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Energy efficiency optimization in wireless communications employing multiple antennas and realistic power consumption model

In this work we focus on the energy efficiency in wireless communication networks, especially comparing the advantages of the antenna selection (AS) technique among other multiple-input multiple-output (MIMO) techniques. Therefore, we discuss two different network scenarios: first considering a smal...

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Autor principal:	Martinez, Roberto Wilhelm Krauss
Formato:	Tese
Idioma:	Inglês
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2020
Assuntos:	Sistemas de comunicação sem fio Antenas (Eletrônica) Redes locais sem fio - Consumo de energia Energia - Consumo Sistema MIMO (Programa de computador) Otimização matemática Métodos de simulação Engenharia elétrica Wireless communication systems Antennas (Electronics) Wireless LANs - Energy consumption Energy consumption MIMO systems - Computer programs Mathematical optimization Simulation methods Electric engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4645
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id	riut-1-4645
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spelling	riut-1-46452020-01-18T06:00:45Z Energy efficiency optimization in wireless communications employing multiple antennas and realistic power consumption model Otimização da eficiência energética em comunicações sem fio empregando múltiplas antenas e modelo realista de consumo de energia Martinez, Roberto Wilhelm Krauss Brante, Glauber Gomes de Oliveira http://lattes.cnpq.br/8347190422243353 Peron, Guilherme de Santi http://lattes.cnpq.br/7845448730478685 Mariano, André Augusto http://lattes.cnpq.br/2247619809331876 Brante, Glauber Gomes de Oliveira http://lattes.cnpq.br/8347190422243353 Rebelatto, João Luiz http://lattes.cnpq.br/8633387185514637 Pellenz, Marcelo Eduardo http://lattes.cnpq.br/6834497622047154 Souza, Richard Demo http://lattes.cnpq.br/6825512654223870 Sistemas de comunicação sem fio Antenas (Eletrônica) Redes locais sem fio - Consumo de energia Energia - Consumo Sistema MIMO (Programa de computador) Otimização matemática Métodos de simulação Engenharia elétrica Wireless communication systems Antennas (Electronics) Wireless LANs - Energy consumption Energy consumption MIMO systems - Computer programs Mathematical optimization Simulation methods Electric engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica In this work we focus on the energy efficiency in wireless communication networks, especially comparing the advantages of the antenna selection (AS) technique among other multiple-input multiple-output (MIMO) techniques. Therefore, we discuss two different network scenarios: first considering a small base stations (SBS) deployment, and then a device-to-device (D2D) network deployment. In the small SBS scenario we analyze the area energy efficiency (AEE) for antenna selection (AS), maximal ratio transmission (MRT) and spatial multiplexing (SM) techniques. We also employ different interference cancellation levels and a realistic power consumption model. We derive the mathematical representation and our results show that AS has a larger AEE among the other techniques when the demand for system capacity is low, while SM becomes more energy efficient when the demanded capacity is larger. However we observe that AS has more AEE for short distances, which is due to the lower energy consumed by the Radio Frequency (RF) chains in every node. Yet, we can conclude that the system performance with small SBS, in terms of AEE, is strongly dependent on the amount of interference, which at the same time depends on the power consumption model. In addition, our second scenario is the D2D communication network, where we examine the AS technique in comparison with MRT. Furthermore, we also assume that the D2D nodes are distributed according to a homogeneous Poisson process (PPP), which interfere with each other, i.e., share the same spectrum, and they employ a limited number of feedback bits. Therefore, in the numerical result we also observe MRT technique is more spectral efficient than AS regardless of the number of interfering nodes in the area. On the other hand, the distance of the D2D pair has a larger impact in increasing the AEE of the network, with AS outperforming MRT even when the latter employs a larger number of feedback bits. It is also noteworthy the performance of AS in comparison to MRT for short distances when the number of transmit antennas increases, i.e., despite providing higher data rate, measured in terms of the spectral efficiency, the increased number of antennas for MRT does not considerably compromises its energy efficiency. Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Neste trabalho, nos concentramos na eficiência energética em redes de comunicação sem fio, especialmente comparando as vantagens da técnica de seleção de antenas (AS, Antenna selection) com outras técnicas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO, Multipleinput multiple-output). Portanto, discutimos dois cenários modernos de rede: primeiro consideramos a implantação estações rádio base de pequeno porte (SBS, Small base stations) e, em seguida, uma implantação de rede de dispositivo-a-dispositivo (D2D, Device-to-device). No cenário de SBS, analisamos a eficiência energética por área (AEE, Area energy efficiency) para as técnicas de seleção de antenas (AS), máxima razão na transmissão (MRT, Maximal ratio transmission) e multiplexação espacial (SM, Spatial multiplexing). Também empregamos diferentes níveis de atenuação de interferência e um modelo realista de consumo de energia. A partir desse cenário apresentamos a representação matemática e nossos resultados mostram que o AS tem maior AEE que as outras técnicas quando a demanda por capacidade do sistema é baixa, enquanto o SM se torna mais eficiente energeticamente quando a capacidade demandada é maior. No entanto, observamos que o AS tem mais eficiência energética por área para distâncias curtas, isso se deve à menor energia consumida pela cadeia de RF (RF, Radio Frequency) em todos os nós. Ainda, podemos concluir que o desempenho do sistema com pequenas SBS, em termos de AEE, é fortemente dependente da quantidade de interferência, que ao mesmo tempo depende do modelo de consumo de energia. Ademais, no cenário de comunicação D2D examinamos a técnica AS em comparação com a técnica MRT. Além disso, também assumimos que os nós D2D estão distribuídos de acordo com um processo de Poisson homogêneo (PPP, Poisson point process), os quais interferem uns com os outros. Em outras palavras, eles compartilham o mesmo espectro e empregam um número limitado de bits de feedback. Assim, os resultados numéricos mostram que a técnica de MRT possui maior eficiência espectral que o AS para um mesmo número de nós interferentes em uma determinada área. Por outro lado, a distância do par D2D tem um impacto maior no aumento da eficiência energética da área para a rede. Além disso, para curtas distâncias o esquema AS tem melhor desempenho em comparação ao MRT, mesmo quando esse último emprega um número maior de bits de feedback. É notavel o melhor desempenho do AS em comparação ao MRT para distâncias curtas quando o número de antenas de transmissão aumenta, ou seja, apesar de proporcionar maior taxa de dados, o aumento do número de antenas no MRT não compromete consideravelmente sua eficiência energética. 2020-01-17T21:40:16Z 2020-01-17T21:40:16Z 2019-09-27 doctoralThesis MARTINEZ, Roberto Wilhelm Krauss. Energy efficiency optimization in wireless communications employing multiple antennas and realistic power consumption model. 2019. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4645 eng openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR
institution	Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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topic	Sistemas de comunicação sem fio Antenas (Eletrônica) Redes locais sem fio - Consumo de energia Energia - Consumo Sistema MIMO (Programa de computador) Otimização matemática Métodos de simulação Engenharia elétrica Wireless communication systems Antennas (Electronics) Wireless LANs - Energy consumption Energy consumption MIMO systems - Computer programs Mathematical optimization Simulation methods Electric engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica
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description	In this work we focus on the energy efficiency in wireless communication networks, especially comparing the advantages of the antenna selection (AS) technique among other multiple-input multiple-output (MIMO) techniques. Therefore, we discuss two different network scenarios: first considering a small base stations (SBS) deployment, and then a device-to-device (D2D) network deployment. In the small SBS scenario we analyze the area energy efficiency (AEE) for antenna selection (AS), maximal ratio transmission (MRT) and spatial multiplexing (SM) techniques. We also employ different interference cancellation levels and a realistic power consumption model. We derive the mathematical representation and our results show that AS has a larger AEE among the other techniques when the demand for system capacity is low, while SM becomes more energy efficient when the demanded capacity is larger. However we observe that AS has more AEE for short distances, which is due to the lower energy consumed by the Radio Frequency (RF) chains in every node. Yet, we can conclude that the system performance with small SBS, in terms of AEE, is strongly dependent on the amount of interference, which at the same time depends on the power consumption model. In addition, our second scenario is the D2D communication network, where we examine the AS technique in comparison with MRT. Furthermore, we also assume that the D2D nodes are distributed according to a homogeneous Poisson process (PPP), which interfere with each other, i.e., share the same spectrum, and they employ a limited number of feedback bits. Therefore, in the numerical result we also observe MRT technique is more spectral efficient than AS regardless of the number of interfering nodes in the area. On the other hand, the distance of the D2D pair has a larger impact in increasing the AEE of the network, with AS outperforming MRT even when the latter employs a larger number of feedback bits. It is also noteworthy the performance of AS in comparison to MRT for short distances when the number of transmit antennas increases, i.e., despite providing higher data rate, measured in terms of the spectral efficiency, the increased number of antennas for MRT does not considerably compromises its energy efficiency.
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Energy efficiency optimization in wireless communications employing multiple antennas and realistic power consumption model

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