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Resource allocation in future green wireless networks : applications and challenges

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Tran, Ha Vu (2019). Resource allocation in future green wireless networks : applications and challenges. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Over the past few years, green radio communication has been an emerging topic since the footprint from the Information and Communication Technologies (ICT) is predicted to increase 7.3% annually and then exceed 14% of the global footprint by 2040. Moreover, the explosive progress of ICT, e.g., the fifth generation (5G) networks, has resulted in expectations of achieving 10-fold longer device battery lifetime, and 1000-fold higher global mobile data traffic over the fourth generation (4G) networks. Therefore, the demands for increasing the data rate and the lifetime while reducing the footprint in the next-generation wireless networks call for more efficient utilization of energy and other resources. To overcome this challenge, the concepts of small-cell, energy harvesting, and wireless information and power transfer networks can be evaluated as promising solutions for re-greening the world.

In this dissertation, the technical contributions in terms of saving economical cost, protecting the environment, and guaranteeing human health are provided. More specifically, novel communication scenarios are proposed to minimize energy consumption and hence save economic costs. Further, energy harvesting (EH) techniques are applied to exploit available green resources in order to reduce carbon footprint and then protect the environment. In locations where implemented user devices might not harvest energy directly from natural resources, base stations could harvest-and-store green energy and then use such energy to power the devices wirelessly. However, wireless power transfer (WPT) techniques should be used in a wise manner to avoid electromagnetic pollution and then guarantee human health. To achieve all these aspects simultaneously, this thesis proposes promising schemes to optimally manage and allocate resources in future networks.

Given this direction, in the first part, Chapter 2 mainly studies a transmission power minimization scheme for a two-tier heterogeneous network (HetNet) over frequency selective fading channels. In addition, the HetNet backhaul connection is unable to support a sufficient throughput for signaling an information exchange between two tiers. A novel idea is introduced in which the time reversal (TR) beamforming technique is used at a femtocell while zero-forcing-based beamforming is deployed at a macrocell. Thus, a downlink power minimizationscheme is proposed, and optimal closed-form solutions are provided.

In the second part, Chapters 3, 4, and 5 concentrate on EH and wireless information and power transfer (WIPT) using RF signals. More specifically, Chapter 3 presents an overview of the recent progress in green radio communications and discusses potential technologies for some emerging topics on the platforms of EH and WPT. Chapter 4 develops a new integrated information and energy receiver architecture based on the direct use of alternating current (AC) for computation. It is shown that the proposed approach enhances not only the computational ability but also the energy efficiency over the conventional one. Furthermore, Chapter 5 proposes a novel resource allocation scheme in simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) networks where three crucial issues: power-efficient improvement, user-fairness guarantee, and non-ideal channel reciprocity effect mitigation, are jointly addressed. Hence, novel methods to derive optimal and suboptimal solutions are provided.

In the third part, Chapters 6, 7, and 8 focus on simultaneous lightwave information and power transfer (SLIPT) for indoor applications, as a complementary technology to RF SWIPT. In this research, Chapter 6 investigates a hybrid RF/visible light communication (VLC) ultrasmall cell network where optical transmitters deliver information and power using the visible light, whereas an RF access point works as a complementary power transfer system. Thus, a novel resource allocation scheme exploiting RF and visible light for power transfer is devised. Chapter 7 proposes the use of lightwave power transfer to enable future sustainable Federated Learning (FL)-based wireless networks. FL is a new data privacy protection technique for training shared machine learning models in a distributed approach. However, the involvement of energy-constrained mobile devices in the construction of the shared learning models may significantly reduce their lifetime. The proposed approach can support the FL-based wireless network to overcome the issue of limited energy at mobile devices. Chapter 8 introduces a novel framework for collaborative RF and lightwave power transfer for wireless communication networks. The constraints on the transmission power set by safety regulations result in significant challenges to enhance the power transfer performance. Thus, the study of technologies complementary to conventional RF SWIPT is essential. To cope with this isue, this chapter proposes a novel collaborative RF and lightwave power transfer technology for next-generation wireless networks.

Titre traduit

Allocation optimale des ressources dans les futures réseaux sans fil verts : applications et défis

Résumé traduit

Au cours des récentes dernières années, les réseaux sans fil vertes sont devenues un sujet émergent vu que l’empreinte carbone des technologies de l’information et de la communication (TIC) devrait, selon les prévisions, augmenter annuellement de 7,3%, puis dépasser 14% l’empreinte globale d’ici 2040. De plus, la croissance explosive des TICs, par exemple la cinquième génération de réseaux mobiles (5G), prévoit d’atteindre dix fois plus de durée de vie pour les batteries des appareils et mille fois plus de trafics de données dans les réseaux mobiles par rapport à la quatrième génération de réseaux mobiles (4G). Les demandes d’augmentation du débit de données et de la durée de vie des batteries tout en réduisant l’empreinte carbone des réseaux sans fil de nouvelles générations requièrent une utilisation plus efficace de l’énergie et bien d’autres ressources. Pour relever ce défi, les concepts de small-cell, energy harvesting, et les transferts sans fil de données et d’énergie électrique devraient être considérés comme solutions prometteuses pour reverdir le monde.

