Abstract

This thesis focuses on the energy efficiency of multiple-input multiple-output (MIMO) cellular communications. Energy efficiency has been set as one of the main major objectives for modern cellular networks. According to the requirements of the 5th Generation wireless system (5G), energy consumption should not increase from the level of the current networks even though the amount of data in 5G networks is expected to be significantly higher. This thesis contributes in its part to the energy efficiency target by providing tools and methods for analyzing the link energy efficiency as well as proposing energy efficiency improvements for MIMO base stations.

The majority of conventional macro base station input power is consumed by its power amplifiers (PAs). Average PA efficiency measures how efficiently the direct current (DC) input power is converted to radio frequency (RF) output power. The average PA efficiency of power-adaptive spatial diversity methods is analyzed and a new metric, PA input signal-to-noise ratio (SNR), is proposed in this thesis. Bit error rate as a function of average PA input SNR captures the effect of the PA nonideal efficiency to the link performance analysis. It is shown that power-adaptive transmission methods, which are optimal with ideal PAs, should be replaced with constant power transmission methods when low efficiency PAs are used.

Massive MIMO and coordinated multi-point (CoMP) have been proposed for modern base stations for improving the area spectral efficiency. A dynamic point selection (DPS) method with a static intercell agreement on the transmission point (TP) activity pattern is proposed for CoMP and distributed antenna systems. The proposed DPS method achieves significant energy efficiency gain over closed-loop spatial multiplexing with the same level of cell edge spectral efficiency. Unequal PA dimensioning and cell splitting combined with the adaptation of the number of antennas is proposed for massive MIMO base stations with digital beamforming. It is shown that unequal PA dimensioning can reduce the PA power consumption without any negative effect on the data rates. When a small reduction in the cell sum rate is acceptable, cell splitting is a very promising method that can achieve a significant energy efficiency improvement.

Tiivistelmä

Tässä väitöskirjassa keskitytään MIMO-tiedonsiirron energiatehokkuuteen mobiiliverkoissa. Energiatehokkuus on asetettu yhdeksi päätavoitteeksi moderneissa mobiiliverkoissa. 5G-vaatimusten mukaan energiankulutus ei saisi nousta nykyisten tietoliikenneverkkojen tasosta, vaikka datan määrä 5G-verkoissa tuleekin olemaan huomattavasti suurempi. Tämä väitöskirja koettaa auttaa näiden tavoitteiden saavuttamisessa tarjoamalla menetelmiä ja työkalujen linkin energiatehokkuuden analysointiin sekä ehdottamalla parannuksia MIMO-tukiasemille.

Tehovahvistimet kuluttavat suurimman osan tavallisten makrotukiasemien tehosta. Tehovahvistimen keskimääräinen hyötysuhde mittaa, kuinka tehokkaasti sisään tuleva DC-teho muutetaan lähetettäväksi RF-tehoksi. Tässä väitöskirjassa analysoidaan tehovahvistimien keskimääräistä hyötysuhdetta tehoadaptiivisissa tiladiversiteettijärjestelmissä sekä esitetään uusi metriikka, tehovahvistimen sisään tulevan tehon ja vastaanottimen kohinatehon suhde (PA input SNR). Bittivirhesuhde PA input SNR:n funktiona sisällyttää tehovahvistimen epäideaalisen hyötysuhteen mukaan linkin suorituskyvyn analysointiin. Väitöskirjassa näytetään, että tehoadaptiiviset lähetysmenetelmät, jotka ovat optimaalisia käytettäessä ideaalisia vahvistimia, pitäisi korvata vakiotehoisilla lähetysmenetelmillä, kun käytetään matalan hyötysuhteen tehovahvistimia.

Massiivi-MIMO- ja CoMP-tekniikoilla voidaan parantaa alueellista spektritehokkuutta. Väitöskirjassa esitetään dynaaminen lähetyspisteen valintamenetelmä CoMPjärjestelmille ja hajautetuille antenniryhmille, johon on yhdistetty solujen välinen sopimus aktiivisista lähetyspisteistä. Tällä menetelmällä saavutetaan merkittävästi parempi energiatehokkuus kuin suljetun silmukan tilamultipleksoinnilla (closed-loop spatial multiplexing) ilman, että spektritehokkuus solun laidalla heikkenee. Lisäksi väitöskirjassa esitetään digitaalista keilanmuodostusta käyttäville massiivi-MIMO-tukiasemille tehovahvistimien epätasainen mitoitus ja solun halkaisu, joihin on yhdistetty antennien määrän adaptointi. Tulokset osoittavat, tehovahvistimien epätasainen mitoitus pienentää tehonkulutusta ilman, että datan siirtonopeudet kärsivät. Kun sallitaan, että solun yhteenlaskettu datan siirtonopeus hieman pienenee, solun halkaisu on erittäin lupaava menetelmä, jolla voidaan saavuttaa erittäin merkittävä parannus energiatehokkuudessa.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Apilo, O., Lasanen, M., Mämmelä, A., & Jondral, F. K. (2011). Average efficiency of power amplifiers in power-controlled systems with multi-antenna diversity. 2011 Wireless Telecommunications Symposium (WTS). https://doi.org/10.1109/wts.2011.5960854

2. Apilo, O., Lasanen, M., Boumard, S., & Mämmelä, A. (2013). Energy Efficiency of Power-Adaptive Spatial Diversity Methods. IEEE Transactions on Wireless Communications, 12(9), 4246–4257. https://doi.org/10.1109/twc.2013.072313.120263

3. Apilo, O., Lasanen, M., & Mämmelä, A. (2015). Energy-Efficient Dynamic Point Selection and Scheduling Method for Intra-cell CoMP in LTE-A. Wireless Personal Communications, 86(2), 705–726. https://doi.org/10.1007/s11277-015-2953-6

4. Apilo, O., Lasanen, M., & Mämmelä, A. (2016). Unequal Power Amplifier Dimensioning for Adaptive Massive MIMO Base Stations. 2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference (VTC Spring). https://doi.org/10.1109/vtcspring.2016.7504517

5. Apilo, O., Lasanen, M., Mämmelä, A., & Wang, J. (2017). Cell Splitting for Energy-Efficient Massive MIMO. 2017 IEEE 86th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall). https://doi.org/10.1109/vtcfall.2017.8288110