Hybrid spectrum mechanism for energy vertical

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>In this thesis, we propose and study two different communication networks, (i) unlicensed (dynamic) spectrum access and (ii) local licensing models, to be used in the future communication technology, 5G, and more specifically, smart grids. In the unlicensed spectrum access model, the licensed and unlicensed nodes share the same frequency band, allocated to the uplink channel. However, the unlicensed nodes cannot harm the licensed nodes’ communications. On the other hand, in the local licensing model, the network operator holds the exclusive license for its own network spectrum usage. The Poisson point process is used to model our proposed networks, and to conduct the mathematical analysis in this thesis, we use different concepts of stochastic geometry and communication theory.</p><p>Our first contribution is the two previously mentioned proposed communication models, and the assessment of their reliability, with or without retransmissions. We derive the closed form of the outage probability for the local licensing scenario and an approximated outage expression for the unlicensed spectrum access approach. In all these analyses, the finite blocklength notion is also considered. We also analyze the effect of retransmissions on the reliability and delay of each network. Moreover, we study the unlicensed spectrum access in more depth, analyzing this model in terms of the optimal throughput and energy efficiency. We study the throughput in a constrained optimization problem, constrained by the number of retransmissions and the SIR threshold. It is then shown how different network metrics such as the density of interferers, outage, and the SIR threshold can affect the throughput and energy efficiency of this model. Lastly, we study the energy efficiency of the optimal throughput and show why it is more feasible to have only a limited number of retransmissions in the network, rather than a very large number of retransmissions.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Tässä väitöstyössä esitetään ja tutkitaan (i) lisensoimattomaan (dynaaminen) spektrinkäyttöön pohjautuvan ja (ii) paikallisia lisensointimalleja hyödyntävän tietoliikenneverkon käyttöä tulevaisuuden tietoliikenneteknologioissa, 5G:ssä ja erityisesti älykkäissä sähköverkoissa. Lisensoimattoman spektrinkäytön mallissa lisensoidut ja lisensoimattomat käyttäjät jakavat saman taajuuskaistan ylälinkissä, mutta lisensoimaton käyttö ei saa häiritä lisensoitua käyttöä. Toisaalta paikallisen lisensoinnin mallissa verkko-operaattorilla on yksinomainen käyttöoikeus tiettyyn taajuusalueeseen. Työssä esitetyissä verkkomalleissa käytetään Poisson-pisteprosessia ja matemaattista analyysiä varten erilaisia stokastisen geometrian ja tietoliikenneteorian menetelmiä.</p><p>Työn alkuosassa tarkastellaan edellä mainittuja tietoliikennemalleja ja niiden luotettavuutta sekä ilman uudelleenlähetyksiä että niiden kanssa. Työssä johdetaan yhteyskatkostodennäköisyys suljetussa muodossa paikallisen lisensoinnin skenaariossa sekä vastaava approksimaatio lisensoimattoman spektrinkäytön tapauksessa. Myös äärellinen lohkonpituus otetaan huomioon näissä kaikissa analyyseissä. Samoin analysoidaan uudelleenlähetysten vaikutusta kunkin verkon viive- ja luotettavuustasoon. Lisäksi lisensoimatonta taajuuksien käyttöä tarkastellaan yksityiskohtaisemmin optimaalisen spektri- ja energiatehokkuuden näkökulmista. Verkon suorituskykyä tutkitaan optimointiongelmana, jota rajoittavat uudelleenlähetysten lukumäärä ja signaalihäiriösuhteelle (SIR) asetettu kynnystaso. Työssä osoitetaan kuinka eri muuttujat kuten häiriölähteiden tiheys, yhteyskatkostodennäköisyys ja SIR-kynnys vaikuttavat spektri- ja energiatehokkuuteen tässä mallissa. Lopuksi tutkitaan energiatehokkuutta optimaalisen spektritehokkuuden tilanteessa, jossa osoitetaan järkeväksi rajata uudelleenlähetysten määrä kohtuullisen pieneksi.</p></div>