EcoRAN: an energy-aware optimization framework for multi-tenant neutral host O-RAN deployments

The advent of the Open Radio Access Network (O-RAN) enables flexible, multi-tenant deployments on shared infrastructure, but introduces the critical challenge of managing energy consumption versus performance. For neutral host operators, balancing tenant-specific Service Level Agreements (SLAs) with the economic and ecological imperative of energy efficiency is a key issue. This thesis presents EcoRAN, an ecological and economic optimization framework designed to address this challenge. Operating within a state-of-the-art multi-tenant O-RAN 7.2 testbed based on bare-metal OKD and open-source software stack, EcoRAN introduces a new cost-based resource allocation model. Leveraging Intel Speed Select - Core Power (SST-CP) technology, the framework implements a multi-tiered, hardware-based Class of Service system to manage tenant priorities. The core of EcoRAN is a hybrid control algorithm that combines a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller for safeguarding critical RAN threads with a Bootstrapped Thompson Sampling contextual bandit to dynamically optimize the CPU power budget, maximizing a throughput-per-watt efficiency metric. Experimental validation shows that EcoRAN significantly improves overall system efficiency compared to a static, unoptimized baseline. Although the framework successfully applies resource prioritization at the CPU level, a key finding is that end-user throughput remains predominantly determined by the quality of the radio link, highlighting that CPU management is a necessary but not sufficient condition for complete performance-based SLA differentiation. The significance of the platform developed in this thesis is highlighted by the recent acceptance of our conference paper, while the optimization problem presented here, and the future integration of adaptive radio resource allocation, will serve as the foundation for an upcoming journal submission.

L’avvento dell’Open Radio Access Network (O-RAN) consente implementazioni flessibili e multi-tenant su infrastrutture condivise, ma introduce la sfida critica di gestire il consumo energetico in rapporto alle prestazioni. Per gli operatori neutral host, bilanciare gli accordi di livello di servizio (SLA) specifici per ogni tenant con l’imperativo economico ed ecologico dell’efficienza energetica rappresenta una questione chiave. Questa tesi presenta EcoRAN, un framework di ottimizzazione ecologica ed economica progettato per affrontare questa sfida. Operando all’interno di un testbed multi-tenant O-RAN 7.2 all’avanguardia basato su OKD bare-metal e una stack software open-source, EcoRAN introduce un nuovo modello di allocazione delle risorse basato sui costi. Sfruttando la tecnologia Intel Speed Select – Core Power (SST-CP), il framework implementa un sistema hardware multi-livello di Class of Service per gestire le priorità dei tenant. Il cuore di EcoRAN è un algoritmo di controllo ibrido che combina un controllore Proporzionale-Integrale-Derivativo (PID) per la protezione dei thread critici della RAN con un algoritmo di Bootstrapped Thompson Sampling contextual bandit per ottimizzare dinamicamente il budget di potenza della CPU, massimizzando una metrica di efficienza throughput-per-watt. La validazione sperimentale dimostra che EcoRAN migliora significativamente l’efficienza del sistema rispetto a un baseline statico e non ottimizzato. Sebbene il framework applichi con successo la prioritarizzazione delle risorse a livello CPU, un risultato chiave è che il throughput percepito dall’utente finale rimane prevalentemente determinato dalla qualità del collegamento radio, evidenziando che la gestione della CPU è una condizione necessaria ma non sufficiente per una completa differenziazione delle SLA basata sulle prestazioni. Il valore della piattaforma sviluppata in questa tesi è evidenziato dalla recente accettazione di un nostro articolo correlato a una conferenza, mentre il problema di ottimizzazione presentato in questo lavoro, insieme alla futura integrazione di un'allocazione adattiva delle risorse radio, costituirà la base per una prossima pubblicazione su rivista.