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Optimization models for resource management in two-tier cellular networks

Estrada Pico, Rebeca (2014). Optimization models for resource management in two-tier cellular networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Macro-femtocell network is the most promising two-tier architecture for the cellular network operators because it can improve their current network capacity without additional costs. Nevertheless, the incorporation of femtocells to the existing cellular networks needs to be finely tuned in order to enhance the usage of the limited wireless resources, because the femtocells operate in the same spectrum as the macrocell. In this thesis, we address the resource optimization problem for the OFDMA two-tier networks for scenarios where femtocells are deployed using hybrid access policy.

The hybrid access policy is a technique that could provide different levels of service to authorized users and visitors to the femtocell. This method reduces interference received by femtocell subscribers by granting access to nearby public users. These approaches should find a compromise between the level of access granted to public users and the impact on the subscribers satisfaction. This impact should be reduced in terms of performance or through
economic compensation.

In this work, two specific issues of an OFDMA two-tier cellular network are addressed. The first is the trade-off between macrocell resource usage efficiency and the fairness of the resource distribution among macro mobile users and femtocells. The second issue is the compromise between interference mitigation and granting access to public users without depriving the subscriber downlink transmissions. We tackle these issues by developing several resource allocation models for non-dense and dense femtocell deployment using Linear Programming and one evolutionary optimization method. In addition, the proposed resource allocation models determine the best suitable serving base station together with bandwidth and transmitted power per user in order to enhance the overall network capacity.

The first two parts of this work cope with the resource optimization for non-dense deployment using orthogonal and co-channel allocation. Both parts aim at the maximization of the sum of the weighted user data rates. In the first part, several set of weights are introduced to prioritize the use of femtocells for subscribers and public users close to femtocells. In addition, macrocell power control is incorporated to enhance the power distribution among the active downlink transmissions and to improve the tolerance to the environmental noise. The second part enables the spectral reuse and the power adaptation is a three-folded solution that enhances the power distribution over the active downlink transmissions, improves the tolerance to the environmental noise and a given interference threshold, and achieves the target Quality of Service (QoS).

To reduce the complexity of the resource optimization problem for dense deployment, the third part of this work divides the optimization problem into subproblems. The main idea is to divide the user and FC sets into disjoint sets taking into account their locations. Thus, the optimization problem can be solved independently in each OFDMA zone. This solution allows the subcarriers reuse among inner macrocell zones and femtocells located in outer macrocell zones and also between femtocells belonging to different clusters if they are located in the same zone. Macrocell power control is performed to avoid the cross-tier interference among macrocell inner zones and inside femtocells located in outer zones.

Another well known method used to reduce the complexity of the resource optimization problem is the femtocell clustering. However, finding the optimal cluster configuration together with the resource allocation is a complex optimization problem due to variable number related to the possible cluster configurations. Therefore, the part four of this work deals with a heuristic cluster based resource allocation model and a motivation scheme for femtocell clustering through the allocation of extra resources for subscriber and “visitor user” transmissions. The cluster based resource allocation model maximizes the network throughput while keeping balanced clusters and minimizing the inter-cluster interference.

Finally, the proposed solutions are evaluated through extensive numerical simulations and the numerical results are presented to provide a comparison with the related works found in the literature.

Titre traduit

Modèles d'optimisation pour la gestion des ressources dans les réseaux cellulaires two-tier

Résumé traduit

L’architecture hiérarchique bi-niveau (c.à.d. two-tier) qui se compose d’une macrocellule et des femtocellules est la plus prometteuse pour les opérateurs des réseaux cellulaires, parce que cette architecture peut améliorer la capacité actuelle des réseaux cellulaires sans coûts additionnels. Toutefois, l’incorporation des femtocellules dans les réseaux cellulaires existants doit être habilement configurée en vue de l’amélioration de l’utilisation des ressources limitées. Dans cette thèse, nous abordons le problème de l’optimisation des ressources pour les réseaux bi-niveau utilisant la technologie OFDMA dans les scénarios où les femtocellules emploient la méthode d’accès hybride.

La méthode d’accès hybride est une technique qui fournit différents niveaux de service aux abonnés et aux utilisateurs non-autorisés et réduit les interférences perçus par les abonnés en octroyant des accès à des utilisateurs publics qui se trouvent dans les environs. Cette méthode devrait fournir un compromis entre l’impact sur la satisfaction des abonnés et le niveau d’accès accordé aux non-abonnés. L’impact sur les abonnés doit être minimisé en termes de performance ou doit être compensé par des avantages économiques.

