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Association optimale d'utilisateurs dans un réseau cellulaire hétérogène

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Rakotomanana, Edenalisoa (2017). Association optimale d'utilisateurs dans un réseau cellulaire hétérogène. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Actuellement, le nombre d’utilisateurs voulant accéder aux réseaux cellulaires ne cesse de croître remarquablement. Cette observation est d’ailleurs illustrée dans plusieurs rapports techniques sous forme de courbes. D’un autre côté, la demande des utilisateurs en termes de ressources est de plus en plus exigeante et les ressources demandées sont la plupart du temps volumineuses, pour les applications telles que les jeux en réseaux ou encore les vidéos. Il a donc été constaté, il y a plusieurs années, que l’application du réseau conventionnel n’est plus appropriée pour les évolutions technologiques dont le monde fait face aujourd’hui. Ainsi, les industriels et les académiciens ont développé l’idée d’exploiter l’hétérogénéité des réseaux cellulaires, où différents types de cellules sont embarquées dans le même réseau. Le but de l’utilisation des petites cellules conjointement avec des macrocellules conventionnelles est donc de pouvoir servir le maximum d’utilisateurs possible tout en satisfaisant la qualité de service qu’ ils exigent. De plus, l’exploitation de cette hétérogénéité s’avère moins onéreuse comparée au cas où d’autres macrocellules seraient ajoutées aux réseaux.

Cependant, les réseaux HetNets engendrent plusieurs complexités et défis importants. Parmi eux sont le problème d’équilibrage de la charge et de sélection cellulaire entre la macrocellule et les petites cellules, un problème qui est dû notamment à la disparité de leur puissance de transmission, de leur couverture, à la quantité de ressources qui y sont disponibles. Un deuxième défi important est la gestion de la mobilité de l’utilisateur lorsqu’il traverse une région picocellulaire ou femtocellulaire surtout si la vitesse de l’utilisateur est élevée. Le troisième point important à considérer est l’interférence mesurée par les utilisateurs associés aux petites cellules à partir des macrocellules. Cette interférence est due principalement au fait que les utilisateurs sont forcés de s’associer aux petites cellules en présence de macrocellules avoisinantes. Par conséquent, dans cette thèse, nous tentons de trouver une solution pour les trois points énumérés précédemment, soit, la selection cellulaire, le transfert intercellulaire et la réduction de l’interférence dans un réseau HetNet.

Dans une première partie, pour répondre au problème d’association de nature NP-complet dans HetNet, nous proposons des algorithmes heuristiques. Plus précisément, deux algorithmes y sont étudiés. Le premier est une technique d’association basée sur l’extension dynamique de la couverture picocellulaire. Le deuxième algorithme quant à lui est une technique d’association de l’utilisateur se reposant sur le gain en équité qu’il mesurerait de la cellule voisine potentielle. Nous constatons alors, qu’en plus d’être moins complexe à réaliser, les algorithmes heuristiques proposés donnent une meilleure performance compare aux méthodes générales proposées dans la littérature si on se focalise sur la diminution de l’inéquité de la charge cellulaire et sur l’homogénéité de la distribution des utilisateurs dans le réseau.

Dans une deuxième partie, notre objectif est d’optimiser l’équité des utilisateurs dans le HetNet et de réduire l’interférence mesurée par l’utilisateur associé aux femtocellules étendues. Dans cette optique, nous exploitons une fois de plus, la technique d’extension de la couverture cellulaire. Ainsi, nous proposons une technique optimale d’extension coordonnée de couverture cellulaire qui calcule les biais optimaux des cellules en tenant compte des paramètres jugés les plus importants pour l’atteinte de l’optimalité. Nous prouvons que, comparée à certaines méthodes précédemment étudiées dans la littérature, la technique que nous proposons résulte en une meilleure amélioration de l’équilibrage de la charge, de l’équité entre les utilisateurs ainsi que du débit réalisable de chaque utilisateur.

