The allocation of radio resources where nodes are battery constrained.

[ANGLÈS] In wireless communications, there is a trend to deploy shorter-distance networks to cope with the high demanding necessities of bit-rate that current applications require. In such networks, the power needed for transmission is considerably low, due to proximity between base station and mobile terminals. As a consequence, complex baseband algorithms for signal processing and radio frequency circuitry require an amount of power that is comparable or even higher than the power for transmisson. Moreover, energy harvesting techniques, which allows user to collect energy from the environment, are being emerged as a potential solution for battery durability. In this master thesis, the allocation of radio resources in such a scenario is addressed. Nodes are considered to be battery-powered devices with an energy harvesting source that allows them to recharge their batteries. Nodes feed back their battery status information jointly with the channel state information to the scheduler, which makes a resource allocation based on all the energy constraints of the problem and not only taking the transmitted power and the channel state information as in classical approaches. The final objective is to carry out a design of scheduling algorithms able to provide a longer lifetime network, where lifetime is defined to be the period of time till the first node runs out of battery. In the first part of the thesis we consider some simplifications. Flat-fading channels are assumed and the classical rate-power Shannon's formula is used. As a result, continuous power assignment and Gaussian constellations are considered. Resource allocation problems are reformulated as convex optimization problems, which are solved using powerful software packages, or algorithms based on Lagrange duality developed in this master thesis. In the second part of the thesis, a more practical approach is carried out. Now, finite-size constellations, such as QAM constellations are considered. Therefore, a discrete rate-power function based on BER requirements is proposed. Generally, these allocation problems are not convex. Optimum solutions are computationally prohibited due to brute force search time consuming techniques. We propose greedy-like algorithms to cope this problem, where subcarriers, bit allocation and power are assigned dynamically, according to a given objective and energy constraints. From simulation results, we conclude that by using the techniques proposed in the master thesis, not only it is possible to enhance the network lifetime, but also the average bit-rate achieved by the network terminals compared with classical approaches.

[CASTELLÀ] Existe una tendencia en comunicaciones sin cables a desplegar redes para cubrir distancias más cortas, con el objetivo de cubrir las necesidades de bit-rate que las actuales aplicaciones requieren. Sin embargo, en tales redes, la potencia necesitada en la transmisión es considerablemente baja, debido a la proximidad entre la estación base y los terminales móviles. Como consecuencia, los complejos algoritmos de procesado de señal de banda base y los circuitos de radio frecuencia requieren un consumo energético comparable o incluso mayor que el necesitado en transmisión. Además, técnicas de harvesting están siendo desarrolladas como soluciones potenciales a incrementar la durabilidad de las baterías. En esta máster tesis, se lleva a cabo el diseño de asignación de recursos radio en el escenario planteado anteriormente. Los terminales son considerados dispositivos con batería finita, previstos de una fuente de harvesting de energía que les permite recargar las baterías cada cierto tiempo. Los terminales envían sus estados de las baterías junto con la estimación del canal al scheduler, el cual realiza una asignación de recursos teniendo en cuenta todo el gasto energético tanto de los algoritmos de procesado como de la circuitería de RF además de la potencia en transmisión, y no sólo de la útlima junto con la estimación del canal, como sucede en diseños clásicos. El objetivo final es llevar a cabo un diseño de algoritmos de scheduling que sean capaces de alargar la vida útil de la red, donde vida útil se define como el periodo de tiempo transcurrido hasta que el primero terminal se queda sin batería. En la primera parte de la tesis se asumen algunas simplificaciones. Canales planos en frecuencia y una función continua de Shannon que relaciona bit-rate y potencia son utilizados. Como resultado, asignación continuo de potencia y constelaciones Gaussianas son consideradas. Los problemas de asignación de recursos son reformulados como problemas de optimización convexa, los cuales son resueltos mediante paquetes de software o algoritmos basados en dualidad de Lagrange desarrollados en esta tesis de máster. En la segunda parte de la tesis se llevan a cabo diseños más realistas y prácticos. Ahora se consideran constelaciones de dimensión finita, como por ejemplo modulaciones del tipo QAM. Ello hace que, funciones rate-potencia sean discretas y basadas en requerimientos de BER. Generalmente, estos problemas de asignación de recursos no son convexos. Las soluciones óptimas suelen ser computacionalmente prohibitivas debido a la extensa búsqueda que se tiene que realizar. Es por ello que se proponen algoritmos de tipo greedy para solucionar el problema de la búsqueda exhaustiva, donde portadoras, asignación de bits y potencia son asignadas de forma dinámica, en función de un objetivo y de las restricciones de energía. Mediante los datos obtenidos en las simulaciones, podemos concluir que usando las técnicas propuestas en esta tesis, no sólo es posible incrementar el tiempo de vida de la red, sino que además es posible incrementar el bit-rate medio conseguido por los terminales de la red comparado con técnicas clásicas de asignación de recursos.

