This thesis explores the optimization of energy efficiency (EE) in the radiolink of wireless communication systems, focusing on both the user equipment (UE) and the base station (BS). The first part of the study examines strategies to minimize the energy consumption of the UE when transmitting short data payloads, utilizing a reconfigurable intelligent surface (RIS) controlled by the BS, to improve the channel conditions. The challenge lies in balancing the increased energy consumption due to additional pilot signals needed toconfigure the RIS against the energy savings during data transmission. We propose an innovative approach where the RIS is divided into subarrays of controllable sizes to shorten the pilot length. The analytical results provide a unique energy-minimizing solution in terms of pilot length and power which depends on an interplay between the payload size and path loss conditions between the UE, BS, and RIS. In the second part, the focus shifts to the EE of a multi-antenna BS. A comprehensive power consumption model is employed, accounting for both active and passive components of the transceiver circuitry. By treating the transmit power, bandwidth, and number of antennas as optimization variables, we derive novel closed-form solutions to the optimal value of these variables and propose an algorithm for their joint optimization. This part of the study not only optimizes the variables for maximum EE but also uncovers a new relationship between radiated power and passive transceiver power consumption, offering insights into the trade-offs between using maximum power and bandwidth. Together, these studies provide an updated view of EE optimization in wireless communication systems, offering novel theoretical insights for both UE and BS configurations.

Denna avhandling utforskar optimeringen av energieffektivitet (EE) i trådlösa kommunikationssystem, med fokus på både användarenheten (UE) och basstationen (BS). Den första delen av studien undersöker strategier för att minimera energiförbrukningen hos UEn vid överföring av korta datapaket, genom att använda en rekonfigurerbar intelligent yta (RIS) som styrs av basstationen för att förbättra radiokanalen. Utmaningen ligger i att balansera den ökade energiförbrukningen på grund av de ytterligare pilotsignalerna som krävs för att konfigurera en RIS mot energibesparingarna som sker underdataöverföringen. Vi föreslår ett tillvägagångssätt där en RIS delas upp i delarrayer av kontrollerbar storlek för att förkorta pilotlängden. De analytiska resultaten ger en unik lösning för minimering av energikonsumptionen i termer av pilotlängd och pilotenergi och beror på paketstorleken och de relativastyrkeförhållandena i radiokanalen mellan UE, BS och RIS. I den andra delen flyttas fokus till EE hos en basstation med flera antenner. En omfattande modell för effektförbrukning som tar hänsyn till både aktiva och passiva komponenter i transceivermodulen används. Genom attbehandla utsänd effekt, bandbredd och antalet antenner som optimeringsvariabler, härleder vi nya lösningar för det optimala värdet av dessa variabler och vi föreslår en algoritm för deras gemensamma optimering. Denna del av studien optimerar inte bara variablerna för maximal EE, utan avslöjar också en ny relation mellan utstrålad effekt och passiv effektförbrukning i transceivern, vilket leder till nya insikter kring avvägningarna mellan att använda maximal effekt och bandbredd. Tillsammans ger dessa studier en uppdaterad syn på energioptimering i trådlösa kommunikationssystem, och nya teoretiska insikter för både UE- och basstationskonfigurationer.

This thesis explores the optimization of energy efficiency (EE) and practical configuration overhead in wireless communication systems, focusing on both the user equipment (UE) and the base station (BS).

The first part of the study examines minimizing the UE's energy consumption when transmitting short data payloads via a BS-controlled reconfigurable intelligent surface (RIS). To balance the energy cost of the additional pilot signals needed to configure the RIS against the energy savings during data transmission, we propose dividing the RIS into controllable subarrays. This yields a unique energy-minimizing configuration determined by payload size and path loss conditions. Building on the practical challenges of RIS implementation, we then address the wireless control signaling overhead required to feed back these phase-shift configurations to the RIS. We propose a novel quantization codebook that guarantees minimal signal-to-noise ratio (SNR) loss while reducing feedback overhead from linear to logarithmic scaling with the number of RIS elements, and we introduce an efficient differential feedback scheme for mobility scenarios.

