On the economics of energy consumption in 4G networks: the case of Spain

Reducing energy consumption is one of the main challenges in most countries. For example, European Member States agreed to reduce greenhouse gas (GHG) emissions by 20% in 2020 compared to 1990 levels (EC 2008). Considering each sector separately, ICTs account nowadays for 2% of total carbon emissions. This percentage will increase as the demand of communication services and applications steps up. At the same time, the expected evolution of ICT-based developments - smart buildings, smart grids and smart transportation systems among others - could result in the creation of energy-saving opportunities leading to global emission reductions (Labouze et al. 2008), although the amount of these savings is under debate (Falch 2010). The main development required in telecommunication networks ?one of the three major blocks of energy consumption in ICTs together with data centers and consumer equipment (Sutherland 2009) ? is the evolution of existing infrastructures into ultra-broadband networks, the so-called Next Generation Networks (NGN). Fourth generation (4G) mobile communications are the technology of choice to complete -or supplement- the ubiquitous deployment of NGN. The risk and opportunities involved in NGN roll-out are currently in the forefront of the economic and policy debate. However, the issue of which is the role of energy consumption in 4G networks seems absent, despite the fact that the economic impact of energy consumption arises as a key element in the cost analysis of this type of networks. Precisely, the aim of this research is to provide deeper insight on the energy consumption involved in the usage of a 4G network, its relationship with network main design features, and the general economic impact this would have in the capital and operational expenditures related with network deployment and usage.

Energy Consumption Forecast in 4G Networks: The Case of Spain

Reducing energy consumption is one of the main goals of sustainability planning in most countries. For instance in Europe, the EC established the objectives in the Communication “20 20 by 2020 Europe's climate change opportunity”. • Next Generation Networks (NGN)  One of the most relevant upcoming ICT development • The role of energy consumption seems mostly absent from the main analysis and the debate on NGN deployment.

The strategies associated with the migration of networks to 4G

The networks need to provide higher speeds than those offered today. For it, considering that in the spectrum radio technologies is the scarcest resource in the development of these technologies and the new developments is essential to maximize the performance of bits per hertz transmitted. Long Term Evolution optimize spectral efficiency modulations with new air interface, and more advanced algorithms radius. These capabilities is the fact that LTE is an IPbased technology that enables end-to-end offer high transmission rates per user and very low latency, ie delay in the response times of the network around only 10 milliseconds, so you can offer any realtime application. LTE is the latest standard in mobile network technology and 3GPP ensure competitiveness in the future, may be considered a technology bridge between 3G networks - current 3.5G and future 4G networks, which are expected to reach speeds of up to 1G . LTE operators provide a simplified architecture but both robust, supporting services on IP technology. The objectives to be achieved through its implementation are ambitious, first users have a wide range of added services like capabilities that currently enjoys with residential broadband access at competitive prices, while the operator will have a network fully IP-based environment, reducing the complexity and cost of the same, which will give operators the opportunity to migrate to LTE directly. A major advantage of LTE is its ability to fuse with existing networks, ensuring interconnection with the same, increasing his current coverage and allowing a data connection established by a user in the environment continue when fade the coverage LTE. Moreover, the operator has the advantage of deploying network gradually, starting initially at areas of high demand for broadband services and expand progressively in line with this. RESUMEN. Las redes necesitan proporcionar velocidades mayores a las ofertadas a día de hoy. Para ello, teniendo en cuenta que en tecnologías radio el espectro es el recurso más escaso, en la evolución de estas tecnologías y en los nuevos desarrollos es esencial maximizar el rendimiento de bits por hercio transmitido. Long Term Evolution optimiza la eficiencia espectral con nuevas modulaciones en la interfaz aire, así como los algoritmos radio más avanzado. A estas capacidades se suma el hecho de que LTE es una tecnología basada en IP de extremo a extremo que permite ofrecer altas velocidades de transmisión por usuario y latencias muy bajas, es decir, retardos en los tiempos de respuesta de la red en torno a sólo 10 milisegundos, por lo que permite ofrecer cualquier tipo de aplicación en tiempo real. LTE es el último estándar en tecnología de redes móviles y asegurará la competitividad de 3GPP en el futuro, pudiendo ser considerada una tecnología puente entre las redes 3G – 3.5G actuales y las futuras redes 4G, de las que se esperan alcanzar velocidades de hasta 1G. LTE proporcionará a las operadoras una arquitectura simplificada pero robusta a la vez, soportando servicios sobre tecnología IP. Los objetivos que se persiguen con su implantación son ambiciosos, por una parte los usuarios dispondrá de una amplia oferta de servicios añadidos con capacidades similares a las que disfruta actualmente con accesos a banda ancha residencial y a precios competitivos, mientras que el operador dispondrá de una red basada en entorno totalmente IP, reduciendo la complejidad y el costo de la misma, lo que dará a las operadoras la oportunidad de migrar a LTE directamente. Una gran ventaja de LTE es su capacidad para fusionarse con las redes existentes, asegurando la interconexión con las mismas, aumentando su actual cobertura y permitiendo que una conexión de datos establecida por un usuario en el entorno LTE continúe cuando la cobertura LTE se desvanezca. Por otra parte el operador tiene la ventaja de desplegar la red LTE de forma gradual, comenzando inicialmente por las áreas de gran demanda de servicios de banda ancha y ampliarla progresivamente en función de ésta.

