Mobility and resource management for 5G heterogeneous networks

Benmimoune, Abderrahmane (2016). Mobility and resource management for 5G heterogeneous networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The conventional topology of current cellular networks is a star structure, where central control points usually serve as base stations (BSs). This provides the advantage of simplicity while still providing quality of service (QoS). For next-generation networks, however, this topology is disadvantageous and difficult to use due to the insufficient availability of network access. The hybrid topology radio network will thus naturally be the future mobile access network that can help to overcome current and future challenges efficiently. Therefore, relay technology can play an important role in a hybrid cellular network topology.

Today, with the recent long-term evolution-advanced (LTE-A) standards, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) supports a single-hop relay technology in which the radio access link between the BS and users is relayed by only one relay station (RS). With the help of multi-hop relay, however, the radio link between the BS and users can be extended to more than two hops to improve the coverage and network capacity. Multiple hops to transmit data to and from the corresponding BS results in the reduction of path loss. However, using a multi-hop relay system requires more radio resources to transmit data through different hops. More interference is also created due to a greater number of simultaneous transmissions in the network. New mobility and resource management schemes are thus important for achieving a high QoS while increasing the whole network capacity.

In the first part, the problem of relay selection and radio resource allocation is studied, and choosing how the bandwidth should be shared between direct, backhaul, and access links in multi-hop relay networks is discussed. In such a network, resource allocation plays a critical role because it manages channel access in both time and frequency domains and determines how resources are allocated for different links. The proposed solution includes a nonlinear programming technique and a heuristic method. First, the problem formulation of resource allocation and relay selection is presented to provide an integrated framework for multi-hop relay networks. Second, an analytical solution to the problem is presented using a nonlinear programming technique. Finally, an iterative two-stage algorithm is presented to address the joint resource allocation and relay selection problem in multi-hop relay networks Under backhaul and capacity limitation constraints. In particular, the first stage proposed a fast approximation analytical solution for a resource allocation algorithm that takes into account the trade-off between the optimality and the complexity of the multi-hop relay architecture; the second stage presented a heuristic relay selection strategy that considers the RS load and helps to keep the relay from being overloaded is proposed.

In the second part, the mobility problem in downlink multi-hop relay networks is addressed. In addition to the resource allocation issue, the relay selection problem is studied from a network layer perspective. Therefore, this part includes the issue of radio path selection. As an alternative to the heuristic algorithm developed in the previous part, the presented work describes the development and evaluation of a relay-selection scheme based on a Markov decision process (MDP) that considers the RS load and the existing radio-link path to improve handoff performance. First, the problem formulation of resource allocation and relay selection is presented. Second, an MDP mathematical model is developed to solve the relay selection problem in a decentralized way and to make the selection process simple. This relay selection scheme has the objective of maintaining the throughput and ensuring seamless mobility and service continuity to all mobile terminals while reducing the handoff frequency and improving handoff performance.

In the third part, the admission and power control problem of a general heterogeneous network (HetNet) consisting of several small cells (SCs) is solved. Compared to the first two parts of this work, the system is expanded from a multi-hop RS to a general SC context. This part therefore focuses only on the access link problem, assuming the capacity of the SC backhaul links are large enough not to be bottlenecks. This part mainly deals with the problem of how to maximize the number of admitted users in an overloaded system while minimizing the transmit power given a certain QoS level. First, the problem is formulated to address concerns about QoS requirements in a better way. Second, a Voronoi-based user association scheme for maximizing the number of admitted users in the system under QoS and capacity limitation constraints is proposed to find near-optimal solutions. Finally, a twostage algorithm is presented to address the joint admission and power control problem in a downlink heterogeneous SC network. In particular, the first stage proposes a dynamic call admission control policy that considers the SC load and call-level QoS while also helping to keep the system from being overloaded. The second stage presents an adaptive power allocation strategy that considers both user distribution and the density of SCs in HetNets.

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

Titre traduit

Gestion de la mobilité et des ressources dans les réseaux hétérogènes de 5ème génération

Résumé traduit

La topologie classique, des réseaux cellulaires actuels, est une topologie en étoile, où les stations de base servent habituellement comme points de contrôle centraux. Celle-ci offre l'avantage d’une architecture simple tout en garantissant une meilleure qualité de service (QdS). Cependant, pour les réseaux futurs, c’est-à-dire de prochaine génération, cette topologie sera désavantageuse et difficile à utiliser en raison de l’insuffisante disponibilité d'accès au réseau. Le réseau à topologie hybride sera donc naturellement le futur réseau d'accès mobile, qui peut aider à surmonter les difficultés et les défis actuels et futurs d'une manière efficace. Ainsi, la technologie de relais peut jouer un rôle prépondérant pour offrir ce type de topologie dans le réseau cellulaire.

