Energy and cost efficiency of fronthaul/backhaul data transport in 4G-5G networks

Power consumption is a topic of high interest in telecommunication networks, especially with the current roll-out of 5G radio access networks. Since most of the consumption of the overall Internet is attributed to the access network, great attention should be paid on the technologies used for fronthaul and backhaul. This is a concerning aspect for operators as the improvements on energy efficiency must be compatible with the increasing traffic load and density of connected devices. Optical fiber represents the best solution to this problem as it guarantees high throughput along with low energy consumption. The main goal of this thesis is to develop an energy model of a mobile network, to quantify the savings made possible by the adoption of a fiber-based fronthaul and backhaul, compared to other technologies such as radio and copper. To provide a complete view, simulations are done for 4G and 5G networks, considering both traditional radio access networks (RAN) and cloud (CRAN), as well as different cell sizes, i.e., macrocells, microcells, and femtocells, in homogeneous and heterogeneous networks. Following the same approach, several environmental parameters obtained from the Third Generation Partnership Project (3GPP) are considered, accounting for different densities of users and traffic demand. A first contribution of this thesis is an energy consumption model that considers not only the contribution of cells but also all the devices used for fronthauling and backhauling, for all the possible environment and technological choices mentioned. A second contribution regards the development of a cost model, starting from the architectures and scenarios used in the energy model, to compare fiber to other fronthaul and backhaul technologies also from a cost point of view. The model analyses the return on investments (ROI) of a fiber network versus a radio-link one, as well as Capital Expenditure (CAPEX) and Operating Expenditure (OPEX). The results confirm that, from an energy point of view, optical fiber is the best solution for the RAN fronthaul and backhaul while in almost all scenarios and architectures it represents the solution with the highest CAPEX. However, the advantages in terms of ROI of the investment on a fiber-based network become more relevant as the time frame increases.

Il consumo energetico è un tema di grande interesse nelle reti di telecomunicazioni, in particolare con l'attuale introduzione delle reti di accesso radio 5G. Poiché la rete di accesso rappresenta una componente importante del consumo complessivo di Internet, occorre prestare grande attenzione alle tecnologie di fronthaul e backhaul utilizzate. Questo tema è di estrema rilevanza per gli operatori, in quanto i miglioramenti dell'efficienza energetica devono essere compatibili con l'aumento dei livelli di traffico e del numero di dispositivi. La fibra ottica rappresenta la migliore soluzione in quanto garantisce una capacità trasmissiva elevata insieme a un basso consumo energetico. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di sviluppare un modello energetico di una rete mobile, al fine di quantificare i risparmi resi possibili dall'adozione di un fronthaul e un backhaul ottico, rispetto ad altre tecnologie come i ponti radio e il rame. Per fornire un confronto completo le simulazioni sono effettuate per le reti 4G e 5G, considerando sia le reti di accesso radio tradizionali (RAN) che quelle cloud (CRAN), oltre a diverse dimensioni delle celle, ad es., macrocellule, microcellule e femtocellule, in reti omogenee ed eterogenee. Seguendo lo stesso approccio, nel modello vengono considerati diversi parametri ambientali, ottenuti dal Third Generation Partnership Project (3GPP), che tengono conto della diversa densità di utenti e della domanda di traffico. Un primo contributo di questa tesi sul tema dei consumi energetici è un modello che tiene conto non solo del contributo delle celle ma anche di tutti i dispositivi utilizzati per il fronthauling e il backhauling, in tutte le possibili scelte ambientali e tecnologiche menzionate. Un secondo contributo riguarda lo sviluppo di un modello di costo, partendo dalle architetture e dagli scenari utilizzati nel modello energetico, per confrontare la fibra ottica con altre tecnologie di fronthaul e backhaul anche dal punto di vista dei costi. Tramite questo modello viene valutato il ritorno sugli investimenti (ROI) di una rete in fibra rispetto a collegamenti radio, nonché la spesa in conto capitale (CAPEX) e la spesa operativa (OPEX). I risultati dei due modelli confermano che la fibra ottica è la migliore soluzione per le RAN dal punto di vista energetico anche se in quasi tutti gli scenari e architetture rappresenta la scelta con CAPEX maggiore. Tuttavia, i vantaggi in termini di ROI dell'investimento su una rete in fibra diventano più rilevanti con il passare del tempo.