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A joint analysis of coding schemes and relay deployment for energy efficient cellular networks

Parzysz, Fanny (2015). A joint analysis of coding schemes and relay deployment for energy efficient cellular networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

To satisfy consumer demand for high rate ubiquitous access, research on next-generation cellular networks mostly focused on capacity and coverage. This focus and the resulting Advanced technologies, however, bring along a staggering increase in the energy consumption, creating a pressing shift to energy-efficient designs. Within this perspective, relaying has been considered as a promising and cost-efficient technique, and algorithms for optimal relay deployment have attracted significant attention. To date, analysis for relaying energy consumption is mostly based on suboptimal coding schemes or schemes optimized for rate. In this manuscript-based thesis, we investigate the various advantages provided by energy-optimized coding schemes, notably in terms of efficient relay deployment.

In the first part, we characterize the minimal energy consumption that can be expected from decode-forward relaying. To this end, we design a novel practical half-duplex relaying coding scheme and propose several optimal power allocations to minimize its energy consumption. From a theoretical aspect, an important result is that minimizing the network energy consumption is not equivalent to maximizing the network capacity as often believed. Furthermore, such energy efficiency approach has a certain benefit over the classical maximum-rate approach since it leads to the closed-form solution of the optimal power allocation and allows a comprehensive description of the optimal coding.

In the second part, we explore energy-efficient relay deployment and analyze how the propagation environment, user transmission rate and relay coding scheme affect the choice of relay location and the network performance. We highlight new trade-offs which balance coverage extension, energy consumption and deployment flexibility. We then show that advanced coding schemes can easily overcome harsh radio environments due to suboptimal location, and thus provide a much needed flexibility to the relay deployment.

In the third part, we investigate the maximum energy gain provided by relay stations in shadowing environments, accounting for the relay-generated interference and additional circuitry energy consumption. We propose easily-computable models for the energy-optimized cell area served by relays and define a new performance metric that jointly captures both aspects of energy and interference. We then highlight a trade-off between the relaying energy efficiency and the resulted interference and show that, despite its increased circuitry consumption, the use of partial decode-forward instead of the simple two-hop relaying not only alleviates the interference issue, but also leads to a reduction in the number of relays necessary to reach same performance.

Titre traduit

Analyse de l'interdépendance entre codage et position des relais pour des réseaux cellullaires économes en énergie

Résumé traduit

Afin de satisfaire la demande des clients à un accès haut débit en tout lieu, les recherches se sont essentiellement concentrées sur la capacité et la couverture des futurs réseaux cellulaires. Mais les avancées technologiques qui ont résulté d’un tel objectif se sont accompagnées d’une très forte hausse de la consommation d’énergie, si bien qu’il est devenu urgent de développer de nouvelles techniques économes en énergie. Dans cette optique, les relais sont considérés comme très prometteurs, pour un coût concurrentiel, et de nombreux algorithmes ont été proposés pour optimiser la position des nouvelles stations. A ce jour pourtant, les analyses de performance des relais se fondent sur des codes sous-optimaux ou optimisés pour le débit. Cette thèse par articles a donc pour but d’étudier les avantages apportés par des codages explicitement optimisés pour l’énergie, en vue de faciliter le déploiement de nouveaux relais.

Dans une première partie, nous déterminons l’énergie minimale consommée par un relai qui décode puis retransmet les données (decode-forward), mais qui ne peut transmettre et recevoir simultanément (half-duplex). Pour cela, nous développons un nouveau codage, ainsi que plusieurs allocations de puissance pour minimiser la consommation d’énergie. Un résultat théorique important montre que minimiser l’énergie du réseau n’est pas équivalent à maximiser sa capacité, comme souvent admis. De plus, une telle approche énergétique démontre un avantage certain par rapport à l’approche classique par la capacité, puisqu’elle permet d’obtenir une solution explicite pour l’allocation de puissance optimale et de caractériser complètement le schéma de codage correspondant.

Dans une deuxième partie, nous abordons les économies d’énergie qui peuvent être réalisées en optimisant le positionnement des relais. Nous analysons de quelle manière l’environnement de propagation radio, le débit de transmission de l’usager et le codage utilisé affectent le choix de l’emplacement du relai et les performances du réseau. Nous soulignons alors de nouveaux compromis mettant en relation l’extension de couverture, la consommation d’énergie et la facilité de déploiement. L’utilisation de codages optimisés apporte une plus grande robustesse face aux dégradations du canal propagation, dues par exemple à un emplacement peu satisfaisant. De tels codages offrent donc beaucoup de flexibilité dans le positionnement des relais.

Dans une troisième partie, nous étudions une nouvelle fois le gain d’énergie maximale permis par un relai dans un environnement à ombrage log-normal, mais en tenant compte cette fois-ci de l’interférence supplémentaire qu’il génère et de l’énergie additionnelle dissipée par l’électronique. Nous développons pour cela des modèles mathématiques pour calculer aisément la zone de la cellule servie par le relai et proposons une nouvelle métrique de performance qui relie le gain en énergie à la perte en interférence. Puis, sur la base de cette analyse, nous mettons à jour le compromis qui existe entre ces deux mesures de performance des réseaux. Malgré une dissipation d’énergie dans les circuits électroniques accrue, l’utilisation de codages optimisés, au lieu d’une simple transmission en deux sauts, permet non seulement d’atténuer les dégradations de performance dues aux interférences, mais aussi de réduire le nombre de relais nécessaires pour atteindre les mêmes performances.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 191-203.
Mots-clés libres: Téléphonie cellulaire Antennes-relais Consommation d'énergie. Programmation (Informatique) Téléphonie cellulaire Antennes-relais Localisation. Radiofréquences Attribution. Radiocommunications mobiles Économies d'énergie. efficacité énergétique, déploiement de relais, réseaux cellulaires, allocation de puissance optimisée, modèles spatiaux pour l’analyse des performances
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gagnon, François
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Vu, Mai
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 29 sept. 2015 20:47
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:59
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1516

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