Energy-aware user scheduling for downlink multiuser-MIMO systems

In this paper we address the problem of designing a user selection algorithm in a multiuser multiple-input multipleoutput downlink scenario. Linear precoding is adopted at the transmitter and, thus, the number of users to be served at each particular scheduling period is limited by the number of available transmit and receive antennas. The adopted scheduling criterion for the user selection is based on proportional fair criterion. The novelty relies on the fact that the users are considered to have a finite battery capacity and a harvesting source that allows them to recharge their batteries dynamically. The proposed user scheduler mechanism exploits not only the channel dynamics but also the battery fluctuations. We analyze how the intensity of the energy arrivals impacts the performance of the user scheduler. Simulations results show that the average long-term rates approach the requested quality of service if the scheduler controls the amount of energy that is being used by the terminals at each scheduling period.Peer ReviewedPostprint (published version

Energy-aware user scheduling for downlink multiuser-MIMO systems

In this paper we address the problem of designing a user selection algorithm in a multiuser multiple-input multipleoutput downlink scenario. Linear precoding is adopted at the transmitter and, thus, the number of users to be served at each particular scheduling period is limited by the number of available transmit and receive antennas. The adopted scheduling criterion for the user selection is based on proportional fair criterion. The novelty relies on the fact that the users are considered to have a finite battery capacity and a harvesting source that allows them to recharge their batteries dynamically. The proposed user scheduler mechanism exploits not only the channel dynamics but also the battery fluctuations. We analyze how the intensity of the energy arrivals impacts the performance of the user scheduler. Simulations results show that the average long-term rates approach the requested quality of service if the scheduler controls the amount of energy that is being used by the terminals at each scheduling period.Peer Reviewe

Energy-aware user scheduling for downlink multiuser-MIMO systems

In this paper we address the problem of designing a user selection algorithm in a multiuser multiple-input multipleoutput downlink scenario. Linear precoding is adopted at the transmitter and, thus, the number of users to be served at each particular scheduling period is limited by the number of available transmit and receive antennas. The adopted scheduling criterion for the user selection is based on proportional fair criterion. The novelty relies on the fact that the users are considered to have a finite battery capacity and a harvesting source that allows them to recharge their batteries dynamically. The proposed user scheduler mechanism exploits not only the channel dynamics but also the battery fluctuations. We analyze how the intensity of the energy arrivals impacts the performance of the user scheduler. Simulations results show that the average long-term rates approach the requested quality of service if the scheduler controls the amount of energy that is being used by the terminals at each scheduling period.Peer Reviewe

D13.2 Techniques and performance analysis on energy- and bandwidth-efficient communications and networking

Deliverable D13.2 del projecte europeu NEWCOM#The report presents the status of the research work of the various Joint Research Activities (JRA) in WP1.3 and the results that were developed up to the second year of the project. For each activity there is a description, an illustration of the adherence to and relevance with the identified fundamental open issues, a short presentation of the main results, and a roadmap for the future joint research. In the Annex, for each JRA, the main technical details on specific scientific activities are described in detail.Peer ReviewedPostprint (published version