Dans cette thèse, les contributions techniques en termes de réduction du coût économique, de protection des environnements et de garantie de la santé humaine sont fournies. Plus spécifiquement, de nouveaux scénarios de communication sont proposés pour minimiser la consommation d’énergie et ainsi réduire les coûts économiques. De plus, des techniques de recueillement de l’énergie (EH) sont utilisées pour exploiter des ressources vertes disponibles afin de réduire l’empreinte carbone et ainsi protéger l’environnement. Dans les endroits où les appareils utilisateurs implémentés ne pourraient pas récupérer l’énergie directement des ressources naturelles, les stations de base pourraient récupérer et stocker l’énergie verte et ensuite utiliser cette énergie pour alimenter sans fil les appareils. Cependant, les techniques de transfert sans fil d’énergie électrique (WPT) devraient être utilisées de manière prudente pour éviter la pollution électromagnétique et ainsi garantir la santé humaine. Pour atteindre tous les aspects simultanément, cette thèse propose des schémas prometteurs pour la gestion et l’allocation optimale des ressources dans les réseaux futurs.

Dans la première partie, le chapitre 2 étudie principalement un schéma de minimisation de la puissance de transmission pour un réseau 2-tiers hétérogène sur des canaux à évanouissements sélectifs en fréquence. De plus, l’interconnexion de réseaux hétérogènes n’est pas capable de supporter un débit suffisant pour communiquer un échange d’informations entre deux tiers. Une idée novatrice est introduite dans laquelle la technique “time reversal (TR) beamforming” est utilisée sur une femtocellule, tandis que la technique “zero-forcing-based beamforming” est déployée sur une macrocellule. Ainsi, un schéma de minimisation de la puissance de liaison descendante est proposé et des solutions analytiques optimales sont fournies.

Dans la deuxième partie, les chapitres 3, 4 et 5 se concentrent sur le EH et le transfert sans fil d’informations et d’énergie électrique en utilisant des signaux fréquence radio (RF). Plus précisément, le chapitre 3 présente un aperçu des progrès récents en matière de radiocommunications vertes et examine les technologies potentielles pour certains thèmes émergents sur les plateformes EH et WPT. Le chapitre 4 développe une nouvelle architecture intégrée de récepteurs d’information et d’énergie basée sur l’utilisation directe du courant alternatif pour le calcul. Il est des montré que l’approche proposée améliore non seulement la capacité de calcul, mais également l’efficacité énergétique par rapport à l’approche conventionnelle. En outre, le chapitre 5 propose un nouveau schéma d’allocation de ressources dans les réseaux de transfert sans fil simultané d’information et d’énergie électrique où trois problèmes cruciaux sont traités conjointement: l’amélioration de l’efficacité énergétique, la garantie d’équité des utilisateurs et l’atténuation de l’effet de réciprocité de canal non idéal. Par conséquent, de nouvelles méthodes permettant de déduire des solutions optimales et sous-optimales seront fournies.

Dans la troisième partie, les chapitres 6, 7 et 8 se concentrent sur le transfert simultané d’information par ondes lumineuses et énergie électrique (SWIPT) pour des applications intérieures, en tant que technologie complémentaire au SWIPT RF. Dans cette recherche, le chapitre 6 étudie un réseau à cellules ultra-petites de communication hybride radio fréquence/lumière visible dans lequel des émetteurs optiques acheminent l’information et l’énergie électrique en utilisant la lumière visible, tandis qu’un point d’accès radio fréquence travaille comme un système complémentaire de transfert d’énergie électrique. Ainsi, un nouveau schéma d’allocation de ressource exploitant la radio fréquence et la lumière visible pour le transfert d’énergie électrique est conçu. Le chapitre 7 propose l’utilisation du transfert d’énergie par ondes lumineuses pour permettre la mise en place future et durable des réseaux sans-fil basés sur le Federated Learning (FL). FL est une nouvelle technique de protection de la confidentialité des données pour entrainer des modèles d’apprentissage automatique partagés dans une approche distribuée. Toutefois, l’intégration d’appareils mobiles à contraintes énergétiques pour la construction des modèles d’apprentissage partagés peut réduire considérablement leur durée de vie. L’approche proposée peut prendre en charge le réseau sans fil basé sur le FL pour palier le problème de limitation d’énergie dans les appareils mobiles. Le chapitre 8 présente une nouvelle approche pour le transfert collaboratif d’énergie électrique par ondes lumineuses et radio fréquence pour les réseaux de communications sans fil. Les contraintes de puissance de transmission, fixées par les règles de sécurité, engendrent des défis importants pour améliorer la performance de transfert d’énergie électrique. Ainsi, l’étude de technologies complémentaires au SWIPT RF conventionnel est essentielle. Pour faire face à ce problème, ce chapitre propose une nouvelle technologie collaborative de transfert d’énergie électrique par ondes lumineuses et radio fréquence pour les réseaux sans fil de prochaine génération.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 223-238).
Mots-clés libres: communications vertes, réseau hétérogène, recueillement de l’énergie, transfert sans fil d’énergie électrique, internet des objets
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kaddoum, Georges
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 25 févr. 2020 16:15
Dernière modification: 25 févr. 2020 16:15
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2458

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