Game theoretical models for clustering and resource sharing in macro-femtocells networks

Rohoden Jaramillo, Katty Alexandra (2019). Game theoretical models for clustering and resource sharing in macro-femtocells networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

One of the main challenges of cellular network operators is to keep a good network quality for their users. In most cases, network quality decreases in indoor environments causing users to switch from one operator to another. A promising solution to cope with this issue is the deployment of femtocells that are used mainly at homes to enhance the mobile network coverage. In fact, higher penetration of broadband and mobile phones with high requirements of new applications such as video conferencing and internet games are promoting femtocell market. However, the deployment of femtocells in existing macrocell networks is a very challenging task due to the high complexity of the resource allocation. In this thesis, we focus on proposing several solutions to address the resource allocation problem in macro-femtocell networks with dense deployment of femtocells based on clustering techniques.

Clustering techniques are used to reduce the resource allocation complexity of dense-femtocell networks since the resources are allocated locally within each cluster. Furthermore, a cluster head is responsible for the allocation of resources to femtocells within the cluster which avoids the co-tier interference. The clustering techniques have been widely used for distributed resource allocation in heterogeneous networks through the use of game theory models. In this work, three distributed resource allocation algorithms based on cooperative and evolutionary games are proposed.

In the first part, we discuss the resource allocation problem for the non-dense deployment of femtocells. Toward this goal, a coalitional game is used to incentive femtocells in the formation of clusters. The approach decomposes in: (i) a base station selection algorithm for public users, (ii) a clustering algorithm based on cooperative game theory and (iii) a resource allocation within each cluster based on the PSO technique. Besides, an interference control mechanism enabled femtocells to leave its current cluster when the interference levels are higher than an interference threshold.

In the second part, we focus on a fair allocation of resources for macro-femtocell networks. We develop a clustering algorithm based on a cooperative game for non-dense femtocell network. The Shapley value is applied to find the marginal contribution of every femtocell to all the possible groups of femtocells, thus, finding the fair amount of resources to be allocated to each femtocell within a cluster. This solution is only applied for non-dense femtocell deployment due to that the complexity of calculating the Shapley value increases significantly with a large number of femtocells. Stability criteria based on the ε-concept of game theory is utilized to find the set of stable clusters.

Finally, the analysis of the resource allocation for dense-femtocell deployment is addressed through an evolutionary game theory (EGT) model. It is assumed that EGT requires bounded rationality from players, this reduces the complexity and allows the dense deployment of femtocells. In addition, we demonstrate that the set of clusters formed with EGT are stable by means of the replicator dynamics. The proposed model also includes system analysis for users with low mobility such as pedestrians and cyclists.

Titre traduit

Modèles théoriques de jeu pour le regroupement et le partage de ressources dans des réseaux macro-femtocellulaires

Résumé traduit

L’un des principaux défis des opérateurs de réseaux cellulaires est de conserver une bonne qualité de réseau pour leurs utilisateurs. Dans la plupart des cas, la qualité du réseau diminue dans les environnements intérieurs, ce qui oblige les utilisateurs à passer d’opérateur à un autre. Une solution prometteuse pour faire face à ce problème est le déploiement de femtocellules utilisées principalement à domicile pour améliorer la couverture du réseau mobile. En fait, la pénétration plus importante des téléphones mobiles et à large bande, ainsi que des nouvelles applications telles que la vidéoconférence et les jeux sur Internet, favorisent le marché des femtocellules. Cependant, le déploiement de femtocellules dans les réseaux de macrocellules existants est une tâche très difficile en raison de la grande complexité de l’allocation des ressources. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la proposition de plusieurs solutions pour résoudre le problème d’allocation de ressources dans les réseaux de macro-femtocellules pour un déploiement dense de femtocellules basé sur des techniques de clustering.

Les techniques de clustering sont utilisées pour réduire la complexité d’allocation de ressources des réseaus de femtocellules denses car les ressources sont allouées localement dans chaque cluster. En outre, un chef de cluster est responsable de l’allocation des ressources aux femtocellules au sein du cluster, ce qui évite les interférences à plusieurs niveaux. Les techniques de regroupement ont été largement utilisées pour l’allocation de ressources distribuées dans des réseaux hétérogènes grâce à l’utilisation de modèles de théorie des jeux. Dans ce travail, trois algorithmes d’allocation de ressources distribuées basés sur des jeux coopératifs et évolutifs sont proposés.

Dans la première partie, nous discutons du problème d’allocation des ressources pour le déploiement peu dense de femtocellules. À cette fin, un jeu de coalition est utilisé pour inciter les femtocellules à former des grappes. L’approche se décompose en: (i) un algorithme de sélection de station de base pour les utilisateurs publics, (ii) un algorithme de classification basé sur la théorie des jeux coopératifs et (iii) une allocation de ressources dans chaque groupe basée sur la technique Particle Swarm Optimization (PSO). En outre, un mécanisme de contrôle de interférence a permis aux femtocellules de quitter leur groupe actuel lorsque les niveaux de interférence sont supérieurs à un seuil de interférence.

Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur une allocation équitable des ressources pour les réseaux de macro-femtocellules. Nous développons un algorithme de clustering basé sur un jeu coopératif pour un réseau femtocell non dense. La valeur de Shapley est appliquée pour trouver la contribution marginale de chaque femtocellule à tous les groupes possibles de femtocellules, ce qui a permis de déterminer le montant raisonnable des ressources à allouer à chaque femtocellule dans un cluster. Cette solution est uniquement utilisée pour le déploiement de femtocellules non denses car la complexité du calcul de la valeur de Shapley augmente de manière significative avec un grand nombre de femtocellules. Des critères de stabilité basés sur le concept de coeur de la théorie des jeux sont utilisés pour trouver l’ensemble des clusters stables.

Enfin, l’analyse de l’allocation des ressources pour le déploiement de femtocellules denses est traitée dans un modèle de théorie de jeu évolutive (EGT). Il est supposé que l’EGT nécessite une rationalité limitée des joueurs, ce qui réduit la complexité et permet le déploiement dense de femtocellules. De plus, nous démontrons que l’ensemble des grappes formées avec EGT est stable au moyen de la dynamique du réplicateur. Le modèle proposé comprend également une analyse système pour les utilisateurs à mobilité réduite tels que les piétons et les cyclistes.

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 145-153).
Mots-clés libres:	techniques de regroupement, réseaux femtocell denses, la théorie des jeux, optimisation des essaims de particules, remplissage d’eau pondéré
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dziong, Zbigniew
Codirecteur:	Codirecteur Estrada, Rebeca Otrok, Hadi
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 déc. 2019 19:24
Dernière modification:	13 déc. 2019 19:24
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2421

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