Details
| Autor: | Florian Gast |
| Titel: | Optimizing Transceiver Energy Efficiency with a Gearbox Physical Layer |
| Typ: | Dissertation |
| Fachgebiet: | Informationstechnik |
| Reihe: | Mobile Nachrichtenübertragung, Nr.: 109 |
| Auflage: | 1 |
| Sprache: | Englisch |
| Erscheinungsdatum: | 1.5.2026 |
| Lieferstatus: | lieferbar |
| Umfang: | 162 Seiten |
| Bindung: | Soft |
| Preis: | 69,00 EUR |
| ISBN: | 9783959470872 |
| Umschlag: | (vorn) |
| Inhaltsverzeichnis: | (pdf) |
Abstrakt in Englisch
With their rapidly increasing energy demands, mobile communications networks present significant economic and environmental challenges. Their high energy consumption results in significant greenhouse gas emissions and substantial operational costs for network providers. Given the projected increase in data traffic, it is crucial to implement energy-efficient solutions to mitigate this trend.
Analyses by network providers identify the analog front end as the dominant contributor to overall energy consumption, making it the central focus of this thesis. In this regard, we investigate the Gearbox-PHY, a dynamic physical layer approach designed to reduce energy consumption by switching between multiple modulation schemes and their corresponding radio front ends. This work aims to evaluate its energy-saving potential and identify the key components influencing its efficiency.
We first analyze the data rate requirements in mobile networks and demonstrate that low data rates occur most frequently, while peak rates remain rare events. We then explain the Gearbox-PHY in more detail, express the concept as a mathematical optimization problem, and integrate models and literature-based measurements for all major analog front end components to quantify the energy consumption per bit across various system configurations. Starting with generalized modulation schemes, we progressively extend our analysis to practical modulation schemes and ultimately incorporate hardware impairments, gradually refining our model to capture practical aspects of mobile communications systems.
Our findings demonstrate that the Gearbox-PHY has significant potential to reduce energy consumption in future mobile networks, achieving energy savings of up to two orders of magnitude at low data rates and high carrier frequencies. These results show that the Gearbox-PHY is a strong candidate for next-generation mobile networks, offering a promising path toward reducing energy consumption and enhancing the sustainability of wireless communications.
Abstrakt in Deutsch
Mit ihrem rasant steigenden Energiebedarf stellen mobile Kommunikationsnetze er- hebliche wirtschaftliche und ökologische Herausforderungen dar. Ihr hoher Energie- verbrauch führt zu erheblichen Treibhausgasemissionen und enormen Betriebskosten für Netzbetreiber. Angesichts des prognostizierten Anstiegs des Datenverkehrs ist die Implementierung energieeffizienter Lösungen entscheidend.
Analysen von Netzbetreibern zeigen, dass das analoge Front End den größten Beitrag zur Gesamtleistungsaufnahme bildet, was es zum zentralen Fokus dieser Arbeit macht. In diesem Zusammenhang untersuchen wir das Gearbox-PHY Konzept, einen Ansatz, der darauf ausgelegt ist, den Energieverbrauch von Kommunikationsnetzen durch das Umschalten zwischen Modulationsschemata und dazugehörigen Front Ends zu reduzieren. Diese Arbeit analysiert das Energieeinsparpotenzial des Gearbox- PHY und identifiziert die Schlüsselkomponenten, die die Effizienz beeinflussen.
Zunächst analysieren wir dafür die Datenratenanforderungen eines Mobilfunknetzes und zeigen, dass niedrige Datenraten am häufigsten auftreten, während Spitzen- datenraten seltene Ereignisse bleiben. Anschließend erläutern wir das Gearbox-PHY genauer, formulieren das Konzept als mathematisches Optimierungsproblem und integrieren Modelle sowie literaturbasierte Messwerte für die Leistungsaufnahme alle wesentlichen Komponenten des analogen Front Ends, um den Energieverbrauch pro übertragenem Bit in verschiedenen Systemkonfigurationen zu quantifizieren. Ausgehend von verallgemeinerten Modulationsschemata erweitern wir unsere Anal- yse schrittweise auf praktische Modulationsschemata und beziehen schließlich Hardware-Beeinträchtigungen mit ein, wodurch unser Modell zunehmend die realen Herausforderungen mobiler Kommunikationssysteme widerspiegelt.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Gearbox-PHY Konzept ein erhebliches Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs in zukünftigen Kommunikationsetzwerken bietet. Insbesondere bei niedrigen Datenraten und hohen Trägerfrequenzen kann der Energieverbrauch um bis zu zwei Größenordnungen gesenkt werden. Diese Erken- ntnisse belegen, dass das Gearbox-PHY Konzept ein vielversprechender Kandidat für die nächste Generation mobiler Kommunikationsetzwerke ist und einen effizien- ten Ansatz zur Senkung des Energieverbrauchs und zur Förderung nachhaltiger drahtloser Kommunikation darstellt.