Planificación de una red 4G

La intensa evolución tecnológica que está experimentando nuestra sociedad en las últimas décadas hace que se estén desarrollando continuamente nuevas tecnologías que proporcionan mejoras tanto en la calidad como en la seguridad del servicio, este es el caso del 4G. A día de hoy, en España, la cuarta generación de comunicaciones móviles se ve encabezada por LTE, mientras que LTE-Advanced sólo se está implantando en las principales ciudades de nuestro país durante los últimos meses. Por este motivo, se ha creído interesante realizar una planificación sobre una zona que, hasta el momento, no está cubierta por cobertura LTE-Advanced. Además hay que tener en cuenta la naturaleza del terreno en el que trabajaremos, ya que se aleja del suelo urbano que encontramos en las principales ciudades con LTE-Advanced, como Madrid, Barcelona o Valencia. El estudio de esta zona semirural es de gran interés ya que uno de los objetivos de la cuarta generación es hacer llegar conexión a internet de calidad a lugares en los que no puede llegar la fibra óptica, como por ejemplo estas zonas semirurales. Para añadir aún más interés en el estudio, se ha decidido utilizar la banda de 800 MHz para el despliegue de la red. Esta banda que anteriormente era utilizada para la transmisión TDT, recientemente ha quedado liberada, en el conocido como Dividendo Digital para su uso en comunicaciones móviles. La tecnología LTE-Advanced se está empezando a desplegar en esta banda aunque realmente hasta Noviembre del año 2015 no tendremos un uso real de la misma, por lo que en estos momentos las redes 4G están utilizando la banda de 2.6 GHz. La utilización de la banda de 800 MHz conllevará mejoras tanto al usuario como a las operadoras, las cuales iremos viendo a lo largo del desarrollo del proyecto. La planificación pasará por distintas fases de optimización y expansión en las que se analizaran tanto la parte radioeléctrica como su capacidad. Se analizaran señales del tipo RSRP, RSSI o RSRQ y para el análisis de capacidad se definirá un conjunto de usuarios, distribuidos adecuadamente por toda la zona, que permitirá estudiar en detalle la capacidad de nuestra red. Para finalizar, se realizarán varias pruebas que demostrarán lo importante que es la tecnología MIMO tanto en LTE como en LTE-Advanced. ABSTRACT. Nowadays, our society is experiencing an intense pace of technological evolution which causes the constant development of new technologies. In the network planning area, these new technologies are focused on improving both quality and safety of service, with the recent deployment of 4G technologies in our networks. This project focuses on Spain, where the fourth generation of mobile communications is led by LTE, because LTE-Advanced has only been deployed in the largest cities, so far. The goal of this project is to plan, deploy and simulate LTE-Advanced network, of an area that hasn´t yet been covered. Furthermore, it will be taken into account the nature of the terrain where the network will be developed, as it moves away from urban areas in the major cities with LTE-Advanced, including Madrid, Barcelona and Valencia. The study of these semi-rural areas is extremely important because one of the main objectives of the fourth generation technologies is to get high-speed internet access to places that can be reached through other technologies, such as optical fiber. In order to adjust to the actual needs, the project was developed for the 800 MHz band. Those frequencies used to be assigned for digital terrestrial TV, but they have recently been released through the Digital Dividend in 2015 to use with mobile communications. That is the reason why, the LTE-Advanced technology in Spain is starting to be deployed in those frequencies. Despite the freeing of the 800 MHz band, it is not allowed to use it until November 2015, so 4G networks are currently using the 2.6 GHz band. The use of the 800 MHz band will led to advantages and improvements to users and operators, which will be detailed over the project. Each step of the planning of the 4G network is detailed. It is analyzed the optimization and expansion of the network, based on the radio and capacity premises. RSRP, RSSI or RSRQ signals were analyzed and an analysis of the network capacity was carried out. Finally, several tests are developed to show the importance of MIMO in LTE and LTE-Advanced.

