University of Oulu

Energy efficiency analysis and improvements of MIMO cellular communications

Saved in:
Author: Apilo, Olli1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526227566
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-11-24
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu, for public defence in the Oulun Puhelin auditorium (L5), Linnanmaa, on 4 December 2020, at 12 noon
Tutor: Professor Aarne Mämmelä
Professor Jari Iinatti
Reviewer: Professor Riku Jäntti
Professor Xiaoli Chu
Opponent: Professor Loutfi Nuaymi
Description:

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.

see all

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.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2756-6
ISBN Print: 978-952-62-2755-9
Issue: 765
Subjects:
DPS