Resource allocation in wireless networks with energy constraints

Abstract

This dissertation focuses on the development of novel scheduling and resource allocation schemes, which take into account and regulate the energy constraints imposed by the levels of harvested energy. To this direction, first, the optimal energy, time, and bandwidth allocation problem for the downlink of energy harvesting base stations (EHBSs) is investigated, with the main focus being on autonomous EHBSs. The presented analysis considers the impact of the energy constraint on users’ preferences and the BS's revenue. In order to model the competitive nature of the problem, game theory is used, and more specifically the framework of a generalized Stackelberg game. Also, an efficient iterative method is proposed to facilitate all the players to reach the variational equilibrium, i.e., the optimal solution of the game. The next two chapters focus on wireless powered networks (WPNs) and simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) using radio frequency (RF) technology. One of the main contributions of these chapters is the introduction of both uplink and downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) for WPNs. Moreover, the individual data rates and fairness are improved, while the formulated problems are optimally and efficiently solved. It is shown that, compared to orthogonal multiple access, NOMA offers a considerable improvement in throughput, fairness, and energy efficiency. Rather than this, proportional fairness is maximized and uplink/downlink of WPNs are jointly optimized, in which cases, except for NOMA, time division multiple access (TDMA) is also investigated. Furthermore, the role of interference is considered, which has been recognized as one of the main reasons of the asymmetric overall degradation of the users' performance, due to different path-loss values, called from now on as cascaded near-far problem. Moreover, SWIPT is investigated and efficiently optimized in the context of multicarrier cooperative communication networks. Finally, simultaneous lightwave information and power transfer (SLIPT) is introduced, while novel and fundamental techniques are proposed. In order to balance the trade-off between the harvested energy and communication performance two optimization problems are formulated and optimally solved. Moreover, simulation results are presented, in order to illustrate the performance of the proposed methods.

Η διατριβή έχει ως αντικείμενο τη βέλτιστη χρήση των διαθέσιμων πόρων κατά την εκπομπή και λήψη σε ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, των οποίων η επίδοση περιορίζεται τόσο από τη διαθέσιμη ενέργεια, όσο και από τις δυνατότητες συγκομιδής ενέργειας από το περιβάλλον. Προς αυτή την κατεύθυνση, αρχικά μελετάται η βέλτιστη κατανομή ενέργειας, χρόνου και φάσματος για την κάτω ζεύξη ενός σταθμού βάσης (ΣΒ) με συγκομιδή ενέργειας, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση σε σταθμούς βάσης με αυτόνομη λειτουργία. Συγκεκριμένα, η ανάλυση επικεντρώνεται στην από κοινού μεγιστοποίηση των συναρτήσεων ωφέλειας των χρηστών και του κέρδους που αποφέρει η λειτουργία του ΣΒ στον πάροχο του δικτύου. Το αντίστοιχο μαθηματικό πρόβλημα ιεραρχικών αποφάσεων που δημιουργείται, μοντελοποιείται και λύνεται βέλτιστα χρησιμοποιώντας θεωρία παιγνίων. Επίσης, προτείνεται μια αποτελεσματική επαναληπτική τεχνική με τη βοήθεια της οποίας όλοι οι «παίχτες» μπορούν να φθάσουν στο σημείο ισορροπίας. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου επιβεβαιώνεται με χρήση προσομοίωσης. Τα επόμενα δύο κεφάλαια επικεντρώνονται στα δίκτυα επικοινωνιών με μεταφορά ισχύος και την ταυτόχρονη ασύρματη μεταφορά ισχύος και πληροφορίας χρησιμοποιώντας τεχνολογία ραδιοσυχνοτήτων. Η συνεισφορά αυτών των κεφαλαίων περιλαμβάνει την εισαγωγή της μη ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης (non-orthogonal multiple access - NOMA) τόσο για την άνω όσο και για την κάτω ζεύξη αυτών των δικτύων επικοινωνιών. Παράλληλα, διατυπώνονται και επιλύονται βέλτιστα τα προβλήματα που αφορούν είτε τη μεγιστοποίηση του ρυθμού μετάδοσης ή τη δικαιοσύνη μεταξύ των χρηστών. Έπειτα, ακολουθεί σύγκριση της προτεινόμενης τεχνικής με την ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση, από την οποία προκύπτει σημαντική βελτίωση της επίδοσης. Επιπρόσθετα, επιτυγχάνεται μια «χρυσή τομή» μεταξύ της μεγιστοποίησης του αθροιστικού και του ελάχιστου ρυθμού μετάδοσης μεταξύ των χρηστών, λαμβάνοντας υπόψη τόσο την τεχνική NOMA όσο και την πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση χρόνου (time-division multiple access - TDMA). Για αυτό το λόγο, μεγιστοποιείται το άθροισμα των λογαρίθμων των ρυθμών μετάδοσης μεταξύ των χρηστών, μετρική που είναι γνωστή στη διεθνή βιβλιογραφία ως proportional fairness. Επιπλέον, μελετάται η επίδραση των ομοκαναλικών παρεμβολών σε ασύρματα δίκτυα με ταυτόχρονη μεταφορά ισχύος και πληροφορίας, που αποτελεί βασικό παράγοντα των ανισοτήτων που προκαλούνται στην επίδοση των χρηστών, λόγω διαφορετικών αποστάσεων από το ΣΒ. Το ζήτημα αυτό εισάγεται στη διεθνή βιβλιογραφία με τον όρο cascaded near-far problem. Στη συνέχεια, η διατριβή μελετά τη βελτιστοποίηση της ταυτόχρονης ασύρματης μεταφοράς ισχύος και πληροφορίας σε δίκτυα αναμεταδοτών με πολλαπλά φέροντα. Τέλος, παρουσιάζεται η έννοια της ταυτόχρονης μεταφοράς πληροφορίας και ισχύος με οπτικά κύματα (simultaneous lightwave information and power transfer - SLIPT) και προτείνονται καινοτόμες και θεμελιώδεις τεχνικές. Επίσης, μελετάται ο συμβιβασμός μεταξύ της ενέργειας που συγκεντρώνεται και της ποιότητας επικοινωνίας. Για αυτό το λόγο, διατυπώνονται και λύνονται βέλτιστα δύο προβλήματα βελτιστοποίησης. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων τεχνικών επιβεβαιώνεται μέσω υπολογιστικών προσομοιώσεων.