Energy-driven techniques for massive machine-type communications

In the last few years, a lot of effort has been put into the development of the fifth generation of cellular networks (5G). Given the vast heterogeneity of devices coexisting in these networks, new approaches have been sought to meet all requirements (e.g., data rate, coverage, delay, etc.). Within that framework, massive machine-type communications (mMTC) emerge as a promising candidate to enable many Internet of Things applications. mMTC define a type of systems where large sets of simple and battery-constrained devices transmit short data packets simultaneously. Unlike other 5G use cases, in mMTC, a low cost and power consumption are extensively pursued. Due to these specifications, typical humantype communications (HTC) solutions fail in providing a good service. In this dissertation, we focus on the design of energy-driven techniques for extending the lifetime of mMTC terminals. Both uplink (UL) and downlink (DL) stages are addressed, with special attention to the traffic models and spatial distribution of the devices. More specifically, we analyze a setup where groups of randomly deployed sensors send their (possibly correlated) observations to a collector node using different multiple access schemes. Depending on their activity, information might be transmitted either on a regular or sporadic basis. In that sense, we explore resource allocation, data compression, and device selection strategies to reduce the energy consumption in the UL. To further improve the system performance, we also study medium access control protocols and interference management techniques that take into account the large connectivity in these networks. On the contrary, in the DL, we concentrate on the support of wireless powered networks through different types of energy supply mechanisms, for which proper transmission schemes are derived. Additionally, for a better representation of current 5G deployments, the presence of HTC terminals is also included. Finally, to evaluate our proposals, we present several numerical simulations following standard guidelines. In line with that, we also compare our approaches with state-of-the-art solutions. Overall, results show that the power consumption in the UL can be reduced with still good performance and that the battery lifetimes can be improved thanks to the DL strategies.En els últims anys, s'han dedicat molts esforços al desenvolupament de la cinquena generació de telefonia mòbil (5G). Donada la gran heterogeneïtat de dispositius coexistint en aquestes xarxes, s'han buscat nous mètodes per satisfer tots els requisits (velocitat de dades, cobertura, retard, etc.). En aquest marc, les massive machine-type communications (mMTC) sorgeixen com a candidates prometedores per fer possible moltes aplicacions del Internet of Things. Les mMTC defineixen un tipus de sistemes en els quals grans conjunts de dispositius senzills i amb poca bateria, transmeten simultàniament paquets de dades curts. A diferència d'altres casos d'ús del 5G, en mMTC es persegueix un cost i un consum d'energia baixos. A causa d'aquestes especificacions, les solucions típiques de les human-type communications (HTC) no aconsegueixen proporcionar un bon servei. En aquesta tesi, ens centrem en el disseny de tècniques basades en l'energia per allargar la vida útil dels terminals mMTC. S'aborden tant les etapes del uplink (UL) com les del downlink (DL), amb especial atenció als models de trànsit i a la distribució espacial dels dispositius. Més concretament, analitzem un escenari en el qual grups de sensors desplegats aleatòriament, envien les seves observacions (possiblement correlades) a un node col·lector utilitzant diferents esquemes d'accés múltiple. Depenent de la seva activitat, la informació es pot transmetre de manera regular o esporàdica. En aquest sentit, explorem estratègies d'assignació de recursos, compressió de dades, i selecció de dispositius per reduir el consum d'energia en el UL. Per millorar encara més el rendiment del sistema, també estudiem protocols de control d'accés al medi i tècniques de gestió d'interferències que tinguin en compte la gran connectivitat d'aquestes xarxes. Per contra, en el DL, ens centrem en el suport de les wireless powered networks mitjançant diferents mecanismes de subministrament d'energia, per als quals es deriven esquemes de transmissió adequats. A més, per una millor representació dels desplegaments 5G actuals, també s'inclou la presència de terminals HTC. Finalment, per avaluar les nostres propostes, presentem diverses simulacions numèriques seguint pautes estandarditzades. En aquesta línia, també comparem els nostres enfocaments amb les solucions de l'estat de l'art. En general, els resultats mostren que el consum d'energia en el UL pot reduir-se amb un bon rendiment i que la durada de la bateria pot millorar-se gràcies a les estratègies del DL.En los últimos años, se han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de la quinta generación de telefonía móvil (5G). Dada la gran heterogeneidad de dispositivos coexistiendo en estas redes, se han buscado nuevos métodos para satisfacer todos los requisitos (velocidad de datos, cobertura, retardo, etc.). En este marco, las massive machine-type communications (mMTC) surgen como candidatas prometedoras para hacer posible muchas aplicaciones del Internet of Things. Las mMTC definen un tipo de sistemas en los cuales grandes conjuntos de dispositivos sencillos y con poca batería, transmiten simultáneamente paquetes de datos cortos. A diferencia de otros casos de uso del 5G, en mMTC se persigue un coste y un consumo de energía bajos. A causa de estas especificaciones, las soluciones típicas de las human-type communications (HTC) no consiguen proporcionar un buen servicio. En esta tesis, nos centramos en el diseño de técnicas basadas en la energía para alargar la vida ´útil de los terminales mMTC. Se abordan tanto las etapas del uplink (UL) como las del downlink (DL), con especial atención a los modelos de tráfico y a la distribución espacial de los dispositivos. Más concretamente, analizamos un escenario en el cual grupos de sensores desplegados aleatoriamente, envían sus observaciones (posiblemente correladas) a un nodo colector utilizando diferentes esquemas de acceso múltiple. Dependiendo de su actividad, la información se puede transmitir de manera regular o esporádica. En este sentido, exploramos estrategias de asignación de recursos, compresión de datos, y selección de dispositivos para reducir el consumo de energía en el UL. Para mejorar todavía más el rendimiento del sistema, también estudiamos protocolos de control de acceso al medio y técnicas de gestión de interferencias que tengan en cuenta la gran conectividad de estas redes. Por el contrario, en el DL, nos centramos en el soporte de las wireless powered networks mediante diferentes mecanismos de suministro de energía, para los cuales se derivan esquemas de transmisión adecuados. Además, para una mejor representación de los despliegues 5G actuales, también se incluye la presencia de terminales HTC. Finalmente, para evaluar nuestras propuestas, presentamos varias simulaciones numéricas siguiendo pautas estandarizadas. En esta línea, también comparamos nuestros enfoques con las soluciones del estado del arte. En general, los resultados muestran que el consumo de energía en el UL puede reducirse con un buen rendimiento y que la duración de la batería puede mejorarse gracias a las estrategias del DLPostprint (published version