[CATALÀ] Existeix una tendència en comunicacions sense cables que consisteix en desplegar xarxes per cobrir distàncies més curtes, amb l'objectiu d'assolir les necessitats de bit-rate que les aplicacions actuals requereixen. No obstant, en aquestes xarxes, la potència necessària en transmissió és considerablement més baixa a causa de la proximitat entre l'estació base i els terminals mòbils. Com a conseqüència, els complexos algorismes de processament del senyal de banda base i els circuits de ràdio freqüència requereixen un consum energètic comparable o fins i tot major al necessari en transmissió. A més a més, s'estan desenvolupant tècniques de harvesting com a una solució potencial en incrementar la durabilitat de les bateries. En aquesta tesis de màster, es du a terme el disseny d'assignació de recursos ràdio en l'escenari plantejat anteriorment. Els terminals són considerats dispositius amb bateria finita, proporcionats d'una font de harvesting d'energia que els permet recarregar les bateries cada cert període de temps. Els terminals envien els estats de les bateries juntament amb l'estimació del canal al sheduler. Aquest realitza una assignació de recursos considerant totes les despeses energètiques, tant dels algorismes de processament com dels circuits de ràdio freqüència com també de la potència de transmissió, i no solament de l'última juntament amb l'estimació del canal, com succeeix en dissenys clàssics. L'objectiu final és dur a terme un disseny d'algorismes de scheduling que siguin capaços d'allargar la vida útil a la xarxa, on vida útil es defineix com el període de temps transcorregut fins que el primer terminal esgota la bateria. En la primera part de la tesi s'assumeixen algunes simplificacions. Aquestes són, canals plans en freqüència i una funció contínua de Shannon que relaciona el bit-rate i la potència. Així doncs, es considera una assignació contínua d'ample de banda, de potència, bit-rate mitjançant constel·lacions Gaussianes. Els problemes d'assignació de recursos són reformulats com problemes d'optimització convexa, els quals es resolen mitjançant paquets de software o algorismes desenvolupats en aquesta tesi basats en la dualitat de Lagrange. En la segona part, s'estudien dissenys més realistes i pràctics. En aquesta segona part es consideren constel·lacions de dimensió finita, com per exemple, modulacions de tipus QAM. Com a conseqüència, funcions de rate-potencia esdevenen discretes i basades en requeriments de BER. Generalment, aquests problemes d'assignació de recursos no són convexos. Les solucions òptimes solen ser computacionalment prohibitives a causa de l'extensa cerca que s'ha de realitzar. És per aquesta raó que es proposen algorismes de tipus greedy per solucionar el problema de la cerca exhaustiva, on portadores, assignació de bits i potència s'assignen de forma dinàmica en funció de les restriccions d'energia. Mitjançant les dades obtingudes en les simulacions, es pot concloure que, utilitzant les tècniques proposades en aquesta tesi, no només és possible incrementar el temps de vida de la xarxa, sinó que, a més a més, és possible incrementar el bit-rate mitjà aconseguit pels terminals de la xarxa comparat amb les tècniques clàssiques d'assignació de recursos.