Telsiz ağlarda enerji verimlilikli yeni iletim protokolleri
Energy-efficient novel transmission protocols for wireless networks
Yazar: İBRAHİM AYDIN
Danışman: PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Enerji verimliliği (EE: Energy-Efficiency) mühendisliğin her alanında önem taşıyan bir kavramdır ve bütün iletişim ağlarının planlanmasında referans alınması gereken bir parametredir. Bunun birçok nedeni vardır: Birincisi, küresel ısınmadan dolayı çevreye ilişkin farkındalık artmaktadır; ikincisi, veri trafiğindeki artışa paralel olarak enerji bedelleri de üstel olarak artmaktadır ve son olarak, yeni teknolojiye dayalı aygıtlarda pil ömrü kritik bir öneme sahiptir. EE bağlamında tez kapsamında yapılan çalışmalarda telsiz röle ağları için iki yöntem ve hücresel ağlar için de bir algoritma önerilmektedir. 
Tezde yer alan ilk öneri telsiz röle ağlarında enerji verimlilikli röle seçme ile ilgilidir. Geniş ölçekli telsiz röle ağlarında röle seçimi önemli bir problemdir. Çünkü röle seçimine katılma olasılığı olan röle sayısı fazla olduğunda, merkezi yöntemler için kanal gücü veya konum gibi bilgileri toplamak, dağıtılmış yöntemler için ise çoklu-erişimi verimli bir¸sekilde yönetmek uygulanabilirlik açısından birçok güçlüğü barındırmaktadır. Özellikle merkezi yöntemlerde, rölelere ilişkin anlık kanal durum bilgisini toplamak için çok sayıda kontrol paket iletimine gereksinim duyulmaktadır. EE temelinde bakıldığında fazla sayıda kontrol paketinin iletimi enerji tüketimini
artırmaktadır. Ayrıca röle seçimine katılabilmesi için röleler etkin tutulduğunda, uyku moduna kıyasla çok daha fazla güç tüketilmektedir. Bu yüzden, röle seçimi için bir röle alt kümesinin tanımlanması rastlantısal dağıtılmış geniş ölçekli ağlarda EE için önemli bir tekniktir. Bu çalışmada, rölelerin rastlantısal dağıtılmış olduğu bir telsiz ağ modeli için konuma dayalı enerji verimlilikli bir röle seçme yöntemi önerilmektedir. Bu yönteme göre etkin röle alanı tanımlanmakta ve yalnızca bu alan içerisinde kalan rölelerin etkin durumda bulunup röle seçimine katıldığı, alan dışında kalan rölelerin ise uyku moduna geçtiği varsayılmaktadır. Röle yoğunluğuna ve hedefin uzaklığına bağlı olarak EE açısından optimum etkin röle alanı araştırılmaktadır. Veri iletimi, kontrol paket iletimi ve devrede harcanan güç gibi bütün güç tüketim kaynakları hesaba katılmakta ve bu sayede ayrıntılı ve gerçekçi bir güç tüketim modeli üzerinde çalışılmaktadır. 
Tezde yer alan ikinci öneri ise iki atlamalı iki röleli ağlarda enerji verimlilikli iletim ile ilgilidir. Çöz-ve-aktar tekniğiyle çalışan iki rölenin, kendi aralarında iletişim kurabildiği varsayılmaktadır. Bir noktadan başka bir noktaya iletimde paketin hangi hızda iletildiği EE açısından büyük bir önem taşımaktadır. Özellikle aygıtların devrelerinde harcanan ve iletim gücünden bağımsız olarak tanımlanan sabit güç tüketiminin hesaba katılması, optimum iletim hızının saptanmasını daha da önemli hale getirmektedir. Bu çalışmada kaynak-röle, röleler arası ve röle-hedef arasındaki iletim için veri hızları ayrı ayrı tanımlanmakta ve EE'yi maksimum yapan veri hızları bulunmaktadır. Önerilen yöntemde, kaynaktan gelen veri paketini rölelerden birisi hatalı olarak çözerse diğer röle, röleler arası bağlantının yardımıyla paketi hatalı çözen röleye iletmektedir. Bu yolla iki röle dağıtılmış uzay-zaman blok kodlamanın özel bir biçimi olan dağıtılmış Alamouti kodlama ile paketi hedefe iletme olanağını elde etmektedir. Dağıtılmış Alamouti kodlama ile iletildiğinde çeşitleme kazancı elde edilmiş olmakta bu da servis dışı kalma olasılığını düşürmektedir. Servis dışı kalma olasılığını düşüren yöntemlerin EE açısından kazanç sağlayacağı öngörülmektedir, çünkü bu sayede yüksek hızlarda veri iletilebilmektedir. Elde edilen benzetim
sonuçları önerilen yöntemin literatürde bu ağlar için önerilmiş olan ardışık iletim (SR: Successive Relaying) yöntemiyle karşılaştırıldığında hem EE açısından hem de etkin veri hızı (throughput) açısından çok daha iyi bir başarıma sahip olduğu ortaya çıkmaktadır.
