Eficiência energética e espectral em redes sem fio macro-celulares : caracterização, otimização e análise de compromisso

• Main Author: Álvaro Ricieri Castro e Souza
• Other Authors: Taufik Abrão .
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Estadual de Londrina. Centro de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. 2013
• Online Access: http://www.bibliotecadigital.uel.br/document/?code=vtls000181824

Dada a crescente demanda por taxa de informação e serviços distintos, a alocação eficiente de recursos em redes sem fio torna-se uma estratégia essencial. Assim, os esforços de pesquisa atual têm sido direcionados principalmente para o crescimento da capacidade do sistema de comunicação, bem como de sua eficiência espectral (SE). Adicionalmente, a preocupação com o uso racional de recursos, principalmente energia, faz com que uma abordagem complementar seja considerada, trazendo à tona a necessidade de conciliar o problema do consumo de potência, i.e., a métrica de eficiência energética (EE), com as necessidades em termos de capacidade e qualidade de serviço (QoS). A otimização da métrica de EE consiste na maximização da quantidade de bits transmitidos para cada unidade de energia consumida pela rede, de tal forma que o sistema utilize da maneira mais eficiente e racional possível a energia disponível. De modo a atender aos requisitos de taxa e cobertura, maximizar a eficiência espectral e também considerar os requisitos dos padrões de redes sem fio macro-celulares mais recentes, este trabalho investiga o problema da alocação eficiente de potência e taxa de informação baseado no compromisso entre EE e SE, utilizando como cenário de aplicação redes de comunicações de múltiplo acesso por divisão de código (CDMA). Resultados numéricos para diversos cenários indicam que a interferência de múltiplo acesso (MAI) é um ponto crítico no uso racional dos recursos, principalmente para os usuários localizados em zonas críticas, i.e., bordas da área de cobertura. Deste modo, emprega-se os conceitos de canal relay e modo de transmissão cooperativo tendo em vista a maximização da EE. Com a utilização de estações retransmissoras fixas, com posicionamento e quantidade otimizados, obtém-se uma redução apreciável da potência necessária para a operação da rede, reduzindo assim a MAI para os usuários críticos e conduzindo, portanto, a um aumento na eficiência energética da rede. Adicionalmente, a abordagem de otimização analítica adotada na formulação do problema utiliza os recentes resultados de teoria de jogos e otimização convexa. === Given the increasing demand on rate and distinct services, the efficient resource allocation in wireless networks becomes an essential strategy. The research efforts have been directed mainly to increase system capacity, as well as the spectral efficiency (SE). Besides, the concern for the rational use of resources, mainly energy, makes a complementary approach be considered, evidencing the necessity to conciliate the energy consumption problem, i. e., the energy efficiency (EE) metric, with the necessity in terms of capacity and quality of service (QoS). The optimization of the EE metric consists in the maximization of the number of transmitted bits in each energy unit consumed by the network, such that the system uses the available energy as efficiently and rationally as possible. To satisfy the coverage and rate requirements, maximize the spectral efficiency and also consider the requirements of the most recent macro-cell wireless standards, this work investigates the problem of the efficient power and rate allocation based on the EE and SE tradeoff, considering as application scenario code division multiple access (CDMA) systems. Numerical results for several system and channel configurations indicate that the multiple access interference (MAI) is a critical point for rational use of resources, mainly for users located at critical zones, i.e. coverage area borders. This way, it is employed the concept of relay channel and cooperative transmission mode in order to maximize EE. Deploying fixed relay stations, with optimized placement and quantity, it is achieved an interesting reduction on the power consumption necessary to the network operation, reducing MAI for the critical users, and therefore increasing the overall energy efficiency. Furthermore, the adopted analytical optimization approach uses the latest results on game theory and convex optimization.