Energy efficient scheduling for Cloud mobile gaming

Data traffic consumption in mobile networks is increasing with exponential trend. This is caused by the increasing number of smartphones and the consequent use of always connected, data hungry applications. Among these, there is a particular type of applications, which is based on the concept of Cloud Mobile Gaming (CMG). With CMG the users can play high performance demanding videogames on mobile devices. The game is remotely executed and then streamed to the mobile device. However, this approach has some drawbacks due to the inherent problems of networks: throughput bottlenecks, QoS requirements, delays, packet losses. The resource allocation is thus a critical aspect in CMG. In addition, it is known that the ICT represents approximately the 2% of global CO2 emissions, and that the Radio Access Network (RAN) accounts for the most part of the energy consumption for a Mobile Network Operator (MNO). It is thus necessary to develop a scheduler to allocate network resources for CMG sessions, while reducing the power consumption of the RAN. This work considers Heterogeneous Networks, as the current trend of MNOs is to increase the capacity of the mobile networks by increasing the number and the different types of Base Stations and by adding WiFi Access Points, especially in dense urban environments. We take a cue from an existing Wireless Cloud Scheduler (WCS), to develop our proposal which aims at minimizing the power consumption by combining a novel objective function for the scheduling problem and by developing effective scheduling heuristics. A Matlab framework is then developed to simulate the considered network and different scenarios to collect a significative number of results. Different versions of the WCS are then used with the scenarios and the results analyzed. The combination of the proposed techniques achieves some remarkable improvements in the power consumption. Nevertheless, it improves the schedule rate and the User Experience, and it minimizes the cloud cost too, by exploiting a property of the considered problem.

Negli ultimi anni, il traffico dati nelle reti mobili è aumentato in maniera esponenziale. Le previsioni indicano che ciò avverrà anche in futuro. L'aumento del traffico dati nelle reti mobili è causato dal crescente numero di smartphone e il conseguente uso di applicazioni che necessitano di una connessione Internet sempre attiva, e che utilizzano intensivamente i dati a pacchetto. Tra queste c'è un gruppo particolare di applicazioni che si basa sul concetto di Cloud Mobile Gaming (CMG). Con il CMG l'utente può utilizzare sul proprio dispositivo mobile videogiochi che richiedono un'elevata potenza di elaborazione, irraggiungibile per il momento da un dispositivo compatto quale uno smartphone. Il gioco è eseguito in remoto su un server cloud, e l'unico compito del dispositivo mobile è quello di riprodurre il video risultante dall'esecuzione del gioco e di inviare al server cloud i comandi impartiti dal giocatore. Questo approccio ha purtroppo degli svantaggi, che necessitano di essere affrontati, dovuti ai problemi intrinsechi delle reti: limiti nella capacità dei canali, requisiti di Qualità del Servizio (QoS), tempi di propagazione, perdite di pacchetti. L'allocazione delle risorse è quindi un aspetto critico per il CMG. In aggiunta, è noto che l'ICT contribuisce approssimativamente al 2% delle emissioni globali di CO2, e che la Radio Access Network (RAN) è la prima fonte di consumo energetico per un operatore di telefonia mobile. E' quindi necessario sviluppare uno scheduler che allochi le risorse della rete per la creazione di sessioni di CMG, e che contemporaneamente riduca il consumo di potenza della RAN. Questo lavoro considera le Reti Eterogenee in quanto attualmente gli operatori di telefonia mobile stanno incrementando la capacità delle proprie reti mobili incrementando il numero e i tipi differenti di Stazioni Radio Base e aggiungendo degli Access Point di tipo WiFi, specialmente negli ambienti urbani densamente popolati. In questo lavoro prendiamo spunto da un Wireless Cloud Scheduler (WCS) esistente per sviluppare la nostra proposta che mira alla minimizzazione del consumo di potenza combinando una nuova funzione obiettivo per il problema di scheduling e sviluppando alcune efficaci euristiche di scheduling. Un ambiente Matlab viene quindi sviluppato per simulare la rete considerata, insieme a differenti scenari per raccogliere un numero significativo di risultati. Differenti versioni del WCS sono quindi usate con gli scenari previsti e i risultati analizzati. La combinazione delle tecniche proposte ottiene miglioramenti degni di nota nel consumo di potenza. Per altro, migliora anche lo schedule rate e la qualità dell'Esperienza Utente, minimizzando anche il costo sostenuto dal CMG provider per il noleggio dei server, grazie allo sfruttamento di una proprietà del problema considerato.