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Distributed radio resource allocation in wireless heterogeneous networks

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Goonewardena, Mathew Pradeep (2017). Distributed radio resource allocation in wireless heterogeneous networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This dissertation studies the problem of resource allocation in the radio access network of heterogeneous small-cell networks (HetSNets). A HetSNet is constructed by introducing smallcells(SCs) to a geographical area that is served by a well-structured macrocell network. These SCs reuse the frequency bands of the macro-network and operate in the interference-limited region. Thus, complex radio resource allocation schemes are required to manage interference and improve spectral efficiency. Both centralized and distributed approaches have been suggested by researchers to solve this problem. This dissertation follows the distributed approach under the self-organizing networks (SONs) paradigm. In particular, it develops game-theoretic and learning-theoretic modeling, analysis, and algorithms. Even though SONs may perform subpar to a centralized optimal controller, they are highly scalable and fault-tolerant.

There are many facets to the problem of wireless resource allocation. They vary by the application, solution, methodology, and resource type. Therefore, this thesis restricts the treatment to four subproblems that were chosen due to their significant impact on network performance and suitability to our interests and expertise. Game theory and mechanism design are the main tools used since they provide a sufficiently rich environment to model the SON problem. Firstly, this thesis takes into consideration the problem of uplink orthogonal channel access in a dense cluster of SCs that is deployed in a macrocell service area. Two variations of this problem are modeled as noncooperative Bayesian games and the existence of pure-Bayesian Nash symmetric equilibria are demonstrated. Secondly, this thesis presents the generalized satisfaction equilibrium (GSE) for games in satisfaction-form. Each wireless agent has a constraint to satisfy and the GSE is a mixed-strategy profile from which no unsatisfied agent can unilaterally deviate to satisfaction. The objective of the GSE is to propose an alternative equilibrium that is designed specifically to model wireless users. The existence of the GSE, its computational complexity, and its performance compared to the Nash equilibrium are discussed.

Thirdly, this thesis introduces verification mechanisms for dynamic self-organization of Wireless access networks. The main focus of verification mechanisms is to replace monetary transfers that are prevalent in current research. In the wireless environment particular private information of the wireless agents, such as block error rate and application class, can be verified at the access points. This verification capability can be used to threaten false reports with backhaul throttling. The agents then learn the truthful equilibrium over time by observing the rewards and punishments. Finally, the problem of admission control in the interfering-multiple access channel with rate constraints is addressed. In the incomplete information setting, with compact convex channel power gains, the resulting Bayesian game possesses at least one pureBayesian Nash equilibrium in on-off threshold strategies.

The above-summarized results of this thesis demonstrate that the HetSNets are amenable to self-organization, albeit with adapted incentives and equilibria to fit the wireless environment. Further research problems to expand these results are identified at the end of this document.

Titre traduit

Allocation distribuée des ressources dans les réseaux sans fil hétérogène

Résumé traduit

Cette thèse étudie le problème d’allocation des ressources dans la partie d’accès radio des réseaux hétérogènes à petites cellules (en anglais Heteregeneous and Small-cell Networks, HetSNets). Un HetSNet est construit en introduisant des petites cellules, dans une zone géographique desservie par un réseau macro-cellulaire bien structuré. Les petites cellules utilisent les mêmes bandes de fréquence que celui du réseau macro-cellulaire et opèrent ainsi dans un régime limité en interférence. Par la suite, une allocation complexe des ressources radio est nécessaire afin de bien gérer l’interférence et améliorer l’efficacité spectrale du réseau. Afin de résoudre ce problème, plusieurs approches centralisées ou distribuées ont été proposées dans la littérature. Cette thèse se concentre sur l’approche distribuée basée sur le paradigme des réseaux auto-organisés. Plus précisement, elle développe des modèles et des algorithmes d’allocation de ressources en faisant appel à la théorie des jeux et à la théorie d’apprentissage. Bien que cette approche distribuée du paradigme des réseaux auto-organisés peut donner des résultats sous optimaux par rapport à l’approche centralisée, elle est hautement évolutive et tolère les pannes.

Le problème d’allocation des ressources comporte plusieurs facette qui varient selon l’application, la méthodologie de la solution et le type des ressources. Par conséquent, cette thèse se concentre sur quatre sous-problèmes qui ont été choisis en raison de leur importance. La théorie des jeux ainsi que la théorie des mécanismes d’incitation sont les principaux outils utilisés dans cette thèse parce qu’ils fournissent un environnement riche pour modéliser le problème dans le cas du paradigme des réseaux auto-organisés. Premièrement, le problème de l’accès du canal orthogonal sur la liaison montante est considéré. Deux variantes de ce problème sont modélisées comme des jeux bayésiens non coopératifs et l’existence d’équilibre symétrique pure bayésien de Nash est démontré pour chacun. Deuxièmement, cette thèse considère les jeux en forme de satisfaction et étudie leurs équilibres généralisés (en anglais Generalized Satisfaction Equilibrium, GSE). Chaque joueur (ou utilisateur sans fil) a une contrainte à satisfaire et le GSE présente un profil de stratégies mixtes à partir duquel aucun joueur insatisfait ne peut unilitéralement dévier à la satisfaction. L’objectif dans ce cas est de développer un équilibre alternatif pour modéliser les utilisateurs sans fil. L’existence du GSE, sa complexité, et sa performance par rapport à l’équilibre de Nash sont discutés. Troisèmement, la thèse introduit des mécanismes de vérification afin de garantir une auto-organisation dynamique dans les HetSNets. L’objectif principal est de remplacer les techniques de transfert monétaire utilisées dans la littérature actuelle. Dans un réseau sans fil, certaines informations privées des utilisateurs, telles que le taux d’erreur par bloc et la classe d’application, peuvent être vérifées aux niveaux des petites cellules. Cette vérification peut être utilisée pour menacer les faux rapports avec étranglement backhaul. Par conséquent, les utilisateurs apprennent l’équilibre véridique au fil du temps en observant les récompenses et les punitions. Enfin, la thèse modélise le problème de contrôle d’admission avec des contraintes sur le débit des utilisateurs comme un jeu bayésien dans le cas d’un canal d’interférence à accès mutiple. Ce problème est démontré d’avoir au moins un équilibre bayésien de Nash.

Les résultats obtenus dans cette thèse démontrent que l’auto-organisation peut être utilisée d’une manière efficace dans les HetSNets. Toutefois, ces derniers doivent faire appel à des mécanismes d’incitations, de punitions et d’équilibres spécialement adaptés à l’environnement sans fil. Afin d’élargir ces résultats, des futurs problématiques de recherche sont identifiés à la fin de ce document.

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 135-150.
Mots-clés libres: Réseaux locaux sans fil. Ressources radio Gestion Modèles mathématiques. Communications par étalement du spectre Modèles mathématiques. Brouillage électromagnétique Modèles mathématiques. Systèmes auto-organisés Modèles mathématiques. cellule, petit, théorie des jeux, auto-organisation, réseaux sans fil hétérogène, théorie des mécanismes d’incitation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Ajib, Wessam
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 20 juin 2017 17:39
Dernière modification: 20 juin 2017 17:39
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1891

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