Resource allocation designs for 5G wireless backhaul networks

Nguyen, Tri Minh (2018). Resource allocation designs for 5G wireless backhaul networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In recent years, network densification has progressively been shown as a prominent technological candidate to effectively serve the ever-increasing demands of wireless devices. Despite greatly inheriting many benefits from the conventional small cell architecture, dense network prompts a tremendous requirement of excessive fiber backhaul connections between the small cell base stations and core networks. This leads to a costly and impractical network deployment perspective. To overcome this issue, wireless backhaul (WB) technology is proposed as a cost-effective and viable replacement of wired backhaul to wirelessly transport data to the intermediate small cell nodes and subsequently serve local users on the access links. Contrarily, WB must guarantee the quality of small cell’s backhaul rate as comparatively high as the wired one in order to sustain the reliable wireless access (WA) communications between small cells and the local users. Technically, it is required that WB rate must always exceed the WA rate. However, WB rates are generally limited since the backhaul signals, when propagating through wireless channel, spatially attenuate and suffer severe interference from many other concurrent transmissions. This creates a certain challenge to sustain the newly introduced WB HetNets at their expected performance, which calls for an appropriate resource allocation design in WB HetNets.

This dissertation aims at designing and performing resource allocation in WB HetNets under an explicit consideration of WB and WA transmission relationship. This relationship requires that the WB rate must always be greater than or equal to the WA rate so as to maintain the viability ofWBHetNets. Via jointly optimizing the multi-dimensional resource allocation such as transmit (or/and) receive beamforming, power allocation, spectrum partitioning, small cell or user scheduling, and data management, etc., this dissertation investigates the WB HetNets performance via the following two parts.

In the first part, Chapters 2 and 3 mainly study the resource allocation of the WB small cell two-tier HetNets operated under the reverse time devision duplexing (RTDD) system. In particular, Chapter 2 highlights the coupled behavior of uplink and downlink transmissions resulting from the RTDD to design a joint radio resource allocation of beamforming, power, and spectrum partitioning which maximizes small cell sum rate on both uplink and downlink sides. On the other hand, Chapter 3 only focuses on the downlink design of transmit beamforming and power allocation which maximizes the access energy-efficiency, where spectrum partitioning is given. In both work, a unified solution framework based on successive convex approximation (SCA) and second order cone programming (SOCP) techniques are invoked to develop an iterative low-complexity algorithm to attain a high-quality sub-optimal solution efficiently. Extensive numerical results are presented to corroborate the superiority of the proposed designs compared to conventional work in terms of system performance gain and algorithm’s convergence behavior.

In the second part, Chapters 4, 5, and 6 concentrate on deploying novel ideas to improve the WB small cell two-tier HetNets performance on top of formulating a resource allocation problem to optimize the objective of interest. Specifically, Chapter 4 considers a local buffer at each small cell which can flexibly store and release backhaul data to transmit to the users when needed. With many concurrent backhaul and access transmissions occurring through multiple time slots and assuming channel condition varies after each time slot, the problem is how to optimally control the dynamic of buffer queues via jointly optimizing the radio resource allocation together with data management in the buffer which maximizes the total throughput of small cell user over time. On the other hand, Chapter 5 approaches the WB HetNets enhancement by proposing a novel cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) technology to leverage both the achievable rates of WB and WA communications. To approach the solution, this work solves for a joint optimal solution of NOMA’s decoding order, small cell cooperation policy, transmit beamforming at the macro cell base station and power allocation at the small cell base station which maximizes the total small cell and macro cell user sum rate. Here, a similar efficient solution approaches from Chapters 3 and 4 are properly exploited to compute the solution of the formulated problems. Numerical results show the improvement and effectiveness of WB HetNets under the novel proposed scheme compared to the conventional designs.

Towards this end, Chapter 6 presents a novel idea of replacing the traditional small cell base stations in WB small cell HetNets by unmanned aerial vehicles (UAVs). Beside the capability of transmitting and receiving signal to/from intended receivers like a small cell, UAVs can flexibly fly in space at any three-dimensional (3D) coordinate to increase the signal strength. This potentially provides more degrees of freedom to improve the overall performance with WB UAV networks compared to the conventional WB small cell HetNets. Therefore, Chapter 6 aims at jointly optimizing the radio resource allocation together with the UAVs’ locations which maximizes the user sum rate. Finally, a novel, more advanced with lower complexity algorithm based on the difference of convex (DC) programming are developed to compute the solution of the formulated problem. Achieved results show that the new system of WB UAV networks, though optimizing the UAVs’ location, can significantly boost the network performance.

Titre traduit

Conception de mécanismes d'allocation de ressources pour les réseaux d'amenée sans fil de 5G

Résumé traduit

Au cours des dernières années, la densification du réseau a progressivement été présentée comme étant un candidat technologique de premier plan pour répondre efficacement aux demandes croissantes des appareils sans-fil. Bien qu’il hérite de nombreux avantages de l’ architecture conventionnelle des petites cellules, un réseau dense entraîne une demande énorme de connexions sur les liens fibres optiques entre les stations de base des petites cellules et le réseau coeur. Cela conduit à une perspective de déploiement réseau coûteuse et peu pratique. Afin de surmonter ce problème, la technologie de liaison sans-fil au réseau coeur (Wireless Backhaul-WB) est proposée comme un remplaçant rentable et viable des liens filaires vers le réseau coeur. Elle permet ainsi de transporter les données vers les petites cellules et ensuite servir les utilisateurs locaux efficacement. Toutefois, la technologie WB doit garantir un haut débit des liens des petites cellules, comparable à celui offert par les liens filaires, afin de maintenir la fiabilité des communications d’accès sans-fil (Wireless Access -WA) entre les petites cellules et les utilisateurs locaux. Techniquement, il est nécessaire que le débit du lien WB soit toujours supérieur à celui du WA. Cependant, le débit du lien WB est généralement limité à cause des atténuations spatiales et les interférences provenant d’autres transmissions simultanées. Ceci crée un certain défi pour soutenir les nouveaux réseaux hétérogènes sans-fil (Heteregenous Networks
- HetNets) à leurs performances attendues, ce qui nécessite une conception appropriée de l’allocation des ressources dans WB-HetNets.

