Väitös, tietoliikennetekniikka, MSc Maliha Jada

Väitöskirjan nimi: Techniques for Energy Efficient Radio Access Networks

Väittelijä: Maliha Jada
Vastaväittäjä: Prof. Kimmo Kansanen, NTNU, Norja
Kustos: Prof. Jyri Hämäläinen, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Globaalien resurssien niukkuus on aikamme perustavanlaatuinen haaste, joka vaikuttaa kaikkeen puhtaasta ilmasta elinkelpoiseen maahan. Garrett Hardinin käsite "yhteismaan tragediasta" (Tragedy of the Commons) havainnollistaa, kuinka yhteiskäytössä olevia resursseja hyödynnetään usein liiallisesti lyhyen aikavälin hyötyjen tavoittelussa, mikä johtaa ympäristön epätasapainoon, kuten ilmastonmuutokseen. Nykyään energiasta on tullut kriittisen rajallinen resurssi, jonka kysyntä kasvaa jatkuvasti. Tätä kasvua vauhdittaa erityisesti tekoälysovellusten (AI) vaatiman tiedon tallennuksen ja tiedonsiirron eksponentiaalinen lisääntyminen.

Vaikka mobiiliverkot mahdollistavat tekoälyvallankumouksen, niiden nopea laajeneminen aiheuttaa myös merkittävän ympäristökuormituksen. Mobiiliverkkojen osuus tieto- ja viestintäteknologian (ICT) aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä on tällä hetkellä noin 10 %, mikä vastaa noin 2,5 % maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä. Näiden päästöjen vähentäminen edellyttää merkittävää parannusta energiatehokkuuteen, missä energiankulutusta vähennetään tehokkaalla verkon resurssien hallinnalla.

Solukkoverkot suunnitellaan perinteisesti kestämään korkean käytön tuntien  suurimmat liikennemäärät siten, että kaikki käytettävissä olevat resurssit otetaan käyttöön palvelun laadun varmistamiseksi. Alhaisen liikennemäärän aikana suuri osa näistä resursseista jää kuitenkin aktiivisiksi mutta vajaakäytölle, mikä johtaa huomattavaan energiahukkaan. Tämä väitöskirja käsittelee tätä haastetta kehittämällä menetelmiä, joiden avulla vajaakäytöllä olevia verkkoelementtejä voidaan dynaamisesti skaalata alas tai kytkeä pois päältä vähäisen liikenteen aikana käyttäjäkokemuksesta kuitenkaan tinkimättä.

Tutkimuksessa tarkastellaan, optimoidaan ja arvioidaan energiansäästömenetelmiä useissa mobiiliviestinnän sukupolvissa:

3G- ja 4G/4G+-verkot: Työssä rakennetaan mallit tukiasemien energiankulutuksen arvioimiseksi ja esitetään uusi verkonhallintamenetelmä, joka perustuu tukiasemien ja taajuuskantoaaltojen dynaamiseen kytkemiseen päälle ja pois. Lisäksi esitellään monidimensionaalinen, liikennemäärät huomioiva optimointikehys, mikä hyödyntää metaheuristisia menetelmiä ja tarjoaa skaalautuvia ratkaisuja energiatehokkaaseen verkonsuunnitteluun.

5G-Advanced- ja 6G-verkot: Uusimpien verkkoratkaisuiden osalta väitöskirja tutkii energiatehokkaita radioresurssien mukauttamismenetelmiä erityisesti massiivisten MIMO-järjestelmien näkökulmasta. Analysoimalla antennien määrän ja lähetystehon säätämistä sekä erikseen että yhdessä tutkimus osoittaa, että huomattavia energiansäästöjä voidaan saavuttaa alhaisilla ja keskisuurilla kuormitustasoilla samalla kun suorituskyky säilyy vahvana myös ruuhkatilanteissa.

Tämä väitöskirjatyö tarjoaa tietoa ja tuloksia joiden perusteella voidaan rakentaa joustavia, mukautuvia ja energiatehokkaita mobiiliverkkoja. Työ rakentaa siltaa korkean suorituskyvyn tietoliikenneyhteyksien ja ympäristöllisen kestävyyden välille samalla, kun ala siirtyy kohti 6G-aikakautta.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu