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Título: QoS- aware power allocation and frequency provisioning for multicarrier wireless systems
Autores: Helmy, Amir
Fecha: 2013
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Electronics and Electrical
Descripción: This thesis studies and develops quality-of-service (QoS)-aware power allocation and frequency provisioning schemes for multicarrier wireless systems in a frequency-selective fading environment. We first develop an optimal subcarrier power allocation algorithm to maximize the energy efficiency (EE) of a single-user multicarrier link under delay-outage probability constraints, where EE is defined as the ratio of the achieved effective capacity (EC) to the total expenditure power. Specifically, we formulate the QoS-driven EE maximization problem and show that its objective function is quasi-concave in the transmission power, and as a result, derive the global optimum solution using fractional programming. The developed optimal power allocation maximizes the EE by adapting both the total transmit power and its allocated portion in each subcarrier according to the frequency-selective channel response and delay constraint. Analytical results show that the proposed EE-based power allocation has a structure similar to the allocation that maximizes EC, but with a different cut-off threshold below which no power is allocated. The proposed EE-optimal power allocation provides significant EE gains over both the EC-based and independent-subcarrier EE-based power allocation schemes, where the rate-energy tradeoff becomes more pronounced with higher frequency selectivity. Next, power and subcarrier allocation are examined for a downlink multi-user multicarrier system with diverse user-QoS requirements in terms of target delay and EC. Since a jointly optimal power and subcarrier allocation requires an exponential-time exhaustive search, we explore an alternative simpler approach with two steps: (i) frequency provisioning to allocate the available subcarriers to the users, followed by (ii) power allocation for the set of subcarriers allocated to each user. The previously presented EC-based single-user power allocation can be directly applied to step (ii). Furthermore, its results can also be analyzed to establish the relationship between the allocated power (φ), given number of subcarriers (m) and user QoS requirements, i.e., target delay (θ) and EC (ν), which is used to develop a low-complexity knowledge-based frequency provisioning algorithm for step (i). Specifically, it is shown that, in the case of no delay constraint, a rate-based frequency provisioning can be done by allocating the number of subcarriers to each user proportional to its required EC. For a general case when the users have different QoS (θ, ν) requirements, based on the knowledge of the relationship between φ, m, θ, and ν, the proposed iterative frequency provisioning algorithm starts with an initial rate-based guess and analyzes the incremental cost of power with respect to each user's QoS (θ, ν) requirement to modify the allocated numbers of subcarriers that can further reduce the power consumption, if possible, in each subsequent iteration. Illustrative results show that the initial rate-based guess is very effective in many situations, and the proposed frequency provisioning algorithm manages to converge after only one iteration. In some special situations when the users have similar required ECs but widespread delay requirements, the initial rate-based guess can be far from the optimum solution and therefore, more iterations are needed.
Cette thèse est consacrée à l'étude et le développement de schémas d'allocation de puissance et de distribution de fréquences pour les systèmes multi-porteuses dans un canal sélectif en fréquence. Dans un premier temps, nous développons un schéma optimal d'allocation de puissance par sous-porteuse qui maximise l'efficacité énergétique (EE) des systèmes multi-porteuses sous contrainte de garantir un délai minimal, où l'EE est définit comme le rapport de la capacité efficace (CE) à atteindre par la puissance totale utilisée. En particulier, nous formulons le problème de qualité de service (QoS) résultant de la maximisation de l'EE et nous montrons que la fonction objective qui en résulte est quasiment concave en la puissance de transmission, et donc la solution optimale est évaluée en utilisant la programmation fractionnelle. Le schéma proposé d'allocation de puissance maximise l'EE en adaptant simultanément la puissance totale de transmission et les portions de puissance allouées pour chaque sous-porteuse dépendamment de la réponse du canal sélectif en fréquence et de la contrainte sur le délai. Les résultats analytiques montrent que le schéma d'EE proposé pour l'allocation de puissance à une structure similaire à celle du schéma d'allocation qui maximise l'EC, mais avec un autre niveau de coupure au-dessous duquel aucune puissance n'est allouée. Le schéma d'allocation optimale de l'EE proposé apporte un gain significatif par rapport au schéma basé sur la maximisation de l'EC et l'allocation de puissance indépendamment pour chaque sous-porteuse, où le compromis entre le débit et l'énergie devient plus notable dans les canaux très sélectif en fréquence. Par la suite, l'allocation de puissance et de sous-porteuses est examinée pour les systèmes multiutilisateurs en lien descendant où chaque utilisateur demande différente QoS en termes de délai et EC. Puisque une optimisation jointe de l'allocation de puissance et de sous-porteuse demande un temps exponentiel de recherche exhaustive, nous proposons une simple alternative sur deux étapes : (i) une provision fréquentielle qui alloue les sous-porteuses disponibles aux utilisateurs, suivie par (ii) une allocation de puissance pour l'ensemble des sous-porteuses alloués. De plus, ces résultats peuvent être analysés pour établir une relation entre la puissance allouée (φ), étant donné le nombre de sous-porteuses (m) et la QoS par utilisateur, c'est-à-dire le délai demandé (θ) et l'EC (ν), qui est utilisé pour développer un algorithme de provision fréquentielle pour l'étape (i) aillant une complexité réduite. Particulièrement, il a été prouvé que, dans le cas d'absence de contrainte sur le délai, le schéma d'approvisionnement fréquentielle basé sur le débit peut être fait en allouant le nombre de sous-porteuses pour chaque utilisateur proportionnel de son EC requise. Dans le cas général où chaque utilisateur a une demande différente en QoS (θ, ν), en se basant sur la relation entre (φ, m, θ, ν), l'algorithme itérative de provisionnement fréquentielle proposé s'initialise avec une estimée du débit et analyse la croissance du coup de la puissance pour les QoS (θ, ν) de chaque utilisateur nécessaire pour modifier de nombre de sous-porteuses alloués qui peut réduire la consommation de puissance, si c'est possible, dans chaque itération. Des résultats illustratifs montrent que l'estimée initiale est valable dans plusieurs situations et le schéma de provisionnement fréquentielle parvient à converger après une itération seulement. Dans quelque situations particulaires quand les utilisateurs ont la même demande de EC mais différente demande de délai, l'estimée initiale peut être loin de la solution optimale, par conséquence, plusieurs itérations sont nécessaire.
Idioma: en