Resource allocation in future green wireless networks : applications and challenges

Résumé

Au cours des récentes dernières années, les réseaux sans fil vertes sont devenues un sujet émergent vu que l’empreinte carbone des technologies de l’information et de la communication (TIC) devrait, selon les prévisions, augmenter annuellement de 7,3%, puis dépasser 14% l’empreinte globale d’ici 2040. De plus, la croissance explosive des TICs, par exemple la cinquième génération de réseaux mobiles (5G), prévoit d’atteindre dix fois plus de durée de vie pour les batteries des appareils et mille fois plus de trafics de données dans les réseaux mobiles par rapport à la quatrième génération de réseaux mobiles (4G). Les demandes d’augmentation du débit de données et de la durée de vie des batteries tout en réduisant l’empreinte carbone des réseaux sans fil de nouvelles générations requièrent une utilisation plus efficace de l’énergie et bien d’autres ressources. Pour relever ce défi, les concepts de small-cell, energy harvesting, et les transferts sans fil de données et d’énergie électrique devraient être considérés comme solutions prometteuses pour reverdir le monde. Dans cette thèse, les contributions techniques en termes de réduction du coût économique, de protection des environnements et de garantie de la santé humaine sont fournies. Plus spécifiquement, de nouveaux scénarios de communication sont proposés pour minimiser la consommation d’énergie et ainsi réduire les coûts économiques. De plus, des techniques de recueillement de l’énergie (EH) sont utilisées pour exploiter des ressources vertes disponibles afin de réduire l’empreinte carbone et ainsi protéger l’environnement. Dans les endroits où les appareils utilisateurs implémentés ne pourraient pas récupérer l’énergie directement des ressources naturelles, les stations de base pourraient récupérer et stocker l’énergie verte et ensuite utiliser cette énergie pour alimenter sans fil les appareils. Cependant, les techniques de transfert sans fil d’énergie électrique (WPT) devraient être utilisées de manière prudente pour éviter la pollution électromagnétique et ainsi garantir la santé humaine. Pour atteindre tous les aspects simultanément, cette thèse propose des schémas prometteurs pour la gestion et l’allocation optimale des ressources dans les réseaux futurs. Dans la première partie, le chapitre 2 étudie principalement un schéma de minimisation de la puissance de transmission pour un réseau 2-tiers hétérogène sur des canaux à évanouissements sélectifs en fréquence. De plus, l’interconnexion de réseaux hétérogènes n’est pas capable de supporter un débit suffisant pour communiquer un échange d’informations entre deux tiers. Une idée novatrice est introduite dans laquelle la technique “time reversal (TR) beamforming” est utilisée sur une femtocellule, tandis que la technique “zero-forcing-based beamforming” est déployée sur une macrocellule. Ainsi, un schéma de minimisation de la puissance de liaison descendante est proposé et des solutions analytiques optimales sont fournies. Dans la deuxième partie, les chapitres 3, 4 et 5 se concentrent sur le EH et le transfert sans fil d’informations et d’énergie électrique en utilisant des signaux fréquence radio (RF). Plus précisément, le chapitre 3 présente un aperçu des progrès récents en matière de radiocommunications vertes et examine les technologies potentielles pour certains thèmes émergents sur les plateformes EH et WPT. Le chapitre 4 développe une nouvelle architecture intégrée de récepteurs d’information et d’énergie basée sur l’utilisation directe du courant alternatif pour le calcul. Il est des montré que l’approche proposée améliore non seulement la capacité de calcul, mais également l’efficacité énergétique par rapport à l’approche conventionnelle. En outre, le chapitre 5 propose un nouveau schéma d’allocation de ressources dans les réseaux de transfert sans fil simultané d’information et d’énergie électrique où trois problèmes cruciaux sont traités conjointement: l’amélioration de l’efficacité énergétique, la garantie d’équité des utilisateurs et l’atténuation de l’effet de réciprocité de canal non idéal. Par conséquent, de nouvelles méthodes permettant de déduire des solutions optimales et sous-optimales seront fournies. Dans la troisième partie, les chapitres 6, 7 et 8 se concentrent sur le transfert simultané d’information par ondes lumineuses et énergie électrique (SWIPT) pour des applications intérieures, en tant que technologie complémentaire au SWIPT RF. Dans cette recherche, le chapitre 6 étudie un réseau à cellules ultra-petites de communication hybride radio fréquence/lumière visible dans lequel des émetteurs optiques acheminent l’information et l’énergie électrique en utilisant la lumière visible, tandis qu’un point d’accès radio fréquence travaille comme un système complémentaire de transfert d’énergie électrique. Ainsi, un nouveau schéma d’allocation de ressource exploitant la radio fréquence et la lumière visible pour le transfert d’énergie électrique est conçu. Le chapitre 7 propose l’utilisation du transfert d’énergie par ondes lumineuses pour permettre la mise en place future et durable des réseaux sans-fil basés sur le Federated Learning (FL). FL est une nouvelle technique de protection de la confidentialité des données pour entrainer des modèles d’apprentissage automatique partagés dans une approche distribuée. Toutefois, l’intégration d’appareils mobiles à contraintes énergétiques pour la construction des modèles d’apprentissage partagés peut réduire considérablement leur durée de vie. L’approche proposée peut prendre en charge le réseau sans fil basé sur le FL pour palier le problème de limitation d’énergie dans les appareils mobiles. Le chapitre 8 présente une nouvelle approche pour le transfert collaboratif d’énergie électrique par ondes lumineuses et radio fréquence pour les réseaux de communications sans fil. Les contraintes de puissance de transmission, fixées par les règles de sécurité, engendrent des défis importants pour améliorer la performance de transfert d’énergie électrique. Ainsi, l’étude de technologies complémentaires au SWIPT RF conventionnel est essentielle. Pour faire face à ce problème, ce chapitre propose une nouvelle technologie collaborative de transfert d’énergie électrique par ondes lumineuses et radio fréquence pour les réseaux sans fil de prochaine génération.

Date	12 déc. 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Georges Kaddoum (Directeur(-trice))