Resource management and interference mitigation for dense heterogeneous small-cell networks

Hajir, Mouna (2017). Resource management and interference mitigation for dense heterogeneous small-cell networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Facing an unprecedented challenge of capacity increase, the wireless communications community is exploring many solutions. Among these solutions, the ones that brought the most attention in recent years are: the deployment of more network nodes leading to the densification of the existing traditional networks, the increase of spectrum resources with mmWave frequencies, and the increase of the number of antennas at the receiver and transmitter through massive MIMO. These three trendy solutions are the core of the fifth generation of wireless communications systems (5G) in which dense small-cells networks approach stands out because of its high scalability.

Ultra dense networks will be demanded in certain geographical areas by means of a contiguous layer of small coverage. These will deliver significant area capacity density through spatial reuse of spectrum resources along with tight scheduling coordination between adjacent cells and the macro base station layer. However, guaranteeing the efficient coexistence of a large number of small-cells with traditional macrocells as well as the interference from the overlapping small-cells from the perspective of resource management is a fundamental issue.

In the first part of this thesis, we propose a Fractional Frequency Reuse (FFR) scheme for sector-based two-tier macrocell-femtocell networks joint with a Quality-of-Service (QoS)- aware admission control strategy. The optimal parameters for cell channel partitioning in the proposed FFR scheme and an analytical model for performance evaluation of the proposed system are developed. Numerical results are presented to demonstrate the performance enhancement in term of blocking probabilities of the proposed framework.

In the second part, we investigate a cooperative approach for self-organizing small-cells networks. We propose a novel game theoretic approach for joint co-tier and cross-tier cooperation in heterogeneous networks that offers a significant improvement in performance for users from both tiers. First, we propose a coalition structure game with a weighted Owen value as imputation, where the Small-cell Base Stations (SBSs) and their connecting Macrocell User Equipments (MUEs) form a priori union. Second, we propose a canonical game with a weighted solidarity value as imputation to allow cooperation among SBSs and MUEs when they fail to connect to nearby SBSs. We compare through extensive simulations the proposed frameworks with state-of-the-art resource allocation solutions, access modes and legacy game-theoretic approaches. We show that the proposed framework obtains the best performances for the MUEs and SUEs in terms of throughput and fairness.

In the third part, we investigate the combination of dense small-cells deployment and spatial frequency reuse in millimeter-wave (mmWave) systems and show its great potential for achieving the 1 Gbps median throughput target in 5G networks. We propose a spatial frequency reuse model for two-tier ultra-dense networks in the mmWave frequency bands opened to mobile communications networks in 5G. We demonstrate in this work that an adequate frequency allocation and reuse in 5GmmWave networks with the support of a dense small-cells deployment enables very high throughputs and Signal-to-Interference-plus-Noise (SINR) ratio coverage in ultra-dense systems. The performances of this scheme are evaluated both analytically in terms of coverage probability, and through system-simulation in terms of achieved throughput, and compared to traditional microwave systems and mmWave models with no spatial reuse.

Titre traduit

Allocation de ressources et gestion des interférences dans les réseaux ultra-dense de petites cellules pour la 5G

Résumé traduit

Face à l’explosion sans précédent de la demande en terme de débit et de capacité des futures générations de réseaux de télécommunications mobiles, la recherche académique et industrielle explore divers nouveaux concepts et solutions techniques. Parmi ces solutions, celles qui attirent le plus d’attention pour la 5ème génération de réseaux mobiles (5G) sont le deployment massif de petites cellules amenant à l’intense densification des réseaux, l’augmentation des bandes spectrales disponibles avec notamment l’utilisation des bandes millimétriques ainsi que l’augmentation du nombre d’antennes au niveau des récepteurs et transmetteurs avec le massive Multiple Input Multiple Output (MIMO). Ces trois technologies constituent le coeur de la 5G alors que la densification des réseaux à l’aide de petite cellules se distingue par son coût, sa facilité et sa flexibilité.

Ces petites cellules de tailles variées, déployées par l’opérateur ou l’utilisateur lui-même, permettront d’apporter une couverture réseau dans des zones non atteignables par les stations de bases classiques, et permettront d’augmenter considérablement la capacité du réseau grâce a la réutilisation du spectre ainsi qu’une meilleure qualité de service grâce à la proximité des utilisateur avec leurs points d’accès.

Cependant, plusieurs problèmes techniques naissent du déploiement dense de ces petites cellules. Premièrement leur co-existence avec les réseaux traditionnels, et les différents niveaux de puissance de transmission peuvent être la source de fortes interférences entre les cellules de ces deux différents tiers. Mais le déploiement massif de ces cellules peut aussi causer des interférences entre les petites cellules avoisinantes lorsque leurs zones de couverture se chevauchent. Cette problématique est d’autant plus dramatique que les bandes de fréquence disponibles pour les communications mobiles sont limitées et que la demande en terme de débits et donc de bande passante est grandissante. Nous proposons dans cette thèse trois approaches différentes pour répondre à ce besoin de nouvelles méthodes et techniques de gestion des resources et interférences dans les réseaux hétérogènes.

Dans une première partie, nous proposons un nouveau modèle de partage fréquentiel qui permet de résoudre le problème des zones mortes aux frontières des cellules tout en diminuant les interférences entre les cellules issues des deux différents tiers. Ce schéma est couplé à des règles de contrôle d’admission qui flexibilisent le partage des resources non utilisées. Les performances de ce modèle sont analysées en terme de probabilités de blocages des appels et les paramètres optimaux de structuration fréquentielle des cellules et de partage des ressources sont présentés.

Dans une seconde partie, nous explorons les concepts d’auto-organisation des cellules et les méthodes coopératives de gestion des interférences et des ressources. Nous proposons une nouvelle méthode d’allocation de resources cooperative basée sur un modèle mathématique de théorie des jeux qui permet la formation de coalitions entre les cellules avoisinantes dans les réseaux auto-organisés. Ces coalitions permettent à leurs membres de décider conjointement et de facon distribuée de l’utilisation du spectre et réduire les interférences induites parmi les membres. Deux types de jeux canonique et à structure de coalition sont proposés en function de la natures des utilisateurs ou stations de bases impliquées. Nous montrons que les performances de notre modèle en terme de débits, d’équité et de complexité présentent des résultats supérieurs à l’état de l’art.

Dans une troisième partie, nous proposons un modèle de réutilisation spatiale des nouvellement ouvertes bandes de fréquence millimétriques, dans les réseaux denses à petites cellules. Nous analysons les performances du système à la fois analytiquement en utilisant une modélisation stochastique du réseau et par évaluation simulatoire du système. Les résultats en terme de débit et de capacité sont comparés aux réseaux traditionnels 3G/4G et à diverses methods d’allocation de fréquences. Ces résultats théoriques montrent que l’on peut atteindre des débits extrêmement élevés lorsque l’utilisation des très larges bandes spectrales millimétriques disponibles est couplée à un modèle adéquat de réutilisation spatiale du spectre permettant de réduire considérablement les interférences.

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 149-162.
Mots-clés libres:	Ressources radio Gestion. Transmission sans fil. Téléphonie cellulaire. Brouillage électromagnétique. Spectre de fréquences. Ressources radio Gestion Modèles mathématiques. Théorie des jeux. 5G, cellule, dense, hétérogène, petit, réseau, petites cellules, gestion des interférences, allocation de resources, bandes millimétriques, denses déploiements de cellules
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gagnon, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 août 2017 14:50
Dernière modification:	23 août 2017 14:50
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1920

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