Energy efficiency in wireless communications for mobile user devices

Mención Internacional en el título de doctorMobile user devices’ market has experi-enced an exponential growth worldwide over the last decade, and wireless communications are the main driver for the next generation of 5G networks. The ubiquity of battery-powered connected devices makes energy efficiency a major research issue. While most studies assumed that network interfaces dominate the energy consumption of wireless communications, a recent work unveils that the frame processing carried out by the device could drain as much energy as the interface itself for many devices. This discovery poses doubts on prior energy models for wireless communications and forces us to reconsider existing energy-saving schemes. From this standpoint, this thesis is de-voted to the study of the energy efficiency of mobile user devices at multiple layers. To that end, we assemble a comprehensive en-ergy measurement framework, and a robust methodology, to be able to characterise a wide range of mobile devices, as well as individual parts of such devices. Building on this, we first delve into the en-ergy consumption of frame processing within the devices’ protocol stack. Our results identify the CPU as the leading cause of this energy consumption. Moreover, we discover that the characterisation of the energy toll ascribed to the device is much more complex than the previous work showed. Devices with complex CPUs (several frequencies and sleep states) require novel methodologies and models to successfully characterise their consumption. We then turn our attention to lower levels of the communication stack by investigating the behaviour of idle WiFi interfaces. Due to the design of the 802.11 protocol, together with the growing trend of network densification, WiFi devices spend a long time receiving frames addressed to other devices when they might be dormant. In order to mitigate this issue, we study the timing constraints of a commercial WiFi card, which is developed into a standard-compliant algorithm that saves energy during such transmissions. At a higher level, rate adaptation and power control techniques adapt data rate and output power to the channel conditions. However, these have been typically studied with other metrics rather than energy efficiency in mind (i.e., performance figures such as throughput and capacity). In fact, our analyses and sim-ulations unveil an inherent trade-off between throughput and energy efficiency maximisa-tion in 802.11. We show that rate adaptation and power control techniques may incur inef-ficiencies at mode transitions, and we provide energy-aware heuristics to make such decisions following a conservative approach. Finally, our research experience on simula-tion methods pointed us towards the need for new simulation tools commited to the middle-way approach: less specificity than complex network simulators in exchange for easier and faster prototyping. As a result, we developed a process-oriented and trajectory-based discrete-event simulation package for the R language, which is designed as a easy-to-use yet pow-erful framework with automatic monitoring capabilities. The use of this simulator in net-working is demonstrated through the energy modelling of an Internet-of-Things scenario with thousands of metering devices in just a few lines of code.El mercado de los dispositivos de usuario móviles ha experimentado un crecimiento exponencial a nivel mundial en la última década, y las comunicaciones inalámbricas son el principal motor de la siguiente generación de redes 5G. La ubicuidad de estos dispos-itivos alimentados por baterías hace de la eficiencia energética un importante tema de investigación. Mientras muchos estudios asumían que la interfaz de red domina el consumo energético de las comuni-caciones inalámbricas, un trabajo reciente revela que el procesado de tramas que se lleva a cabo en el disposi-tivo podría gastar tanta energía como la propia interfaz para muchos dispositivos. Este descubrimiento plantea dudas sobre los anteriores modelos energéticos para comunicaciones inalámbricas y nos obliga a reconsid-erar los esquemas de ahorro energético existentes. Desde este punto de vista, esta tesis está dedicada al estudio de la eficiencia energética de dispositivos de usuario móviles en múltiples capas. Para ello, se construye un completo sistema de medida de energía, y una metodología robusta, capaz de caracterizar un amplio rango de dispositivos móviles, así como partes individuales de tales dispositivos. A partir de esto, en primer lugar se profundiza en el consumo energético del procesamiento de tramas en la pila de protocolos de los dispositivos. Nuestros resul-tados identifican a la CPU como principal causa de tal consumo. Además, se descubre que la caracterización de la cuota energética adscrita al dispositivo es mucho más compleja que lo mostrado por el trabajo ante-rior. Los dispositivos con CPU complejas (múltiples frecuencias y modos de apagado) requieren nuevas metodologías y modelos para caracterizar su consumo de manera existosa. En este punto, volvemos nuestra atención hacia niveles más bajos de la pila de comunicaciones para investigar el comportamiento de las interfaces WiFi en estado inactivo. Debido al diseño del protocolo 802.11, junto con la tendencia creciente hacia la densifi-cación de las redes, los dispositivos WiFi pasan mucho tiempo recibiendo tramas destinadas a otros dispos-itivos cuando podrían estar apagados. Para mitigar este problema, se estudian las limitaciones temporales de una tarjeta WiFi comercial, lo que posteriormente se utiliza para desarrollar un algoritmo conforme con el estándar que es capaz de ahorrar energía durante dichas transmisiones. A un nivel más alto, las técnicas de adaptación de tasa y control de potencia adaptan la tasa de datos y la potencia de salida a las condiciones del canal. No obstante, estas técnicas han sido típicamente es-tudiadas con otras métricas en mente (i.e., figuras de rendimiento como la tasa total y la capacidad). De hecho, nuestros análisis y simulaciones desvelan un conflicto entre la maximización de la tasa total y la efi-ciencia energética en 802.11. Se muestra que las técni-cas de adaptación de tasa y control de potencia pueden incurrir en ineficiencias en los cambios de modo, y se proporcionan heurísticos para tomar tales decisiones de un modo conservador y eficiente energéticamente. Finalmente, nuestra experiencia investigadora en métodos de simulación nos hizo conscientes de la necesidad de nuevas herramientas de simulación comprometidas con un enfoque intermedio: menos especificidad que los complejos simuladores de re-des a cambio de facilidad y rapidez en el prototipado. Como resultado, se desarrolló un paquete de simu-lación por eventos discretos para el lenguaje R orien-tado a procesos y basado en trayectorias, el cual está diseñado como una herramienta fácil de utilizar a la par que potente con capacidad de monitorización au-tomática integrada. El uso de este simulador en redes se demuestra mediante el modelado en energía de un escenario de la Internet de las Cosas con miles de dis-positivos de medida en tan solo unas pocas líneas de código.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Juan Manuel López Soler.- Secretario: Francisco Valera Pintor.- Vocal: Paul Horatiu Patra