Abstarct
This paper develops power control algorithms for energy efficiency (EE) maximization (measured in bit/Joule) in wireless networks. Unlike previous related works, minimum-rate constraints are imposed and the signal-to-interference-plus-noise ratio takes a more general expression, which allows one to encompass some of the most promising 5G candidate technologies. Both network-centric and user-centric EE maximizations are considered. In the network-centric scenario, the maximization of the global EE and the minimum EE of the network is performed. Unlike previous contributions, we develop centralized algorithms that are guaranteed to converge, with affordable computational complexity, to a Karush-Kuhn-Tucker point of the considered non-convex optimization problems. Moreover, closed-form feasibility conditions are derived. In the user-centric scenario, game theory is used to study the equilibria of the network and to derive convergent power control algorithms, which can be implemented in a fully decentralized fashion. Both scenarios above are studied under the assumption that single or multiple resource blocks are employed for data transmission. Numerical results assess the performance of the proposed solutions, analyzing the impact of minimum-rate constraints, and comparing the network-centric and user-centric approaches
چکیده
این تحقیق الگوریتمهای کنترل توان را به منظور بیشینهسازی بهرهوری انرژی (بازدهی انرژی) (اندازهگیری شده برحسب بیت بر ژول) در شبکههای بیسیم ارائه میکند. برخلاف تحقیقات مرتبط قبلی، قیدهای حداقل سرعت، اعمال شده و نسبت سیگنال به نویز بعلاوه تداخل نیز در حالت کلیتر در نظر گرفته شده است که باعث میشود که فناوریهای 5G ی قابلاعتمادتری داشته باشیم. بیشینهسازی EE هم به صورت کاربر محور و هم شبکه محور در نظر گرفته شده است. در سناریوی شبکه محور، بیشینهسازی EE ی سرتاسری و مینیمم سازی EE ی شبکه به عنوان هدف اصلی انجام شده است. برخلاف روشهای قبلی، ما از الگوریتمهای متمرکزی استفاده کردهایم که با پیچیدگی محاسباتی قابلقبول، تضمینکننده همگرایی مسئله بهینهسازی غیر محدب مورد نظر به نقطه کاروش-کوهن-تاکر (Karush-Kuhn-Tucker) میباشد. همچنین، شرایط پیادهسازی به فرم بسته نیز به دست آمده است. در سناریوی کاربر محور، تئوری بازیها برای مطالعه نقطه تعادل شبکه و همگرا شدن الگوریتمهای کنترل توان به کار رفته است که میتوان این روش را در حالت کاملاً غیرمتمرکز پیادهسازی نمود. هر دو سناریوی فوق تحت این فرض مورد مطالعه قرارگرفتهاند که یک و یا چند بلوک منبع برای ارسال دادهها به کار رفته باشد. نتایج عددی عملکرد راهکارهای پیشنهادی را مورد ارزیابی قرار داده، و اثر قیدهای حداقل سرعت را نیز مورد تحلیل قرار داده و مقایسهای را از روشهای شبکه محور و کاربر محور نشان میدهد.
1-مقدمه
در حال حاضر، درصدی از انتشار آلایندههای CO2 در سطح دنیا ناشی از فناوریهای ارتباطاتی و مخابراتی (ICT) است که برابر 5% تخمین زده شده است. اگرچه این مقدار ممکن است درصد کمی به نظر برسد، اما به سرعت در حال افزایش است و وضعیت در آیندهای نزدیک با پیشرفت شبکههای 5G وخیمتر خواهد شد. پیشبینی میشود که تعداد تجهیزات متصل در این شبکهها تا سال 2020 به 50 میلیارد برسد و سرعت دادهها نیز تا 1000x برای استفاده در سرورهای متصلکننده این تجهیزات عظیم، افزایش یابد. با این وجود، واضح است که درست یابی به سرعت 1000x ی مورد نیاز با افزایش معمولی توانهای ارسال داده امکانپذیر نیست، به این خاطر که هم مدیریت انرژی مورد نیاز در این حالت امکانپذیر نبوده و هم انتشار گازهای گلخانهای و آلایندگیهای الکترومغناطیسی بیشتر از سطح آستانه امنیت خواهد بود. در مقابل افزایش سرعت دادهها تا 1000 برابر، مصرف توان نیز باید در شبکههای کنونی به همین اندازه کاهش یابد. این امر مستلزم افزایش 1000 برابری بازدهی انرژی (EE) است یعنی راندمانی که برای مصرف انرژی به منظور ارسال دادهها در سیستمهای ICT تعریف میشود. این مسئله برای اپراتورها از اهمیت فوقالعادهای برخوردار است (مثلاً برای کاهش صورتحساب برق) و همچنین برای کاربر نهایی نیز مهم است (مثلاً برای افزایش دادن طول عمر باتریها) و از این رو در مطالعه و طراحی استراتژیهای کنترل توان در محاسبات مربوط به هزینه انرژی، توجه زیادی را به خود جلب کرده است...