Tezde son olarak ise hücresel ağlarda EE'yi artırmaya dönük bir hücre-kapatma algoritması önerilmektedir. Hücresel ağlarda toplam tüketilen enerjinin büyük bir kısmı gezgin aygıtlar (UT: User Terminal) yerine baz istasyonlarında (BS: Base Station) harcanmaktadır. Bununla birlikte, iletişim teknolojileri 5G'ye doğru gelişirken, kilometrekare başına düşen BS sayısı da artı¸s e˘gilimindedir. Bundan dolayı bazı BS'lerin trafik yoğunluğu gün içerisinde veya gece bazı zaman dilimlerinde oldukça düşük seviyelere inebilmektedir. Literatürdeki birçok çalışmada aşağı yönlü (DL: Downlink) iletim göz önünde bulundurulmakta ve düşük trafik yoğunluğuna sahip BS'ler için uyku moduna geçme veya hücreyi tamamen kapatma önerilmektedir. Ama bilebildiğimiz kadarı ile önerilen BS kapatma yöntemleri yukarı yönlü (UL: Uplink) iletimi hesaba katmamış ve gezgin aygıtların pil ömrü açısından etkisini incelememiştir. Gezgin aygıtların harcadığı enerji, toplam tüketilen enerjiyi önemli ölçüde değiştirmemesine rağmen, sabit bir güç kaynağına bağlı olmayan gezgin aygıtların pil ömrü açısından önem taşımaktadır. Bu çalışmada ise bütün ağın EE'nin yanında UT'lerin harcadığı enerjiyi de göz önünde bulunduran optimum hücre kapatma (CSO: Cell Switch Off) algoritması geliştirilmiş ve "UT-farkındalıklı CSO algoritması" adı verilmiştir.

Abstract:
Energy-efficiency (EE) has become an important research topic in wireless networks in recent years. There are many reasons of this interest in EE, but the most important one is that energy expenditures of service providers are constantly increasing as a consequence of the growth of traffic volume and the number of subscribers in cellular networks. This is the supply side of the communication which is related with downlink transmission. Besides, EE is also very important for mobile users, which is demand side, because battery life issue is one of the most important problems about new technology mobile devices and the development of battery technology is unable to keep up with increasing energy consumption due to high demand of wireless traffic. In addition to cellular networks, there are other type of networks, i.e. wireless sensor networks, where EE is critically important because the nodes are powered with batteries which are difficult to replace or need to be endured for long-term periods.
Lastly, environmental awareness and health concerns also stimulate the research on
this area. This thesis proposes three different methods, two of them are for wireless relay networks and the other is for cellular networks. The first proposal of the thesis is about relay selection in large-scale wireless networks. The key question to be answered about relay selection in a large-scale randomly distributed wireless network is that how to select a relay energy-efficiently under a throughput (i.e., effective data rate) constraint with a reasonable complexity. It is not practical to collect instantaneous channel state information (CSI) of all relays for relay selection due to excessive control packet transmission and useless energy consumption because to hold a relay in active mode to participate relay selection process needs significantly more power consumption than to hold in sleep mode. In this thesis, a new energy-efficient relay selection technique is proposed for large-scale randomly distributed wireless networks for which an active relay region is introduced where only the relays in the region are taken into consideration for relay selection. Defining active relay region is critically important for energy-efficient transmission in large-scale wireless networks because only the inside relays participate in relay selection process and the outside relays can stay in sleep mode which is a low-power consumption mode. It is well known
that the circuit power consumption of a transceiver is very dependent on its mode. Circuit power consumptions for transmitting and receiving modes, roughly speaking, are the same, one order of magnitude less for idle mode and three order of magnitude less for sleep mode. Therefore, the proposed relay selection technique limits the number of active relays which significantly improves EE. The overall transmission in the proposed technique is realized in three phases as initializing, relay selection and data transmission phases. There are two main objectives in initializing phase: first, to determine a relay subset where only the relays of this subset will participate in relay selection and second, to put these relays in an order by allocating specific time slots to prevent collision of control packets in the other phases. It is assumed that all relays have low mobility and hence a static period can be defined during which all relays are assumed static. Therefore, the defined relay subset and allocated time slots are valid during the whole static period which means that the initializing phase is performed once in a static period. In the relay selection phase, a single-relay is selected for each data packet transmission only based on the CSI of source-relay channels of the relay subset which is determined in the initializing phase. The last phase
is data transmission via the selected relay. The proposed relay selection technique increases EE at an acceptable complexity level without jeopardizing the effective data rate. The optimum size of the active relay region is investigated for EE in which relays perform decode-and-forward (DF) technique. A detailed and realistic power consumption model is studied by taking all possible sources of power consumption into consideration, i.e., data transmission, signaling packet transmission and circuit power consumption during all phases of the communication. Finally, it is shown that the proposed relay selection technique is well-suited to large-scale randomly distributed
wireless networks where it is more energy efficient and provides substantially better performance in terms of effective data rate than certain methods given in the literature.
