Energy-aware resource allocation in next generation wireless networks : application in large-scale MIMO Systems

Hamdi, Rami (2018). Energy-aware resource allocation in next generation wireless networks : application in large-scale MIMO Systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this thesis, we investigate the resource allocation problem for wireless networks that incorporate large-scale multiple-input multiple-output (MIMO) systems. These systems are considered as key technologies for future 5G wireless networks and are based on using few hundreds of antennas simultaneously to serve tens of users in the same time-frequency resource. The gains obtained by large-scale MIMO systems cannot be fully exploited without adequate resource allocation strategies. Hence, the aim of this thesis is to develop energy-aware resource allocation solutions for large-scale MIMO systems that take into consideration network power cost.

Firstly, this thesis investigates the downlink of a base station equipped with large-scale MIMO system while taking into account a non-negligible transmit circuit power consumption. This consumption involves that activating all RF chains does not always necessarily achieve the maximum sum-rate. Thus, we derive the optimal number of activated RF chains. In addition, efficient antenna selection, user scheduling and power allocation algorithms in term of instantaneous sum-rate are proposed and compared. Also, fairness is investigated by considering equal receive power among users.

Secondly, this thesis investigates a large-scale MIMO system that incorporates energy harvesting that is a promising key technology for greening future wireless networks since it reduces network operation costs and carbon footprints. Hence, we consider distributed large-scale MIMO systems made up of a set of remote radio heads (RRHs), each of which is powered by both an independent energy harvesting source and the grid. The grid energy source allows to compensate for the randomness and intermittency of the harvested energy. Optimal on-line and off-line energy management strategies are developed. In addition, on-line energy management algorithm based on energy prediction is devised. The feasibility problem is addressed by proposing an efficient link removal algorithm and for better energy efficiency, RRH on/off operation is investigated.

Thirdly, wireless backhauling was proposed as an alternative solution that enable low-cost connection between the small base stations and the macro base station in heterogeneous networks (HetNets). The coexistence of massive MIMO, HetNets and wireless backhauling is a promising research direction since massive MIMO is a suitable solution to enable wireless backhauling. Thus, we propose a new transmission technique that is able to efficiently manage the interference in heterogeneous networks with massive MIMO wireless backhaul. The optimal time splitting parameter and the allocated transmit power are derived. The proposed transmission technique is shown to be more efficient in terms of transmit power consumption than the conventional reverse time division duplex with bandwidth splitting.

In this thesis, we developed efficient resource allocation solutions related to system power for wireless networks that incorporate large-scale MIMO systems under different assumptions and network architectures. The results in this thesis can be expanded by investigating the research problems given at the end of the dissertation.

Titre traduit

Allocation éco-énergétique de ressources dans les futurs réseaux sans fil : application aux systèmes multi-antennes à grande échelle

Résumé traduit

Dans cette thèse, on étudie le problème d’allocation de ressources pour les réseaux sans fil qui intègrent des systèmes multi-entrées multi-sorties (MIMO) à grande échelle. Ces systèmes sont considérés comme des technologies clés pour les futurs réseaux sans fil 5G et sont basés sur l’instauration de centaines d’antennes pour desservir simultanément des dizaines d’utilisateurs sur les mêmes ressources temps-fréquence. Les gains obtenus par les systèmes MIMO à grande échelle ne peuvent être pleinement exploités sans des stratégies adéquates d’allocation de ressources. Par conséquent, le but de cette thèse est de développer des solutions d’allocation de ressources pour les systèmes MIMO à grande échelle en considérant le coût énergétique du réseau.

Dans un premier temps, cette thèse étudie la liaison descendante d’une station de base équipée d’un système MIMO à grande échelle tout en prenant en compte la consommation de l’énergie par le circuit des chaînes RF. Cette consommation d’énergie par le circuit implique que le debit maximal n’est pas atteint en activant toutes les chaînes RF. Ainsi, nous dérivons le nombre optimal de chaînes RF activées. De plus, des algorithmes efficaces de sélection d’antennes, d’ordonnancement d’utilisateurs et d’allocation de puissance qui maximisent le débit sont proposes et comparés. En outre, l’équité est étudiée en considérant une puissance de reception égale entre les utilisateurs.

Par la suite, on étudie dans cette thèse un système MIMO distribué à grande échelle alimenté par des sources d’énergie récoltée. Les stratégies optimales de gestion de l’énergie on-line et off-line sont proposées. De plus, un algorithme de gestion d’énergie on-line basé sur la prediction d’énergie est proposé. Le problème de faisabilité est abordé en proposant un algorithme efficace de suppression de liens. Enfin, pour une meilleure efficacité énergétique, la selection d’antenne dans ce système est incorporée.

Le réseau dorsal (backhaul) sans fil représente une solution alternative permettant une connexion à faible coût entre les stations de base micro et la station de base macro dans les réseaux hétérogènes. La coexistence entre MIMO à grande échelle, les réseaux hétérogènes et le réseau d’amenée sans fil est une voie de recherche prometteuse. Ainsi, on propose une nouvelle technique de transmission capable de gérer efficacement les interférences dans les réseaux hétérogènes. Le paramètre de division temporelle optimal et la puissance d’émission allouée sont dérivés. La technique de transmission proposée s’avère plus efficace en termes de consommation d’énergie que la technique conventionnelle à division de temps inverse avec division de bande passante.

Dans cette thèse, on a développé des solutions efficaces d’allocation de ressources liées à la consommation énergétique du système pour les réseaux sans fil qui intègrent des systèmes MIMO à grande échelle sous différentes hypothèses et architectures du réseau. Les résultats de cette thèse peuvent être élargis en étudiant d’autres problèmes de recherche mentionnés à la fin de ce document.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 115-123.
Mots-clés libres:	système MIMO à grande échelle, allocation de ressources, énergie récoltée, gestion de l’énergie, réseaux hétérogènes, réseau d’amenée sans fil, gestion de l’interférence
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ajib, Wessam
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	21 févr. 2019 21:30
Dernière modification:	21 févr. 2019 21:30
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2208

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