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Réduire la consommation d’énergie des réseaux mobiles grâce aux objets connectés

Aujourd’hui, des nombreux objets connectés envahissent notre quotidien ; des frigos, des vélos, des montres, voir des poubelles connectées ! C’est d’ores et déjà l’ère de l’internet des objets, Internet Of Things (IoT). Ces objets sont connectés à l’internet par une combinaison de solutions spécifiques IoT et d’équipements réseaux traditionnels… Et si nous profitions des solutions IoT pour connecter, non seulement les objets connectés, mais également les équipements qui assurent la connectivité des objets connectés, notamment, les stations de base ?! Autrement dit …. et si les stations de bases devenaient des objets connectés?!!
Cet article illustre à travers un scénario de déploiement, la possibilité d’utiliser les réseaux IoT (LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M…etc) dans le processus de gestion des stations de bases afin de réduire leur consommation d’énergie.


La consommation d’énergie dans les réseaux mobiles

Réduire la consommation d’énergie et les émissions de CO2 constitue une cible mondiale. Le secteur des TIC (technologies de l’information et des communications) est responsable de 2% de l’empreinte carbone mondiale. Les réseaux de télécommunication constituent un secteur clé des TIC et ils subissent une croissance remarquable chaque année. Les statistiques estiment que les réseaux mobiles seraient responsables de 0,4% des émissions mondiales de CO2 en 2020, contre 0,2% en 2007, ce qui représente une augmentation de 100% en 13 ans. Cette augmentation est due à l’explosion du trafic mobile attendu dans les années à venir.
Les réseaux mobiles sont constitués de deux sous-parties principales :
La partie cœur (CN : Core Network) et la partie accès (RAN : Radio Access Network). Le RAN est responsable d’environ 85% de la consommation d’énergie annuelle des réseaux mobiles. Cela est dû principalement à la consommation d’énergie engendrée par les stations de base qui peut dépasser 90% de la consommation totale de RAN.
Il est donc nécessaire de maitriser la consommation d’énergie des stations de bases afin d’avoir des réseaux mobiles verts (Green Networks).
Ainsi, Orange agit depuis plusieurs années pour limiter son empreinte environnementale et proposer des solutions numériques durables. Ses actions pour la réduction de ses émissions de CO2 et de ses consommations énergétiques portent en priorité sur les domaines des réseaux et des data centers, des flottes de véhicules et des bâtiments. Les résultats de ses efforts depuis 2006 sont significatifs, avec une réduction des émissions de CO2 générées par client de 21%. Aujourd’hui Orange s’engage à les réduire de 50% par usage client d’ici 2020.

Utiliser les réseaux IoT pour réduire la consommation d’énergie des stations de bases

Avec la croissance de déploiement des réseaux dédiés à l’IoT, deux types de réseaux radio opérés vont coexister dans les années à venir : les réseaux cellulaires ‘’traditionnels’’ : 2G, 3G et 4G et les nouveaux réseaux dédiés IoT, tels que LoRa, Sigfox, NB-IoT, LTE-M…etc.. Ceci, nous amène à réfléchir sur les scénarios d’interactions possibles entre ces deux types de réseaux.
Les caractéristiques principales des réseaux opérés IoT, à savoir : une portée longue, un faible débit, et une consommation d’énergie économe pourraient être exploités pour réduire la consommation des réseaux mobiles ‘’traditionnels’’, en acheminant certains messages de contrôle transportés jusqu’à aujourd’hui via leurs canaux de contrôle. Par ce biais, il devient possible d’éteindre complètement les stations de bases des réseaux cellulaires dans les périodes sans trafic.
Nous avons donc proposé un nouveau mécanisme de réveil pour les stations de base qui s’appuie sur un réseau IoT, par exemple la technologie LoRa® (Long Range) qui a été adoptée par Orange pour fournir de la connectivité aux objets IoT.
Les mécanismes dites ‘’switch ON/OFF’’ sont présents dans la majorité des initiatives proposées dans la littérature pour réduire la consommation d’énergie des stations de bases. Dans ces mécanismes, la solution proposée généralement est de mettre les stations de base dans un mode veille prolongée durant les périodes à faible charge de trafic. Ceci, permet de réduire d’environ 50% la consommation d’énergie des stations de base. Cependant, une partie d’énergie reste ‘’gaspillée’’ pour assurer le bon fonctionnement du mode veille car les interfaces de réception de la station de base doivent rester en écoute afin de recevoir les éventuels messages de réveil en provenance du réseau cœur.
Notre solution consiste à éteindre complétement les stations de bases lors des périodes sans trafic ou bien à faible charge lorsque le trafic résiduel peut être pris en charge par une station voisine. Les messages de réveil seront acheminés via un réseau IoT. Un objet connecté sera associé à chaque station de base. Cet objet aura comme mission la réception et le traitement des messages de réveil de provenance du réseau cœur à la place des interfaces de réception de la station de base. L’objet connecté procèdera au réveil de la station de base via un mécanisme de réveil ‘’Wake on Lan’’ basé sur l’envoi d’un paquet spécifique de données dit ‘’paquet magique’’ . La décision d’éteindre/ réveiller une station de base se fera au niveau du réseau cœur à travers un serveur dédié.


Quels sont les cas d’usages envisageables avec ce mécanisme ?

Dans les zones denses et urbaines, le déploiement des stations de base micro-cellulaires (small cells) représente une solution prometteuse pour répondre aux exigences de la nouvelle génération des réseaux cellulaires 5G.
La densification des réseaux mobiles via un déploiement dense des small cells aura comme conséquence l’augmentation de la consommation d’énergie dans la partie d’accès des réseaux (RAN : Radio Access Networks). Ainsi, notre mécanisme pourrait être déployé afin de mieux maitriser cette augmentation.
Dans les pays émergents, les small cells constituent une vraie alternative, pour les stations de bases macro, afin d’assurer un déploiement à faible cout visant à réaliser une extension de couverture. Néanmoins, l’accès limité aux réseaux électriques caractérisé par des délais de délestage importants (qui peut attendre les 7h par jour dans certains pays), freine le déploiement de ce genre d’infrastructure. Notre mécanisme pourrait être également déployé afin de mieux maitriser la consommation d’énergie des small cells et faire face à cette contrainte forte.


Pour conclure…

La coexistence des réseaux mobiles traditionnels et des réseaux dédies IoT pourrait donner naissance à des nouveaux services basés sur l’interaction entre ces deux ‘’mondes’’. Nous avons illustré ici à travers un scénario de déploiement, la possibilité d’utiliser les réseaux IoT telle que LoRa dans le processus de gestion des stations de base afin de réduire leur consommation d’énergie.
La solution que nous avons proposée réduirait la consommation d’énergie des stations de bases de 30% par rapport à des mécanismes de switch ON/OFF basés sur un mode veille prolongée , en particulier durant les périodes à faible charge de trafic. Cependant, plusieurs défis opérationnels sont à prendre en considération pour mettre en place notre proposition.
Le mécanisme nécessite un déploiement massif du réseau IoT. Réciproquement, il peut être un vecteur de ce déploiement. La supervision du réseau doit être adaptée pour ne pas considérer la mise en sommeil d’une station de base comme une panne.

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