The second proposal of the thesis is about energy-efficient relaying in two-hop wireless relay networks. An energy-efficient decode-and-forward (DF) relaying technique is proposed for two-hop diamond networks where the source-destination communication is established by the help of two relays which have an inter-relay link. The communication is performed in three stages. The first stage is source-relay communication where S sends the data packet to the relays. The second stage is
inter-relay communication where the relays inform the other relay through inter-relay link whether they decoded the packet correctly. There are three possibilities: (a) If both of the relays decode the data packet correctly, relay-destination communication starts. (b) If one of the relays cannot decode the packet correctly, the other relay sends the packet to this relay at a high data rate through the inter-relay link and then relay-destination communication starts. (c) If both relays decode incorrectly, relay-destination communication does not start and the packet is lost. The last stage is relay-destination communication: When both relays decode the data packet correctly
they send the packet to the destination by the help of distributed Alamouti code. If only one of the relays decodes the packet correctly, it just sends the packet to the destination. The inter-relay link gives the opportunity of correcting the data packet between relays if only one of them decodes correctly the packet that is received from the source. Hence, both relays are able to send the data packet to the destination with distributed Alamouti coding which provides multipath diversity. In addition, optimum data rate adaptation is introduced for each link separately to maximize EE for the
considered network. By exploiting diversity and optimum rate adaptation, it is possible to transmit at higher rates with reasonable outage probability which has critical effects on EE and effective data rate. It is showed that the proposed technique is substantially more energy-efficient and has a better effective data rate than the successive relaying technique given in the literature, moreover, more robust to the changes in system conditions, i.e. relay location, transmission power level.
The last proposal of the thesis is related with cellular networks where a cell switch-off (CSO) algorithm is proposed. Base-stations (BSs) are main energy consumers in a wireless cellular network. The number of BSs tends to increase in the foreseeable future; moreover, this increase is expected to become even steeper with the advent of the small cell concept. It is worth noting that the traffic load in space and time is getting increasingly heterogeneous in cellular networks. As a result, parts of network will likely be lightly loaded at certain times and in such situations it only makes sense to switch-off as many BSs as possible without putting at risk the key performance
indicators. Although there is an increasing volume of literature on the CSO concept, to the best of our knowledge, there is no study which considers the user terminal (UT) power consumption as a key performance indicator, while the uplink (UL) power consumption is one of the most important performance criteria in a mobile network.
In many cases, switching-off BSs for downlink (DL) EE may result in an UL energy inefficiency, due to the fact that the UTs served by the switched-off BSs will need to be connected to further away BSs. In this thesis, a heuristic CSO algorithm for heterogeneous networks is proposed to achieve EE in the whole cellular network while taking into account the power consumption of UTs. The proposed heuristic algorithm, which is called as UT-aware CSO algorithm, tries to switch-off BSs one
by one. First, it sorts the BSs according to predefined sorting criterion, where how much the sum power of UTs increases when a BS is switched-off is used as sorting criterion, and switches-off BSs starting from the first one in the ranking. By this way, both sides of the communication (DL and UL) are considered at the same time and the CSO is performed which minimally affects the UTs' transmission powers. Lastly, heterogeneity is considered at both sides: in the BSs (supply) and in the spatial traffic distribution (demand). In addition, DL/UL power control algorithms and a simple
interference model are also introduced.