Monen käyttäjän tehoallokoinnin ja iteratiivisen moniantennivastaanottimen yhteissuunnittelu

Väitöskirjassa tutkitaan lähettimessä tapahtuvan tehoallokoinnin sekä vastaanottimessa tapahtuvan signaalin suodatuksen yhteisoptimointia monikäyttöön suunnatussa langattomassa moniantennikommunikaatiossa. Työssä esitettyjen menetelmien avulla voidaan pidentää langattomien mobiililaitteiden akun kestoa, sekä parantaa kaukana tukiasemista olevien käyttäjien, eli solun reunakäyttäjien, palvelun laatua.

Langattomien laitteiden lukumäärän kasvaessa energiatehokkuuden merkitys tiedonsiirtolinkkien suunnittelussa korostuu. Soluihin perustuvassa langattomassa tietoliikenteessä keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen ylälinkkilähetyksessä (käyttäjältä tukiasemaan) on tärkeää käyttäjän kannalta, sillä se pidentää laitteen akun kestoa. Lähettimen tehovahvistimen tehonkulutus on kuitenkin myös riippuvainen lähetyksen huipputehosta.

Väitöskirjassa luodaan uusia menetelmiä sekä vertaillaan tehoallokointia yhden kantoaallon taajuustason monikäyttöön (single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA)) ja ortogonaalisen taajuustason monikäyttöön (orthogonal FDMA (OFDMA)) perustuvissa lähetysteknologioissa. Sekä SC-FDMA, että OFDMA ovat neljännen sukupolven (4G) matkapuhelinverkoissa käytettäviä lähetysteknologioita. Väitöskirjassa esitetyt menetelmät soveltuvat siis kehittyneempiin 4G verkkoihin, sekä tulevaisuuden 5G verkkoihin, joissa käytetyt teknologiat tuovat mukanaan mahdollisuuden myös kehittyneempien tehoallokointimenetelmien toteutukseen.

Työn ensimmäisessä osiossa tavoitteena on keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen usean käyttäjän yhtäaikaisessa ylälinkkilähetyksessä ja samaan aikaan taata haluttu laatu (quality of service (QoS)) vastaanotetulle informaatiolle. Työn jälkimmäisessä osiossa tavoitteena on kontrolloida lähetetyn signaalin huipputehon ja keskitehon suhdetta. Huipputehon ja keskitehon suhteen (peak to average power ratio (PAPR)) pienentäminen missä tahansa lähetyksessä on hyödyllistä, sillä sen ansiosta voidaan käyttää energiatehokkaampia ja halvempia tehovahvistimia. Kun käytetään yhtäaikaisesti QoS- ja PAPR-rajoitteita, voidaan tiedonsiirtokanavaan suunnitella optimaalinen tehoallokointi ottaen huomioon tehovahvistimen ominaisuudet.

Numeeriset tulokset osoittavat, että esitetyt tehoallokointimenetelmät pienentävät merkittävästi keskimääräistä tehonkulutusta mahdollistaen lisäksi adaptiivisen PAPR-kontrolloinnin. Väitöskirjassa esitettyjen menetelmien avulla voidaan siis pidentää mobiilikäyttäjien akun kestoa, tai alalinkkilähetykseen (tukiasemalta käyttäjälle) sovellettuna pienentää energiankulutusta tukiasemassa.

Huipputehon pienentämisellä on myönteinen vaikutus myös tukiasemien sijoitteluun, sillä solun koko määräytyy ylälinkissä käytettävän huipputehon perusteella. Huipputehon pienentäminen sallii keskimääräisen tehon nostamisen, jolloin solun reunalla olevien käyttäjien palvelun laatu paranee, tai solun kokoa voidaan vastaavasti kasvattaa. Väitöskirjassa esitettyjen menetelmien avulla voidaan siis erityisesti parantaa solun reunakäyttäjien palvelun laatua.

_____

*Valtteri Tervo suorittaa tuplatutkinnon sekä Oulun yliopistossa että JAISTissa (Japan Advanced Institute of Science and Technology). Väitökseen osallistuvat videoyhteydellä myös opponentit Japanissa ja Hong Kongissa (City University of Hong Kong).