Energy-efficient resource allocation in multi-carrier digital subscriber lines

Abstract

Digital subscriber lines (DSL) sind mit weltweit über 300 Millionen Nutzern eine der aktuell wichtigsten Breitbandtechnologien.<br />Neben einem wachsenden Umweltbewusstsein ist es diese große Anzahl an bereits installierten Systemen, die Energieeffizienz zu einem wichtigen Gütemaß für DSL Systeme macht. Die Hauptbeeinträchtigung der Übertragungsqualität in gebräuchlichen DSL Systemen ist das Übersprechen im Kabelbündel. Die Koordinierung der Sendeleistungsspektra mehrerer Systeme erlaubt es, die nachteiligen Auswirkungen des Übersprechens abzuschwächen und die Übertragungseffizienz und Verbindungsstabilität zu verbessern. Das entsprechende mehrdimensionale "Rucksackproblem" ist jedoch nur für Zugangsnetze mit wenigen aktiven DSL Nutzern optimal lösbar. Das Ziel dieser Arbeit ist daher der Entwurf von robusten und energieeffizienten Algorithmen zum dynamischen Spektrum-Management (DSM) mit niedriger Komplexität, welche auf große DSL Netzwerke anwendbar sind.<br />Die vorgestellte Entwurfsstrategie zielt auf eine Sendeleistungsminimierung in Mehrträgerübertragungssystemen mit mehreren Nutzern ab, wobei eine Lagrange-Relaxierung des Optimierungsproblems zur Anwendung kommt. Die Wahl der Zielfunktion resultiert aus vergleichenden Simulationen mit einem nichtlinearen Modell des Leistungsverbrauchs eines Leitungstreibers, welcher einen Großteil der Gesamtleistung eines DSL Sendeempfängers darstellt. Es wird gezeigt, dass die verwendete Relaxierung eine "Dualitätslücke" in Bezug auf die Zielfunktion mit sich bringt, die jedoch in praxisrelevanten Szenarien vernachlässigbar ist.<br />Um eine enge Schranke für die Performanz von DSM Algorithmen zu berechnen wird ein neuer Ansatz für dual-optimales DSM hergeleitet, der die Menge der derzeit lösbaren DSM Probleme erweitert. Für noch größere Netzwerke wird ein neuartiger und vielseitig anwendbarer DSM Algorithmus vorgeschlagen, welcher die Anwendung von effizienten Heuristiken erlaubt.<br />All diese DSM Verfahren erreichen Energieeffizienz durch die Reduktion der Sendeleistung bei gleichzeitiger Einhaltung vereinbarter, minimaler Bitraten. Von Netzbetreibern wird jedoch neben Energieeffizienz auch Serviceabdeckung nachgefragt. Darauf Rücksicht nehmend wird ein systematischer Ansatz vorgestellt, um zulässige minimale Bitraten zu berechnen. Dadurch lässt sich der Überschuss an Bitrate über das dem Service entsprechende Maß hinaus reduzieren und die damit einhergehende Vergeudung von Sendeleistung vermeiden. Nichtsdestotrotz werden energieeffiziente DSM Lösungen nur dann in der Praxis akzeptiert, wenn die nachgefragte Servicequalität auch unter Schwankungen von elektromagnetischen Störungen und möglichen Fehlern im Optimierungsmodell bereitgestellt werden kann. Des Weiteren werden deshalb auf DSM basierende Techniken zur Verbindungsstabilisierung auf ihre Energieeffizienz untersucht. Es zeigt sich, dass der berechnete, damit verbundene zusätzliche Leistungsverbrauch gering ist im Vergleich zum Energieeinsparungspotential welches marktübliche DSL Technologien bergen.<br />

Digital subscriber lines (DSL) are one of the major current broadband access technologies, with a penetration of over 300 million DSL subscribers world-wide. Besides an increasing environmental awareness, it is this large number of deployed systems which has let energy-efficiency become an important operational metric for DSL. The major performance limiting impairment in current DSL systems is the interference among DSL lines. Using power spectral coordination among the lines we can mitigate the detrimental effects of interference and improve their efficiency and stability. The corresponding multi-dimensional nonlinear Knapsack problem however becomes intractable to be solved optimally for all but access networks with a few lines. The aim of this thesis is the design of novel robust and energy-efficient dynamic spectrum management (DSM) algorithms with low complexity for large DSL networks.<br />The presented design approach targets the transmit-power minimization and is based on a Lagrange dual relaxation of the multi-user and multi-carrier constrained optimization problem. The choice of objective is supported by simulations comparing it to a nonlinear model of the line-driver power consumption, a major contributor to the power budget of a DSL transceiver. The applied relaxation is shown to incur a gap in objective value compared to the original target function, which is however found to be negligible in practically relevant scenarios. In order to obtain a tight performance bound for DSM a new approach for dual optimal DSM is derived which enlarges the current set of DSM problems that can be solved optimally in practice. For even larger problems a novel versatile and scalable DSM framework is proposed which allows for the application of low-complexity heuristics.<br />All these DSM schemes are energy-efficient by reducing the transmit power while achieving an agreed target-rate. Recognizing the network operators' demand for both, energy-efficiency and service coverage, a systematic approach to find feasible target-rates is presented. This allows to lower the excess in rate beyond the targeted service and therefore to avoid the needless waste of transmit power. However, energy-efficient DSM solutions will only be accepted in practice if a demanded quality of service can be guaranteed under fluctuations in electromagnetic disturbances and possible errors in the optimization model. Hence, low-complexity DSM-based stabilization techniques are investigated in terms of their energy-efficiency, and found to expend little extra power compared to the savings achievable by currently available DSL technologies.<br />