Energy efficiency-spectral efficiency tradeoff in interference-limited wireless networks

par Ahmad Mahbubul Alam

Thèse de doctorat en Traitement du Signal et de l'Image

Sous la direction de Xavier Lagrange.

Soutenue le 30-03-2017

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (Comue) , Institut d'électronique et de télécommunications (Rennes) (laboratoire) , Bretagne. Conseil régional (Administration) , Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes / IETR (laboratoire) et de Laboratoire Syscom / Lab. Syscom (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Compromis efficacité énergétique et spectrale dans les réseaux sans fil limités par les interférences


  • Résumé

    L'une des stratégies utilisée pour augmenter l'efficacité spectrale (ES) des réseaux cellulaires est de réutiliser la bande de fréquences sur des zones relativement petites. Le problème majeur dans ce cas est un plus grand niveau d'interférence, diminuant l'efficacité énergétique (EE). En plus d'une plus grande largeur de bande, la densification des réseaux (cellules de petite taille ou multi-utilisateur à entrées multiples et sortie unique, MU-EMSO), peut augmenter l'efficacité spectrale par unité de surface (ESuS). La consommation totale d'énergie des réseaux sans fil augmente en raison de la grande quantité de puissance de circuit consommée par les structures de réseau denses, réduisant l'EE. Dans cette thèse, la région EE-SE est caractérisé dans un réseau cellulaire hexagonal en considérant plusieurs facteurs de réutilisation de fréquences (FRF), ainsi que l'effet de masquage. La région EE-ESuS est étudiée avec des processus de Poisson ponctuels (PPP) pour modéliser un réseau MU-EMSO avec un précodeur à rapport signal sur fuite plus bruit (RSFB). Différentes densités de station de base (SB) et nombre d'antennes aux SB avec une consommation d'énergie statique sont considérées.Nous caractérisons d'abord la région EE-SE dans le réseau cellulaire hexagonal pour différentes FRF, avec et sans masquage. Avec le masquage en plus de la perte de propagation, la mesure de coupure ε-EE-ES est proposée pour évaluer les performances. Les courbes EE-ES présentent une grande partie linéaire, due à la consommation de puissance statique, suivie d'une forte diminution de l'EE, puisque le réseau est homogène et limité par les interférences. Les résultats montrent qu'un FRF de 1 pour les régions proches de la SB et des FRF plus élevés dans la région plus proche du bord de la cellule améliorent le point optimal du EE-ES. De plus, un meilleur compromis EE-ES peut être obtenu avec une valeur plus élevée de coupure. En outre, un FRF de 1 est le meilleur choix pour une valeur élevée de coupure en raison d'une réduction du rapport signal sur interférence plus bruit (RSIB).Les précodeurs sont utilisés en liaison descendante des réseaux cellulaires MU-EMSO à accès multiple par division spatiale (AMDS) pour améliorer le RSIB. La géométrie stochastique a été utilisée intensivement pour analyser de tels systèmes complexes. Nous obtenons une expression analytique de l'ESuS en régime asymptotique, c.-à-d. nombre d'antennes et d'utilisateurs infinis, en utilisant des résultats de matrices aléatoires et de géométrie stochastique. Les SBs et les utilisateurs sont modélisés par deux PPP indépendants et le précodage RSFB est utilisé. L'EE est dérivée d'un modèle de consommation de puissance linéaire. Les simulations de Monte Carlo montrent que les expressions analytiques sont précises même pour un nombre faible d'antennes et d'utilisateurs. De plus, les courbes d'EE-ESuS ont une grande partie linéaire avant une forte décroissante de l'EE, comme pour les réseaux hexagonaux. Les résultats montrent également que le précodeur RSFB offre de meilleurs performances que le précodeur forçage à zéro (FZ), qui est typiquement utilisé dans la literature. Les résultats numériques pour le précodeur RSFB montrent que déployer plus de SBs ou d'antennes aux BSs augmente l'ESuS, mais que le gain dépend du rapport des densités SB-utilisateurs et du nombre d'antennes lorsque la densité de l'utilisateur est fixe. L'EE augmente seulement lorsque l'augmentation de l'ESuS est plus importante que l'augmentation de la consommation d'énergie par unité de surface. D'autre part, lorsque la densité d'utilisateur augmente, l'ESuS dans la région limitée par les interférences peut être améliorée en déployant davantage de SB sans sacrifier l'EE et le débit ergodique des utilisateurs.


  • Résumé

    One of the used strategies to increase the spectral efficiency (SE) of cellular network is to reuse the frequency bandwidth over relatively small areas. The major issue in this case is higher interference, decreasing the energy efficiency (EE). In addition to the higher bandwidth, densification of the networks (e.g. small cells or multi-user multiple input single output, MU-MISO) potentially increases the area spectral efficiency (ASE). The total energy consumption of the wireless networks increases due to the large amount of circuit power consumed by the dense network structures, leading to the decrease of EE. In this thesis, the EE-SE achievable region is characterized in a hexagonal cellular network considering several frequency reuse factors (FRF), as well as shadowing. The EE-ASE region is also studied using Poisson point processes (PPP) to model the MU-MISO network with signal-to-leakage-and-noise ratio (SLNR) precoder. Different base station (BS) densities and different number of BS antennas with static power consumption are considered.The EE-SE region in a hexagonal cellular network for different FRF, both with and without shadowing is first characterized. When shadowing is considered in addition to the path loss, the ε-SE-EE tradeoff is proposed as an outage measure for performance evaluation. The EE-SE curves have a large linear part, due to the static power consumption, followed by a sharp decreasing EE, since the network is homogeneous and interference-limited. The results show that FRF of 1 for regions close to BS and higher FRF for regions closer to the cell edge improve the EE-SE optimal point. Moreover, better EE-SE tradeoff can be achieved with higher outage values. Besides, FRF of 1 is the best choice for very high outage value due to the significant signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) decrease.In downlink, precoders are used in space division multiple access (SDMA) MU-MISO cellular networks to improve the SINR. Stochastic geometry has been intensively used to analyse such a complex system. A closed-form expression for ASE in asymptotic regime, i.e. number of antennas and number of users grow to infinity, has been derived using random matrix theory and stochastic geometry. BSs and users are modeled by two independent PPP and SLNR precoder is used at BS. EE is then derived from a linear power consumption model. Monte Carlo simulations show that the analytical expressions are tight even for moderate number of antennas and users. Moreover, the EE-ASE curves have a large linear part before a sharply decreasing EE, as observed for hexagonal network. The results also show that SLNR outperforms the zero-foring (ZF) precoder, which is typically used in literature. Numerical results for SLNR show that deploying more BS or a large number of BS antennas increase ASE, but the gain depends on the BS-user density ratio and on the number of antennas when user density is fixed. EE increases only when the increase in ASE dominates the increase of the power consumption per unit area. On the other hand, when the user density increases, ASE in interference-limited region can be improved by deploying more BS without sacrificing EE and the ergodic rate of the users.


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