In this thesis, the resource allocation schemes are investigated to improve energy efficiency of wireless communication systems such as coordinated multi-point transmission systems, and two-way relay systems. This thesis consists of three parts, those are as follows.
In the first part of the thesis, the power allocation problem is solved in the context of maximizing the energy efficiency (EE) of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signaling over a two-way amplify-and-forward (AF) relay network with two sources and one relay. The EE is defined as the ratio of the spectral efficiency (SE) over the total power consumption incorporating the transmission power, the fixed circuit power and the dynamic circuit power which is rate- dependent. In the EE maximization (EEM) problem, the efficiencies of the power amplifiers (PAs) of the three terminals can differ from one other. It is shown that EE is a quasi-concave function of the transmission power. Based on this result, we use Dinkelbach`s method for fractional programming and propose a two-step allocation (TSA) algorithm to solve the inner loop of the Dinkelbach`s method. Simulation results demonstrate that the proposed scheme can efficiently maximize the EE.
In the second part of the thesis, the bit allocation for channel state information (CSI) feedback in coordinated beamforming (CB) systems is proposed. The optimization problem under consideration is to minimize the total transmission power subject to the target signal to interference and noise ratio (SINR) constraints. A suboptimal solution to the problem is developed that provides closed-form expressions for the total feedback rate and the feedback rates of each user and its channels. The advantage of the proposed scheme over the methods with equally distributed feedback rates among the users and/or channels is demonstrated by computer simulation: the CB system employing the proposed scheme causes less outage with less transmission power.
In the third part, the bit allocation algorithm is extended to the maximum-minimum weighted SINR with quality of service (QoS). The optimization problem with the probabilistic QoS constraints are intractable, we apply the Bernstein approximation to convert the probabilistic constraints to deterministic convex sub-problems. The original optimization problem becomes convex, but the standard convex optimization method is not applicable. We develop a novel bit allocation algorithm which is based on bi-section and cutting plane methods. The advantage of the proposed scheme over the methods with equally distributed feedback rates among the users and/or channels is demonstrated by computer simulation.
최근, 무선 통신 시스템에서의 전력 소모가 급증하는 현 상황에서 energy-efficiency는 전력 소모 대비 최적의 전송 용량을 도출하는 새로운 메트릭으로써 관심을 받고 있다. 전력 효율을 고려한 시스템 최적화에 대한 연구에는 기존의 최대 전송 용량을 고려하는 시스템 최적화 기법과는 달리 시스템의 전송 용량 필요 조건 뿐 아니라 각 단말 회로, 전력 증폭기 등의 전력 소모와 같은 기존 시스템에서 고려되지 않는 다양한 환경 변수에 대한 고려를 포함한 최적화 기법이 도출될 필요가 있다.
본 연구에서는 무선 통신 시스템에서 협력 통신을 고려하여 전력 효율을 고려한 OFDM AF two-way relay (TWR) 채널 환경의 전력 할당 방안 및 coordinated multiple-point (CoMP) 시스템의 채널 방향 피드백 비트 할당 방안을 연구하였다. 고려된 두 시스템에서 energy-efficiency (EE) 기반을 둔 시스템의 전력 효율 (bits/Joule) 값을 최대화하는 기법과 네트워크의 전력 소모를 최소화하는 기법을 제시하였다. 본 논문은 상기 문제에 대하여 3 부분으로 정리하였다.
첫 부분에서는 전력 효율을 고려한 전력 할당 문제를 orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) 기반 증폭 후 전송 양방향 중계기 시스템 환경에 대하여 도출하였다. 본 연구에서는 가장 일반적인 시스템 환경을 고려하여, 각 단말의 전력 증폭기 특성과 단말의 회로 전력 소모 등을 고려한 전력 소비 대비 최적의 전송 용량을 도출하는 방안을 제시하였다. 제안 방안 도출을 위하여 양방향 중계기 시스템에서 전력 효율 특성인 quasi-concavity를 증명하였으며, 이를 통한 Dinkelbach 기법 기반 최적화 방안을 제안하였다. 또한 제안 방식의 복잡도 측면을 고려하여 기존 dual decomposition 방식과는 다른 two-stage allocation 방식을 제안하였다. 제안 방식은 기존 spectral efficiency 최대화 (SEM) 기법 대비 에너지 효율 측면 및 기존 dual decomposition 기법의 exhaustive search 대비 복잡도 측면에서 이득을 가진다.
다음으로, 전력 효율을 기반으로 하는 CoMP 시스템의 피드백 비트 할당 방안을 제시하였다. 제안 방안으로써 기존 전송용량 최대화 기반 할당 방안과 달리 네트워크의 최대 전력 소모를 고려한 할당 방안을 제시하였으며, 목표 전송 용량 조건과 outage 조건 등을 활용한 최적화 문제 분석을 통해 closed form 비트 할당 값을 도출 하였다. 제안 방안은 최적화 문제의 분석을 통해 준최적 방안을 제시하였으며, 제안방안을 기반으로 하는 네트워크의 최저 피드백 비트 값을 도출하였다. 모의 실험을 통해 기존 방안 대비 제안 방안의 성능 이득 및 전력 효율과 제안 알고리즘의 복잡도의 이점을 확인하였다.
마지막으로 전력 효율을 기반으로 하는 CoMP 시스템의 피드백 비트 할당 방안을 CoMP 시스템의 전송량 outage 조건을 고려한 방안을 제시하였다. 제안 방안은 outage의 조건에분 대하여 Bernstein approximation을 활용함으로써 convex optimization에 기반을 둔 비트 할당 기법을 도출하였다. 제안된 방안의 특성을 통해 확률적인 조건을 고정된 조건식으로 변환함으로써 전체 시스템 최적화 문제가 convex 문제로 풀수 있음을 보였으며, 제안된 문제의 cutting plane 기반의 최적화 알고리즘을 도출하였다. 모의 실험을 통해 제안 방안의 성능 이득 및 전력 효율과 제안 알고리즘의 시스템 outage 측면에서의 이점을 확인하였다. 또한 CoMP 시스템 문제의 EE maximization 분석이 가능함을 보임으로써 고려된 두 문제의 알고리즘 측면에서의 통합 가능성을 제시하였다.
