efficient networking technologies and products, while minimizing resource usage as possible. This thesis targets the problem of resource allocation in small cells networks in a green networking context. We develop algorithms for different paradigms. We exploit the framework of coalitional games theory and some stochastic geometric tools as well as the crowding game model. We first study the mobile assignment problem in broadcast transmission where minimal total power consumption is sought. A green-aware approach is followed in our algorithms. We examine the coalitional game aspects of the mobile assignment problem. This game has an incentive to form grand coalition where all players join to the game. By using Bondareva-Shapley theorem, we prove that this coalitional game has a non-empty core which means that the grand coalition is stable. Then, we examine the cost allocation policy for different methods. In a second part, we analyze a significant problem in green networking called switching off base stations in case of cooperating service providers by means of stochastic geometric and coalitional game tools. The coalitional game herein considered is played by service providers who cooperate in switching off base stations. We observed the Nash stability which is a concept in hedonic coalition formation games. We ask the following question: Is there any utility allocation method which could result in a Nash-stable partition? We address this issue in the thesis. We propose the definition of the Nash-stable core which is the set of all possible utility allocation methods resulting in stable partitions obtained according to Nash stability. We finally consider games related to the association of mobiles to an access point. The player is the mobile which has to decide to which access point to connect. We consider the choice between two access points or more, where the access decisions may depend on the number of mobiles connected to each access points. We obtained new results using elementary tools from congestion and crowding games. Last but not least, we extend our work to cooperative transmissions. We formulate the partner selection problem in cooperative relaying based on a matching theoretic approach. Partner selection is described as a special stable roommate problem where each player ranks its partners by some criterion. We adapted Irving's algorithm for determining the partner of each player. We introduced a decentralized version of the Irving's algorithm.