On the effectiveness of single and multiple base station sleep modes in cellular networks

In this paper we study base station sleep modes that, by reducing power consumption in periods of low tra c, improve the energy e ciency of cellular access networks. We assume that when some base stations enter sleep mode, radio coverage and service provisioning are provided by the base stations that remain active, so as to guarantee that service is available over the whole area at all times. This may be an optimistic assumption in the case of the sparse base station layouts typical of rural areas, but is, on the contrary, a realistic hypothesis for the dense layouts of urban areas, which consume most of the network energy. We consider the possibility of either just one sleep mode scheme per day (bringing the network from a high-power, fully-operational con guration, to a low-power reduced con guration), or several sleep mode schemes per day, with progressively fewer active base stations. For both contexts, we develop a simple analytical framework to identify optimal base station sleep times as a function of the daily tra c pattern. We start by considering homogeneous networks, in which all cells carry the same amount of tra c and cover areas of equal size. Considering both synthetic tra c patterns and real tra c traces, collected from cells of an operational network, we show that the energy saving achieved with base station sleep modes can be quite signi cant, the actual value strongly depending on the tra c pattern. Our results also show that most of the energy saving is already achieved with one sleep mode scheme per day. Some additional saving can be achieved with multiple sleep mode schemes, at the price of a signi cant increase in complexity. We then consider heterogeneous networks in which cells with di erent coverage areas and di erent amounts of tra c coexist. In particular, we focus on the common case in which some micro-cells provide additional capacity in a region covered by an umbrella macro-cell, and we prove that the optimal scheduling of micro-cell sleep times is in increasing order of load, from the least loaded to the most loaded. This provides a valuable guideline for the scheduling of sleep modes (i.e., of low-power con gurations) in complex heterogeneous networks. Key-words: Energy-e ciency, Cellular networks, QoS and sleep modes ha l-0 07 59 39 9, v er si on 1 17 D ec 2 01 2 L'e cacité des modes de sommeil uniques et multiples pour les stations de base dans les réseaux cellulaires Résumé : Dans ce rapport, nous étudions les modes de mise en veille des stations de base. En réduisant la puissance en période de tra c faible, l'e cacité énergétique des réseaux d'accès cellulaires se trouve améliorée. Nous supposons que le service est toujours disponible sur tout le réseau. Ainsi, lorsque certaines stations de base sont mises en veille, les stations de base restant actives assurent la couverture radio et la fourniture de services. Cette hypothèse peut sembler optimiste là où les stations de base sont éparses (cas typique des zones rurales) mais elle est réaliste dans les zones urbaines, qui correspondent au pic de la consommation énergétique du réseau. Deux scénarios de mise en veille sont considérés : dans le premier, la mise en veille est e ectuée une seule fois par jour sur tout le réseau, celui-ci passe alors d'une con guration entièrement fonctionnelle à une con guration réduite; dans le deuxième scénario, le nombre des stations de base actives est progressivement réduit au cours de la journée. Pour chaque scénario, nous développons une analyse simple pour identi er les durées optimales de mise en veille selon le tra c journalier. Dans un premier temps, nous considérons le cas homogène dans lequel toutes les cellules transportent la même quantité de tra c et ont des zones de couvertures identiques. Nous montrons sur des traces de tra c d'abord synthétiques ensuite réelles (fournies par un opérateur) que l'économie d'énergie réalisée avec la mise en veille des stations de base peut être très importante, sa valeur dépendant fortement de la nature du tra c. Nos résultats montrent également que l'économie d'énergie réalisée est obtenue majoritairement avec une seule mise en veille journalière dans le réseau. La réduction progressive du nombre de stations actives apporte certes un surplus d'économie d'énergie, mais au prix d'une augmentation signi cative de la complexité. Dans un second temps, nous considérons le cas hétérogène dans lequel des cellules de zones de couverture di érentes et de tra c di érent coexistent. Nous nous concentrons en particulier sur le cas courant dans lequel certaines micro-cellules fournissent une capacité supplémentaire dans une région couverte par une macro-cellule et prouvons que l'ordonnancement optimal des mises en veille des micro-cellules est selon l'ordre croissant de la charge. Ceci fournit une indication importante pour la plani cation des mises en veille dans les réseaux hétérogènes complexes. Mots-clés : E cacité énergétique, réseaux cellulaires, QoS et modes de sommeil ha l-0 07 59 39 9, v er si on 1 17 D ec 2 01 2 4 Ajmone Marsan & Chiaraviglio & others