Cette thèse a pour objectifs de concevoir et réaliser l’allocation des ressources dans les WBHetNets considérant la relation entre les transmissions WB et WA. Cette relation nécessite que le débit offert par WB soit toujours supérieur ou égal à celui de WA, permettant ainsi de maintenir la viabilité des WB-HetNets. En optimisant conjointement l’allocation de ressources multi-dimensionnelles, telles que la formation de faisceaux d’émission (ou de réception), l’ allocation d’énergie, le partitionnement du spectre, l’ordonnancement des transmissions des petites cellules ou des utilisateurs, etc., cette thèse investigue les performances des WB-HetNets à travers les deux parties suivantes.

Dans la première partie, les chapitres 2 et 3 étudient principalement l’allocation des ressources des HetNets à deux couches, opérants sous le système de duplexage à division temporelle inverse (Reverse Time Division Duplexing -RTDD). En particulier, chapitre 2 met en evidence le comportement couplé des transmissions montantes et descendantes résultant de la RTDD. Ceci mène à la conception d’une allocation conjointe des ressources radio (puissance de transmission et partitionnement du spectre), dans le but de maximiser le débit des petites cellules sur les liens montant et descendants. Chapitre 3 se concentre uniquement sur la conception de la formation du faisceau d’émission et de l’allocation de puissance sur le lien descendant de la communication, dans le but de maximiser l’efficacité énergétique de l’accès, là où le partitionnement du spectre est connu. Dans les travaux de ces deux chapitres, un cadre de solution unifiée, basé sur des techniques d’approximation convexe successive (Successive Convex Approximation -SCA), et de programmation de cône de second ordre (Second-Order Cone Programming -SOCP) est invoqué pour développer un algorithme itératif de faible complexité. Ce dernier permet d’atteindre efficacement une solution sous-optimale de haute précision. Les résultats numériques sont présentés pour corroborer la supériorité des conceptions proposes par rapport aux travaux conventionnels en termes de gain de performance du système et de convergence de l’algorithme.

Dans la deuxième partie, les chapitres 4, 5, et 6 se concentrent sur le déploiement de nouvelles idées pour améliorer la performance des WB-HetNets à deux couches, en plus de formuler le problème d’allocation des ressources afin d’optimiser un objectif d’intérêt. Plus précisément, chapitre 4 considère une mémoire tampon locale (buffer) dans chaque petite cellule. Cette mémoire permet à cette dernière de stocker et libérer de manière flexible les données reçus du réseau coeur, pour les transmettre aux utilisateurs lorsque cela s’avère nécessaire. Le problème est de savoir comment contrôler de manière optimale la dynamique des files d’attente des mémoires tampon en optimisant conjointement l’allocation des ressources radio et la gestion des données dans la mémoire tampon. Le but étant de maximiser le débit total de l’utilisateur au fil du temps. Chapitre 5 aborde le sujet d’amélioration des WB-HetNets en proposant d’utiliser la nouvelle technologie d’accès multiple non-orthogonal (Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA) pour exploiter à la fois les débits réalisés par les communications WB et celles par WA. Afin de trouver une solution, ce travail résout le problème de maximisation de la somme des débits des utilisateurs des petites cellules et des cellules macro, en déterminant un ordre de décodage NOMA, une stratégie de coopération ente les petites cellules, la formation des faisceaux de transmission à la station de base de la cellule macro, et l’allocation de puissance aux petites cellules. Une approche efficace semblable à celle utilisée dans les chapitres 3 et 4 est adoptée pour déterminer les solutions des problèmes formulés. Les résultats numériques montrent l’amélioration et l’efficacité des WB-HetNets utilisant le nouveau schéma proposé, par rapport aux solutions conventionnelles.

Enfin, chapitre 6 présente une idée novatrice qui consiste à remplacer les stations de base des petites cellules par des drones aériens sans pilote (Unmanned Aerial Vehicles -UAV). Outre la possibilité d’émettre et de recevoir un signal vers/depuis des récepteurs, comme une petite cellule, les drones peuvent voler de manière flexible dans l’espace tri-dimensionnel pour augmenter la puissance du signal. Ceci offre potentiellement plus de degrés de liberté afin d’améliorer les performances globales, par rapport aux réseaux WB-HetNets conventionnels. Par conséquent, chapitre 6 vise à optimiser conjointement l’allocation des ressources radio et les emplacements des drones, dans le but de maximiser le débit total des utilisateurs. Enfin, un algorithme de complexité faible, basé sur la programmation de la différence de convexité (Difference of Convex -DC) est développé pour trouver la solution optimale du problème formulé. Les résultats obtenus montrent que le nouveau système de réseaux de drones WB peut considérablement améliorer les performances du réseau.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 239-255).
Mots-clés libres:	allocation des ressources, réseaux hétérogènes, réseaux d’amenée, optimisation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ajib, Wessam
Codirecteur:	Codirecteur Assi, Chadi
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 févr. 2019 21:09
Dernière modification:	08 févr. 2019 21:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2198

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