Energy Efficient Communication in Wireless Networks

This thesis investigates energy efficient communication in wireless networks. The work considers energy efficiency from both a device and a network perspective. Firstly, we investigate the energy efficiency (EE) of a receiver equipped with large antenna arrays. In a receiver architecture, operating either at millimeter wave (mmWave) or at microwave (massive multiple input multiple output (MIMO)), the use of a high resolution analog-to-digital converter (ADC) is traditionally considered as a main bottleneck to achieve an energy efficient design. To address this issue, in contrast to previous works, we compared the performance of analog, hybrid and digital beamforming (ABF, HBF and DBF) based receiver architectures with low resolution ADCs, and show that when power consumption of all receiver components is taken into account DBF results in a better spectral, power and energy efficiency than ABF and HBF in most scenarios for both control plane and data plane communication. Results also show that based on the ADC power consumption model there is an optimal number of ADC bits that results in a maximum EE (defined as capacity/total power consumption). To further reduce the power consumption of DBF, a novel variable resolution ADC architecture is proposed, which motivates the use of variable resolution ADCs instead of conventional fixed resolution ADCs. To address the issue of energy consumption related to the directional cell search associated with a large antenna array system, we propose to exploit the availability of context information to reduce the search delay associated with ABF and propose a low power phase shifters network based receiver architecture which compares and selects the best beam in analog hardware and requires only a single RF chain. We also propose a higher sub-carrier bandwidth based control plane structure to reduce the energy consumption of the directional cell discovery process. Secondly, we study energy efficient communication in a multi-hop flooding network. Particularly, we study and analyze how in a multi-hop network a hybrid automated repeat request (HARQ) scheme based on fountain codes can reduce the probability of failure at the destination. The analysis is performed for both unrestricted and restricted flooding scenarios, and results verify that below a certain minimum link failure probability restricted flooding performs similar to unrestricted flooding but with fewer transmissions compared to unrestricted flooding. This reduction in number of transmissions is directly related to an improvement in energy efficiency of an overall network. Moreover, we also proposed two practical restricted flooding policies; 1) Predetermined restriction, which performs similar to restricted flooding, and 2) Adaptive restriction, which adapts its number of transmissions according to the link failure probability and performs similar to unrestricted flooding. Furthermore, we also study the performance of a network in the presence of helping nodes which can decode and generate extra redundancy packets in the network. Results show that the inclusion of helping nodes can further reduce the number of transmissions compared to a case where only the source is transmitting.

Questa tesi indaga la comunicazione ad alta efficienza energetica nelle reti wireless. Il lavoro considera l'efficienza energetica sia da un dispositivo ed un prospettiva di rete. In primo luogo, si indaga l'efficienza energetica (EE) di un ricevitore dotato di grandi schiere di antenne. In un'architettura ricevitore, operando sia a onde millimetriche (mmWave) oa microonde (massiccia Multiple Input Multiple Output (MIMO)), l'uso di una alta risoluzione convertitore analogico-digitale (ADC) è tradizionalmente considerata come un collo di bottiglia principale ottenere un design ad alta efficienza energetica. Per risolvere questo problema, a differenza di precedenti lavori, abbiamo confrontato le prestazioni dei analogiche, ibride e beamforming digitale (ABF, HBF e DBF) architetture ricevitore based con ADC a bassa risoluzione, e mostrano che, quando il consumo di energia di tutti i componenti del ricevitore si tiene risultati considerazione DBF in una migliore efficienza spettrale, potenza ed energia rispetto ABF e HBF nella maggior parte degli scenari sia per piano di controllo e comunicazione dei dati aereo. I risultati mostrano anche che sulla base del modello di consumo energetico ADC c'è un numero ottimale di bit ADC che si traduce in un EE massimo (definito come Capacità / potenza totale assorbita). Per ridurre ulteriormente il consumo di energia di DBF, una nuova architettura di risoluzione ADC variabile viene proposto, che motiva l'uso di ADC risoluzione variabili anziché le convenzionali ADC risoluzione fissa. Per affrontare il problema del consumo energetico legato alla ricerca di cellule direzionale associato ad un grande sistema di antenne, si propone di sfruttare la disponibilità di informazioni di contesto per ridurre la Ritardo di ricerca associato con ABF e proporre un'architettura di ricevitore rete basata variatori di fase a bassa potenza che si confronta e seleziona il miglior trave in hardware analogico e richiede solo una singola catena RF. Si propone inoltre una struttura piana controllo basata banda sottoportante superiore per ridurre il consumo energetico del processo di rilevamento cellule direzionale. In secondo luogo, si studia la comunicazione ad alta efficienza energetica in una rete inondazioni multi-hop. In particolare, studiamo e analizziamo come in una rete multi-hop di un sistema ibrido automatizzato richiesta di ripetizione (HARQ) sulla base di codici a fontana in grado di ridurre la probabilità di guasto a destinazione. L'analisi viene eseguita per entrambi gli scenari di allagamento senza restrizioni e ristrette, e risultati verificare che al di sotto di un certo errore di collegamento minima probabilità inondazioni limitato esegue simile a inondazioni senza restrizioni, ma con un minor numero di trasmissioni rispetto alle inondazioni senza restrizioni. Tale riduzione del numero di trasmissioni è direttamente correlata ad un miglioramento dell'efficienza energetica di una rete complessiva. Inoltre, abbiamo anche proposto due pratiche politiche inondazioni restrizioni; 1) restrizione predeterminato, che svolge simili a inondazioni ristretta, e 2) restrizione adattivo, che adatta il suo numero di trasmissioni in base alla probabilità di guasto collegamento ed esegue simile a inondazioni senza restrizioni. Inoltre, abbiamo anche studiare le prestazioni di una rete in presenza di nodi che possono aiutare decodificare e generare pacchetti di ridondanza supplementare della rete. I risultati mostrano che l'inserimento di nodi contribuendo può ridurre ulteriormente il numero di trasmissioni rispetto al caso in cui solo la sorgente sta trasmettendo.