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Energy and computationally efficient resource allocation methods for cellular relay-aided networks with system stability consideration

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Lakani, Sara (2017). Energy and computationally efficient resource allocation methods for cellular relay-aided networks with system stability consideration. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technoogie supérieure.

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Résumé

The increasing demand for coverage extension and power gain, along with the need for decreasing implementation costs, raised the idea of relaying cellular systems. Developing relay stations as a coverage extension and low cost mechanism has also brought up the challenge of utilizing the available network resources cooperatively between base stations and relays. The topic of resource allocation in the downlink of a relaying cellular system is studied in the current dissertation with the objective of maximizing transmission rate, encompassing system stability and managing the interference as it has not been investigated as a comprehensive allocation problem in the previous literature.

We begin our study by modeling a single cell downlink transmission system with the objective to enhance the throughput of cell-edge users by employing decode-and-forward relay stations. We study the queue length evolution at each hop and propose a rate control mechanism to stabilize the considered queues. Accordingly, we propose a novel allocation model which maximizes user throughput with respect to the channel condition and the stability requirements. To solve the proposed allocation problem, we introduced optimization algorithm as well as heuristic approaches which offer low computation complexity.

Next, we enhance the initial allocation method by considering a multi-cell system that accounts for more general and practical cellular networks. The multi-cell model embodies extra constraints for controlling the interference to the users of neighboring cells. We propose a different set of stability constraints which do not enquire a priori knowledge of the statistics of the arriving traffic. In an approach to improve the energy efficiency while respecting the stability and interference criteria, we also suggest an energy-conservative allocation scheme. We solve the defined allocation problems in a central controlling system.

As our final contribution, we enhance the proposed multi-cell allocation model with a low overhead and distributed approach. The proposed method is based on the idea of dividing the resource allocation task between each base station and its connected relay stations. In addition, the messaging overhead for controlling inter-cell interference is minimized using the reference-station method. This distributed approach offers high degree of energy efficiency as well as more scalability in comparison to centralized schemes, when the system consists of larger number of cells and users.

Since the defined problems embody multiple variables and constraints, we develop a framework to cast the joint design in the optimization form which gives rise to nonlinear and nonconvex problems. In this regard, we employ time-sharing technique to tackle the combinatorial format of the allocation problem. In addition, it is important to consider the situation that the time-shared approach is not beneficial when subcarriers are not allowed to be shared during one time-slot. To overcome this obstacle, we apply heuristic algorithms as well as convex optimization techniques to obtain exclusive subcarrier allocation schemes.

To evaluate the performance of the proposed solutions, we compare them in terms of the achieved throughput, transmitted power, queue stability, feedback overhead, and computation complexity. By the means of extensive simulation scenarios as well as numerical analysis, we demonstrate the remarkable advantages of the suggested approaches. The results of the present dissertation are appealing for designing of future HetNet systems specifically when the communication latency and the energy consumption are required to be minimized.

Titre traduit

Méthodes d'attribution de ressources à l'énergie et aux competations efficaces pour les réseaux associés au relais cellulaires avec considération de stabilité du système

Résumé traduit

La demande croissante pour l'extension de la couverture et le gain de puissance, ainsi que la nécessité de réduire les coûts de mise en oeuvre, ont soulevé l'idée de relayer les systèmes cellulaires. Le développement de stations de relais en tant que prolongement de couverture et mécanisme à faible coût a également soulevé le défi d'utiliser les ressources de réseau disponibles en coopération entre les stations de base et les relais. Le sujet de l'allocation des ressources dans la liaison descendante d'un système cellulaire de relais est étudié dans la dissertation actuelle dans le but de maximiser le taux de transmission, englobant la stabilité du système et la gestion de l'interférence car il n'a pas été étudié comme un problem d'allocation inclusif dans la littérature précédente.

Nous commençons notre étude en modélisant une transmission de liaison descendante du système cellulaire unique afin d'améliorer le débit des utilisateurs cellulaires en utilisant des stations relais décodage-et-transfert. Nous étudions l'évolution de la longueur de la file d'attente à chaque étape et proposons un mécanisme de contrôle des taux pour stabiliser les files d'attente considérées. En conséquence, nous proposons un nouveau modèle d'allocation visant à maximiser le débit des utilisateurs en fonction de l'état du canal et des exigences de stabilité. Ensuite, nous améliorons la méthode d'allocation initiale en considérant un système multi-cellule qui tient compte de réseaux cellulaires plus généraux et plus pratiques. Le modèle multi-cellule incarne des contraintes supplémentaires pour contrôler l'interférence aux utilisateurs des cellules voisines. Nous proposons un ensemble différent de contraintes de stabilité qui ne demandent pas une connaissance a priori des statistiques du trafic arrivant. Dans une approche visant à améliorer l'efficacité énergétique tout en respectant les critères de stabilité et d'interférence, nous proposons également un schéma d'allocation énergieconservateur. En tant que notre contribution finale, nous améliorons le modèle d'allocation multi-cellule proposé avec une approche distribuée et faible à frais généraux. Cette approche distribuée offre un haut degré d'efficacité énergétique ainsi qu'une plus grande évolutivité lorsque le système se compose d'un plus grand nombre de cellules et d'utilisateurs.

Étant donné que les problèmes définis comportent plusieurs variables et contraintes, nous développons un cadre pour juxtaposer la conception de l'articulation sous la forme d'optimisation, ce qui entraîne des problèmes non linéaires et non convexes. À cet égard, nous utilisons une technique de partage du temps pour aborder le format combinatoire du problème d'allocation. En outre, il est important de considérer la situation selon laquelle l'approche du partage du temps n'est pas bénéfique lorsque les sous-porteuses ne sont pas autorisées à être partagées pendant un intervalle d'une fente du temps. Pour surmonter cet obstacle, nous appliquons des algorithmes heuristiques ainsi que des techniques d'optimisation convexe pour obtenir une méthode pour allouer des sous-porteuses exclusivement.

Pour évaluer la performance des solutions proposées, nous les comparons en termes de debit obtenu, de puissance transmise, de stabilité de file d'attente, de frais généraux d’information en retour, et de complexité de calcul. Grâce à des scénarios de simulation étendus ainsi qu'à des analyses numériques, nous démontrons les avantages remarquables des approaches suggérées. Les résultats de la présente dissertation sont intéressants pour la conception de futurs systèmes HetNet spécifiquement lorsque la latence de la communication et la consommation d'énergie doivent être minimisées.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 155-164.
Mots-clés libres: Téléphonie cellulaire Antennes-relais. Ressources radio Gestion. Réseaux de téléphonie mobile. Relais radioélectriques. Optimisation mathématique. Réseaux de files d'attente (Transmission des données) Réseaux de téléphonie mobile Stabilité. Radio Brouillage. Téléphonie cellulaire Antennes-relais Consommation d'énergie. allocation des ressources, réseaux cellulaires, efficacité énergétique, maximisation du débit, mise en file d'attente, stabilité, gestion des interférences, frais généraux de messages, schéma distribué, efficacité de calcul
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gagnon, François
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 09 juill. 2018 15:51
Dernière modification: 09 juill. 2018 15:51
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2063

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