Dans une troisième partie, nous tentons d’améliorer l’expérience de transfert intercellulaire d’un utilisateur en considérant un scénario où ce dernier traverse une couverture femtocellulaire. Le transfert intercellulaire étant l’une des techniques de gestion de la mobilité dans les réseaux cellulaires. Ainsi, nous proposons une technique basée sur l’utilité dont l’idée principale est de concevoir de nouvelles fonctions d’utilité via une function objective spécifique qui tient compte de l’exigence de l’utilisateur. Par la suite, le biais de transfert est déduit et inséré dans les politiques de décision de transfert. Nous en concluons qu’un gain élevé est obtenu en ce qui concerne la probabilité d’assignation à la femtocellule tout en maintenant un nombre acceptable de transferts intercellulaire.

Titre traduit

Optimal user association in an heterogeneous cellular network

Résumé traduit

Year by year, the number of cellular network users continues to grow remarkably. This observation is illustrated in several technical reports and statistical studies. On the other hand, users become more and more exigent in terms of resources demands whether in quantity or quality of services. In recent years, it has been found that the application of the conventional network no longer meets the requirements of consumers and is no longer appropriate for the technological developments confronted by today’s world. Thus, industrialists and academicians have developed the idea of exploiting the heterogeneity of cellular networks, where cells with different range are embedded in the same network. The aim of using small cells in conjunction with conventional macrocells is to be able to serve as many users as possible while satisfying the quality of service they require. Moreover, it has been proven that the exploitation of the heterogeneity is less expensive compared to the case where other macrocells are added to the networks.

However, HetNets create several complexities and challenges that one must admit. Among them are the cell selection and the load balancing between the macrocell and small cells which is due particularly to the disparity of their transmission power, their coverage and their available resources. A second important challenge is the user mobility management when the user crosses a picocell or femtocell region at a high speed. The third important point to consider is the interference measured by small cells users from macrocells. In this context, the interference is mainly due to the fact that users are pushed to associate with small cells in the presence of neighboring macrocells. Therefore, in this thesis, we try to find appropriate solutions for the three major problems listed above, namely, the cell selection, the intercell handover and the interference management in a HetNet.

In the first part, we propose heuristic algorithms to solve the original NP-hard association problem in HetNet. More precisely, two algorithms are studied there. The first algorithm is an association technique based on the dynamic extension of picocell’s coverage. On the other hand, the second user association algorithm relies on the fairness gain measured by the user from the potential neighboring cell. Throughout the analyzes, one observes that, the proposed heuristic algorithms are simple to perform and give a better performance compared to the general methods proposed in the literature in terms of cell overload reduction and equalized distribution of the network’users.

In the second part, our goal is to optimize the user fairness in HetNet and to reduce the interference measured by extended femtocells’users. In this perspective, we exploit the technique of cell coverage expansion. Thus, we propose an optimal coordinated cell range expansion technique that compute the optimal cells biases while accounting of several parameters for achieving optimality. We prove that, compared to some of the previously studied methods, the technique we propose results in a better improvement related to the load balancing, the equity between users and the throughput of each user.

In the third part, assuming that handover is a technique of user mobility management in cellular networks, we improve the user’s experience during a handover process by considering a scenario where the latter crosses a femtocell coverage. Thus, we propose a utility-based technique whose main idea is the design of new utility functions via a specific objective function that takes account of the user's requirement. Subsequently, the handover bias is deduced and inserted into the transfer decision policies. We conclude that a high gain is obtained in terms of the femtocell assignment probability while maintaining an acceptable number of intercellular handovers.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 185-197.
Mots-clés libres: Réseaux de téléphonie mobile. Téléphonie cellulaire. Ressources radio Gestion. Algorithmes heuristiques. Itinérance (Télécommunications) Radio Brouillage. couverture, hétérogene, interférence, sélection cellulaire, extension optimisée de la couverture cellulaire, équilibrage de la charge cellulaire, transfert intercellulaire, réseaux hétérogènes
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Gagnon, François
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 01 nov. 2018 17:54
Dernière modification: 01 nov. 2018 17:54
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2092

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