Ce projet de recherche se concentre sur deux contraintes qui affectent le réseau cellulaire OFDMA bi-niveau. La première contrainte est constituée par le compromis à faire entre l’efficacité de l’utilisation des ressources de la macrocellule et la distribution équitable des ressources entre les macro-utilisateurs et les femtocellules. La seconde contrainte concerne les femtocellules, il s’agit du compromis à faire entre l’atténuation des interférences et l’octroi d’accès aux utilisateurs publics sans que les performances de la transmission descendante des abonnés ne soient affectées. Nous abordons ces contraintes par la mise en oeuvre de plusieurs modèles d’allocation des ressources pour des déploiements de réseaux dense et non dense. La programmation linéaire et une méthode évolutionnaire d’optimisation sont les outils d’optimisation employées. En plus, les modèles d’allocation des ressources proposées déterminent conjointement la station base la plus appropriée a utiliser, la quantité de bande passante et la puissance de transmission de l’utilisateur dans le but d’améliorer la capacité globale du réseau.

Les deux premières parties de ce travail se concentrent sur l’optimisation des ressources pour les déploiements non-denses en utilisant l’assignation orthogonale et co-canaux entre la macrocellule et les femtocellules. Les deux parties aboutissent à la maximisation de la somme des débits pondérés des utilisateurs. Dans la première partie, deux ensembles de pondération sont introduits afin de prioriser l’utilisation des femtocellules par les abonnés et les utilisateurs publics qui se trouvent proche des femtocellules. En outre, nous avons introduit le réglage de la puissance dans la macrocellule en vue de l’amélioration de la distribution de la puissance entre les transmissions descendantes actifs et de l’amélioration de la tolérance au bruit. La deuxième partie permet la réutilisation spectrale et le réglage de la puissance. Cette réutilisation spectrale et le réglage de la puissance offrent une solution a trois volets qui améliore la distribution de la puissance entre les transmissions descendant actives, améliore la tolérance au bruit et à l’interférence et permet d’atteindre la qualité de service (QoS) exigée.

En vue de réduire la complexité du problème d’optimisation des ressources pour les déploiements de réseaux dense, la troisième partie de ce travail a divisé le problème d’optimisation en sousproblèmes. L’idée est de diviser les utilisateurs et les femtocellules en groupes distincts en se basant sur leurs localisations. Ainsi, le problème d’optimisation peut être résolu séparément dans chaque zone OFDMA. Cette solution permet la réutilisation des sous-porteuses d’une part entre une zone intérieure de la macrocellule et les femtocellules situées dans les zones extérieures de la macrocellule; et d’autre part entre les grappes des femtocellules situés dans la même zone. Le contrôle de la puissance est utilisé pour assurer la qualité de service (QoS) des utilisateurs et pour réduire l’interférence croisée entre la zone intérieure et les femtocellules situées dans les zones extérieures de la macrocellule.

Une autre méthode très commune pour réduire la complexité du problème de l’optimisation des ressources est le regroupement de femtocellules. Cependant, trouver la configuration optimale de regroupement en même temps que faire l’allocation de ressources est un problème d’optimisation complexe en raison du nombre de variables liées à toutes les configurations de regroupement possibles. Par conséquent, la quatrième partie de ce travail porte sur un modèle d’allocation des ressources heuristique basé sur les regroupements (c.à.d. clusters) et une méthode de motivation pour le regroupement des femtocellules à travers l’allocation de ressources supplémentaires aux transmissions de l’abonné et de l’utilisateur "visiteur". Le modèle d’allocation des ressources basé sur les regroupements maximise le débit du réseau tout en gardant les groupes équilibrés et en minimisant l’interférence inter-regroupements.

Finalement, les solutions proposées sont évaluées par de vastes simulations numériques et les résultats numériques sont présentées pour soutenir les solutions proposées, et pour fournir une comparaison plus éclairée avec d’autres modèles proposés dans la littérature.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 183-193.
Mots-clés libres: Téléphonie cellulaire. Femtocellules. Programmation linéaire. Transmission sans fil. accès, bi-niveau, biniveau, hybride, macrocellule, OFDMA, réseau macro-femtocellule, orthogonal frequency division multiple access, lèfemtocell d’accès hybride, réglage de puissance, grappe des femtocellules, optimisation par essaim particulaire
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Dziong, Zbigniew
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Otrok, Hadi
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 16 févr. 2015 21:34
Dernière modification: 13 mars 2017 23:32
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1421

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