Resource management techniques for sustainable networks with energy harvesting nodes

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICThis dissertation proposes novel techniques for assigning resources of wireless networks by considering that the coverage radii are small, implying that some power consumption sinks not considered so far shouldnow be introduced, and by considering that the devices are battery-powered terminals provided with energy harvesting capabilities. In this framework, two different configurations in terms of harvesting capabilities are considered. First, we assume that the energy source is external and not controllable, e.g. solar energy. In this context, the proposed design should adapt to the energy that is currently being harvested. We also study the effect of having a finite backhaul connection that links the wireless access network with the core network. On the other hand, we propose a design in which the transmitter feeds actively the receivers with energy by transmitting signals that receivers use for recharging their batteries. In this case, the power transfer design should be carried out jointly with the power control strategy for users that receive information as both procedures, transfer of information and transfer of power, are implemented at the transmitter and make use of a common resource, i.e., power. Apart from techniques for assigning the radio resources, this dissertation develops a procedure for switching on and off base stations. Concerning this, it is important to notice that the traffic profile is not constant throughout the day. This is precisely the feature that can be exploited to define a strategy based on a dynamic selection of the base stations to be switched off when the traffic load is low, without affecting the quality experienced by the users. Thanks to this procedure, we are able to deploy smaller energy harvesting sources and smaller batteries and, thus, to reduce the cost of the network deployment. Finally, we derive some procedures to optimize high level decisions of the network operation in which variables from several layers of the protocol stack are involved. In this context, admission control procedures for deciding which user should be connected to which base station are studied, taking into account information of the average channel information, the current battery levels, etc. A multi-tier multi-cell scenario is assumed in which base stations belonging to different tiers have different capabilities, e.g., transmission power, battery size, end energy harvesting source size. A set of strategies that require different computational complexity are derived for scenarios with different user mobility requirements.Aquesta tesis doctoral proposa tècniques per assignar els recursos disponibles a les xarxes wireless considerant que els radis de cobertura són petits, el que implica que altres fonts de consum d’energia no considerades fins al moment s’hagin d’introduir dins els dissenys, i considerant que els dispositius estan alimentats amb bateries finites i que tenen a la seva disposició fonts de energy harvesting. En aquest context, es consideren dues configuracions diferents en funció de les capacitats de l’energia harvesting. En primer lloc, s’assumirà que la font d’energia és externa i incontrolable com, per exemple, l’energia solar. Els dissenys proposats han d’adaptar-se a l’energia que s’està recol·lectant en un precís moment. En segon lloc, es proposa un disseny en el qual el transmissor és capaç d’enviar energia als receptors mitjançant senyals de radiofreqüència dissenyats per aquest fi, energia que és utilitzada per recarregar les bateries. A part de tècniques d’assignació de recursos radio, en aquesta tesis doctoral es desenvolupa un procediment dinàmic per apagar i encendre estacions base. És important notar que el perfil de tràfic no és constant al llarg del dia. Aquest és precisament el patró que es pot explotar per definir una estratègia dinàmica per poder decidir quines estaciones base han de ser apagades, tot això sense afectar la qualitat experimentada pels usuaris. Gràcies a aquest procediment, es possible desplegar fonts d'energy harvesting més petites i bateries més petites. Finalment, aquesta tesis doctoral presenta procediments per optimitzar decisions de nivell més alt que afecten directament al funcionament global de la xarxa d’accés. Per prendre aquestes decisions, es fa ús de diverses variables que pertanyen a diferents capes de la pila de protocols. En aquest context, aquesta tesis aborda el disseny de tècniques de control d’admissió d’usuaris a estacions base en entorns amb múltiples estacions base, basant-se amb la informació estadística dels canals, i el nivell actual de les bateries, entre altres. L'escenari considerat està format per múltiples estacions base, on cada estació base pertany a una família amb diferents capacitats, per exemple, potència de transmissió o mida de la bateria. Es deriven un conjunt de tècniques amb diferents costos computacionals que són d'utilitat per a poder aplicar a escenaris amb diferents mobilitats d’usuaris.Award-winningPostprint (published version