Modelli ed algoritmi di ottimizzazione del consumo di energia in reti di comunicazione

The increasing cost of the energy supply and the need to preserve the environment by reducing the emissions of CO2 and other greenhouse gases, highlighted the need of energy efficient technologies and systems. This consideration also applies to the ICT sector, that alone represents the 2% of the global consumed energy. Considering also the cooling systems, that share increases to the 10%, making the ICT the cause of the emissions of a relevant quantity of greenhouse gases. On the other side, ICT is a key factor to face the global warming issues as it could provide an effective way to solve the problem by providing solutions to optimize the energy production, transportation and consumption systems. So far there are several initiatives to try to reduce the energy requirements of the ICT sector. On one hand there is the development of more energy-efficient technologies, on the other the design of the network is being studied in order to reduce the consumption of both the single devices and the network itself. The reduction of the energy consumption is now a design goal as well as the performance and the quality of service requirements that drove the development of the networks in the past years. Therefore there is the need to design networks with low energy consumption, for instance by switching on and off the devices accordingly with the requested load. This would allow the network to adapt to the different traffic profiles that occurs during the day consuming only the energy required to support the current traffic profile. This work studies the problem of minimizing the energy consumption of the network by switching off some component without affecting the correctness of the routing of all the requests. The goal of this thesis is the evaluation of the possible savings obtainable with an optimized routing. In this work two approaches have been considered: one simpler with static routes and another that takes in account the possibility for the route to change with respect to the temporal scenario. The solution of the problem has been reached through the realization of two integer linear programming models, one for each approach. The problems have been solved with the use of commercial solvers and with ad-hoc heuristics. The models and the heuristics have been tested both on small sample and on real life network instances. The computational tests show that the techniques proposed could be effective in the realization of energy-efficient systems.

Il costante aumento del costo dell'energia e il bisogno di ridurre l'emissione globale di CO2 e altri gas serra per proteggere il nostro ambiente sono i fattori che, negli ultimi anni, hanno portato in primo piano i problemi legati alla progettazione e all'utilizzo di tecnologie e sistemi efficienti dal punto di vista energetico. Anche nel settore dell'Information and Communication Technology (ICT) l'attenzione al consumo energetico è di capitale importanza. Infatti, secondo alcuni studi, il consumo di energia del settore ICT rappresenta il 2% del consumo globale di energia (10% se si considerano anche i sistemi di raffreddamento), quindi è di per sé responsabile di una considerevole quantità di gas serra. D'altro canto questo settore è considerato uno strumento essenziale per contrastare il sempre più evidente problema del riscaldamento globale. Infatti, in futuro, si attende che il settore ICT possa ricoprire un ruolo attivo nella riduzione del fabbisogno energetico a livello mondiale attraverso l'ottimizzazione della produzione, del trasporto e del consumo dell'energia. Diverse iniziative sono in atto per ridurre il fabbisogno energetico del settore ICT in generale. Da un lato si stanno sviluppando tecnologie più efficienti dal punto di vista dei consumi, dall'altro vengono studiate una serie di politiche di pianificazione e progettazione delle reti attente alla questione energetica, volte sia ad ottimizzare il consumo dei singoli dispositivi, che a limitare il consumo globale della rete. La riduzione dell'assorbimento energetico è quindi un requisito che si aggiunge oggi all'efficienza e alla qualità del servizio dominanti in passato. Si rende sempre più necessaria la progettazione di reti a basso consumo energetico, realizzabile mediante l'attivazione e la disattivazione intelligente dei dispositivi che le compongono per conseguire un miglior adattamento alle variazioni delle quantità di dati nell'arco di una giornata. Proprio in quest'ultimo ambito si colloca la presente tesi, nella quale si studia il problema di minimizzare il consumo energetico della rete consentendo lo spegnimento dei componenti di una rete e garantendo il corretto instradamento di tutte le domande. L'obiettivo è di valutare le possibilità di risparmio ottenute adattando la rete e gli instradamenti alle variazioni delle quantità di traffico nelle varie ore del giorno. Si vuole valutare l'entità dei possibili risparmi energetici derivanti dall'instradamento ottimo, considerando due possibili varianti del problema nelle quali si consente o meno alle domande di cambiare percorso nel passaggio da uno scenario temporale all'altro. Per risolvere il problema sono stati realizzati due distinti modelli di programmazione lineare intera, risolti mediante solutori commerciali e attraverso algoritmi euristici appositamente progettati. Modelli ed algoritmi sono stati testati su piccole istanze e su alcune istanze di reti reali ed hanno mostrato la possibilità di consistenti risparmi energetici.