The second part focuses on the EE of multi-antenna BSs using an active and passive transceiver model. By jointly optimizing transmit power, bandwidth, and the number of antennas, we derive novel closed-form solutions that uncover a fundamental relationship between radiated power and passive circuitry consumption. This optimization framework is extended to incorporate Quality-of-Service constraints and advanced sleep modes, leading to a dynamic scheduling algorithm that optimizes hardware configurations to minimize total energy consumption for bursty traffic.

Finally, the thesis investigates the fundamental EE limits of a dual-band BS site combining a coverage-oriented sub-6 GHz carrier with a high-bandwidth, capacity-oriented secondary carrier. By jointly optimizing hardware parameters and sleep-mode activity across both bands, we identify four distinct operational regions that govern EE-optimal behavior. We derive analytical thresholds dictating precisely when the secondary capacity band should awaken from sleep and how much traffic it should carry, demonstrating that its utilization becomes EE-optimal only when the power cost of the bandwidth-limited primary band exceeds the static power penalty of activating the secondary circuitry.

Together, these studies provide a comprehensive view of EE optimization and resource management, offering novel theoretical insights and actionable design guidelines for UE and BS configurations, RIS control signaling, sleep-mode management, and multi-band integration.

Denna avhandling utforskar optimeringen av energieffektivitet (EE) och den signaleringsoverhead som krävs i trådlösa kommunikationssystem, med fokus på både användaren (UE) och basstationen (BS).

Den första delen av studien undersöker hur energiförbrukningen hos en UE kan minimeras vid överföring av små datamängder via en rekonfigurerbar intelligent yta (RIS) styrd av BS. För att balansera energikostnaden för de extra pilotsignaler som krävs för att konfigurera ytan mot energibesparingarna under dataöverföringen föreslår vi att RIS:ens element delas in i styrbara grupper (subarrays). Detta ger en unik energiminimerande konfiguration som bestäms av datamängdens storlek och radiokanalens dämpning. Med utgångspunkt i de praktiska utmaningarna vid RIS-implementering behandlar vi därefter den trådlösa kontrollsignalering som krävs för att återkoppla dessa faskonfigurationer till RIS:en. Vi föreslår en ny kvantiseringskodbok som garanterar en minimal förlust i signal-brusförhållande (SNR) samtidigt som signaleringsoverheaden reduceras från att skala linjärt till att skala logaritmiskt med antalet RIS-element. Dessutom introducerar vi ett effektivt differentiellt kontrollsignaleringsschema för mobilitetsscenarier.

Den andra delen fokuserar på EE hos basstationer med flera antenner, med hjälp av en effektförbrukningsmodell som tar hänsyn till sändarens aktiva och passiva komponenter. Genom att gemensamt optimera sändareffekt, bandbredd och antal antenner härleder vi nya analytiska lösningar som visar ett samband mellan utstrålad effekt och passiv kretsförbrukning. Detta optimeringsramverk utvidgas vidare till att omfatta tjänstekvalitetskrav (QoS) och avancerade vilolägen, vilket leder till en dynamisk schemaläggningsalgoritm som anpassar hårdvarukonfigurationen för att minimera den totala energiförbrukningen vid skurvis trafik.

Slutligen undersöker avhandlingen de grundläggande gränserna för energieffektivitet hos en tvåbandsbasstation som kombinerar en täckningsorienterad primär bärvåg under 6 GHz med en kapacitetsorienterad sekundär bärvåg med hög bandbredd. Genom att gemensamt optimera hårdvaruparametrar och vilolägenas aktivitet över de båda banden identifierar vi fyra driftsområden för EE överföring. Vi härleder analytiska tröskelvärden som exakt anger när det sekundära kapacitetsbandet bör väckas ur sitt viloläge, och visar att aktiveringen är optimal ur energieffektivitetssynpunkt först när kostnaden att tvinga ytterligare trafik genom det bandbreddsbegränsade primära bandet överstiger den statiska effektkostnaden för att aktivera det sekundära bandet.

Sammantaget ger dessa studier en samlad bild av energieffektiv optimering och resurshantering. De bidrar med nya teoretiska insikter och praktiska riktlinjer för utformningen av BS-konfigurationer, RIS-kontrollsignalering, hantering av vilolägen och multibandsintegration.