Aujourd'hui, selon les dernières normes du réseau LTE-A, l’organisme 3GPP supporte la technologie de relais à un seul saut, dans lequel le lien d'accès radio entre la station de base et les utilisateurs est relié par une seule station de relais. Toutefois, avec l'aide des relais à multi-saut, la liaison radio entre la station de base et les utilisateurs peut être étendue à plus de deux sauts afin d'améliorer, à la fois, la capacité et la couverture du réseau. Cela pourrait être expliqué par la réduction du trajet en raison de l'emploi de plusieurs sauts pour transmettre des données depuis/vers la station de base correspondante. Néanmoins, l'utilisation d'un système de relais à multi-saut exige plus de ressources radio pour transmettre des données à travers les différents liens. Également, plus d'interférences sont créées en raison du nombre élevé de transmissions simultanées dans le réseau. De nouveaux mécanismes pour la gestion de la mobilité et des ressources sont donc nécessaires pour augmenter la capacité totale du réseau tout en garantissant une meilleure qualité de service.

Dans le cadre de la première partie de cette thèse, nous avons étudié conjointement le problème de sélection de relais et l'allocation des ressources radio, dans lequel nous abordons principalement la question de choisir la façon dont la bande passante devrait être partagée entre les différents liens (direct, backhaul et le lien d'accès) dans les réseaux de relais à multisaut. Dans un tel réseau, l'allocation des ressources joue un rôle essentiel puisqu’elle gère l'accès au canal, à la fois, dans le domaine du temps et des fréquences, et détermine ainsi comment les ressources sont allouées pour les différents liens. La solution proposée applique les concepts de la technique d’optimisation non-linéaire, et la méthode d’itération heuristique. Tout d'abord, la formulation du problème d'allocation des ressources et la sélection de relais a été présentée pour fournir un cadre intégré pour les réseaux de relais à multi-saut. Ensuite, une solution analytique du problème a été présentée à travers la technique d’optimisation non-linéaire, en conséquence, un algorithme itératif à deux étapes a été présenté pour résoudre le problème d'allocation des ressources et la sélection de relais conjointement dans les réseaux de relais à multi-saut. Au demeurant, la première étape propose une solution analytique pour cerner le problème d'allocation des ressources, qui prend en compte le compromis entre l'optimalité et la complexité de l'architecture du relais à multi-saut; la deuxième étape présente une stratégie heuristique pour la sélection de relais qui considère la charge des stations de relais.

La deuxième partie de ce travail traite principalement le problème de la mobilité dans les réseaux à relais multi-saut. En plus de la question de l'allocation des ressources, le problème de sélection de relais est étudié du point de vue de la couche réseau. Par conséquent, cette partie ajoute au problème la question de la sélection de route de liaison radio. Comme une alternative de l'algorithme heuristique développé dans la précédente partie, le travail présenté décrit le développement et l'évaluation d'un système de sélection de relais basé sur le processus de Markov qui considère la charge des stations de relais et des liaisons radio existantes en vue d’améliorer la mobilité et la performance. Tout d'abord, la formulation du problème d'allocation des ressources et la sélection de relais est présenté; selon un modèle mathématique basé sur le processus Markov lequel est conçu pour résoudre le problème de sélection de relais de manière décentralisée et rendre ainsi le processus de sélection plus simple. La solution proposée pour la sélection de relais a pour objectif de maintenir le débit et d'assurer une continuité de service pour tous les terminaux mobiles connectés dans le réseau.

La troisième partie de ce travail permet de résoudre conjointement les problèmes de contrôle d'admission et d’énergie dans un réseau hétérogène composé de plusieurs petites cellules. Comparativement aux deux parties précédentes, le système est étendu d’un réseau de relais à multi-saut à un réseau hétérogène à petites cellules. Par conséquent, cette partie se concentre uniquement sur le problème au niveau des liens d'accès en supposant que la capacité des liens de backhaul est assez grande pour ne pas être congestionnée. Cette partie traite principalement le problème d’admission pour maximiser le nombre d'utilisateurs admis dans un système surchargé, tout en minimisant l’énergie d'émission. Premièrement, le problème est formulé en tenant en considération les exigences de qualité de service des utilisateurs. Deuxièmement, un mécanisme d'association d’utilisateurs basé sur le diagramme Voronoi est proposé pour maximiser le nombre d'utilisateurs admis dans le système par rapport à la QdS et les contraintes de la capacité. Enfin, un algorithme à deux étapes a été présenté pour résoudre conjointement les problèmes de contrôle d’admission et d’énergie dans un réseau hétérogène à petites cellules. En particulier, la première étape propose une politique de contrôle d'admission dynamique qui considère la QdS et la charge des petites cellules, tout en aidant à maintenir le balancement de charge dans le réseau. la seconde étape présente une stratégie adaptative de contrôle d’énergie qui prend en compte à la fois la distribution des utilisateurs et la densité des petites cellules dans des réseaux hétérogènes.

Les solutions proposées sont évaluées à travers différents scénarios de simulation et les résultats numériques sont présentés et comparés avec les travaux correspondants dans la littérature.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 117-125.
Mots-clés libres:	Transmission sans fil. Ressources radio Gestion. Technologie d'évolution à long terme (Norme) Relais radioélectriques. Performance des réseaux (Télécommunications) Optimisation mathématique. Programmation non linéaire. Processus de Markov. Polygones de Voronoi. hétérogène, réseaux LTE/LTE-A, allocation des ressources, sélection de relais, contrôle d'admission, contrôle d’énergie, optimisation non-linéaire, théorie de la décision de Markov, diagramme de Voronoi, multi-saut, relais, réseau
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kadoch, Michel
Codirecteur:	Codirecteur Rong, Bo
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	29 avr. 2016 17:49
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1659

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