Estudio sobre un sistema de radiocomunicaciones ferroviarias de acuerdo al paradigma 4G

No hay duda de que el ferrocarril es uno de los símbolos del avance tecnológico y social de la humanidad, y su imparable avance desde el primer tercio del Siglo XIX así lo atestigua. No obstante, a lo largo de gran parte de su historia se ha mostrado algo renuente a abrazar ciertas tecnologías, lo que le ha causado ser tachado de conservador. Sin embargo, en los últimos años, coincidiendo con el auge masivo de los trenes de alta velocidad, los metropolitanos y los tranvías, muchas tecnologías han ido penetrando en el mundo del ferrocarril. La que hoy nos ocupa es una de las que mayor valor añadido le ha proporcionado (y que probablemente le proporcionará también en el futuro): las comunicaciones móviles. Actualmente el uso de este tipo de tecnologías en el entorno ferroviario puede calificarse como de inicial o, por seguir la nomenclatura de las comunicaciones móviles públicas, de segunda generación. El GSM-R en las líneas de alta velocidad es un caso (aunque de éxito al fin y al cabo) que define perfectamente el estado del arte de las comunicaciones móviles en este entorno, ya que proporcionó un gran valor añadido a costa de un gran esfuerzo de estandarización; ha supuesto un importante salto adelante en el campo de la fiabilidad de este tipo de sistemas, aunque tiene unas grandes limitaciones de capacidad y graves problemas de escalabilidad. Todo hace pensar que en 2025 el sustituto de GSM-R deberá estar en el mercado. En cualquier caso, se debería abandonar la filosofía de crear productos de nicho, que son extraordinariamente caros, y abrazar las filosofías abiertas de las redes de comunicaciones públicas. Aquí es donde LTE, la última gran estrella de esta familia de estándares, puede aportar mucho valor. La idea subyacente detrás de esta Tesis es que LTE puede ser una tecnología que aporte gran valor a las necesidades actuales (y probablemente futuras) del sector del ferrocarril, no solamente en las líneas y trenes de alta velocidad, sino en las denominadas líneas convencionales y en los metros y tranvías. Dado que es un campo aún a día de hoy que dista bastante de estar completamente estudiado, se ha explorado la problemática de la propagación electromagnética en los diferentes entornos ferroviarios, como pueden ser los túneles de metro y la influencia de las estructuras de los trenes. En este sentido, se ha medido de forma bastante exhaustiva en ambos entornos. Por otro lado, dado que los sistemas multiantena son uno de los pilares fundamentales de los modernos sistemas de comunicaciones, se ha verificado de forma experimental la viabilidad de esta tecnología a la hora de implementar un sistema de comunicaciones trentierra en un túnel. Asimismo, de resultas de estas medidas, se ha comprobado la existencia de ciertos fenómenos físicos que pueden suponer una merma en la eficiencia de este tipo de sistemas. En tercer lugar, y dado que uno de los grandes desafíos de las líneas de alta velocidad está provocado por la gran celeridad a la que se desplazan los trenes, se ha explorado la influencia de este parámetro en la eficiencia global de una red completa de comunicaciones móviles. Por supuesto, se ha hecho especial hincapié en los aspectos relacionados con la gestión de la movilidad (traspasos o handovers Por último, a modo de cierre de la Tesis, se ha tratado de identificar los futuros servicios de comunicaciones que aportarán más valor a las explotaciones ferroviarias, así como los requisitos que supondrán para las redes de comunicaciones móviles. Para los casos antes enunciados (propagación, sistemas multiantena, movilidad y desafíos futuros) se proporcionan las contribuciones ya publicadas en revistas y congresos internacionales, así como las que están enviadas para su revisión. ABSTRACT There is almost no doubt that railways are one of the symbols of the technological and social progress of humanity. However, most of the time railways have been somewhat reluctant to embrace new technologies, gaining some reputation of being conservative. But in the last years, together with the massive boom of high speed lines, subways and trams all over the world, some technologies have broken through these conservative resistance. The one which concerns us now is one of the most value-added (both today and in the future): mobile communications. The state-of-the-art of these technologies in the railway field could be called as incipient, or (following the mobile communications’ notation) ‘second generation’. GSM-R, the best example of mobile communications in railways is a success story that shows perfectly the state-of-the-art of this field: it provided a noticeable mark-up but also required a great standardization effort; it also meant a huge step forward in the reliability of these systems but it also needs to face some scalability issues and some capacity problems. It looks more than feasible that in 2025 the alternative to GSM-R should be already available. Anyway, the vision here should be forgetting about expensive niche products, and embracing open standards like public mobile communications do. The main idea behind this Thesis is that LTE could be a technology that provides a lot of added value to the necessities of the railways of today and the future. And not only to highspeed lines, but also to the so-called conventional rail, subways and tramways. Due to the fact that even today, propagation in tunnels and influence of car bodies is far from being full-studied, we measured in a very exhaustive way the EM propagation in these two environments. Also, multiantenna systems are one of the basic foundations of the modern communications systems, so we experimentally verified the feasibility of using such a system in a train-towayside in a tunnel. Moreover, from the measurements carried out we proved the existence of some physical phenomena that could imply a decrease in the performance of these multiantenna systems. In third place, we have explored the influence of high-speed in the whole performance of the network, from the mobility management point-of-view. This high-speed movement is one of the most relevant challenges for the mobile communications networks. The emphasis was placed on the mobility aspects of the radio resource management. Finally, the Thesis closure is an identification of the future communication services that could provide a bigger addition of value to railways, and also the requirements that imply to mobile communications networks. For all the previous for scenarios depicted before (propagation, multiantenna systems, mobility and challenges) we provide some contributions already published (or submitted for revision or still in progress) on publications and international conferences.