Modeling and Analysis of K-Tier Downlink Heterogeneous Cellular Networks

Cellular networks are in a major transition from a carefully planned set of large tower-mounted base-stations (BSs) to an irregular deployment of heterogeneous infrastructure elements that often additionally includes micro, pico, and femtocells, as well as distributed antennas. In this paper, we develop a tractable, flexible, and accurate model for a downlink heterogeneous cellular network (HCN) consisting of K tiers of randomly located BSs, where each tier may differ in terms of average transmit power, supported data rate and BS density. Assuming a mobile user connects to the strongest candidate BS, the resulting Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio (SINR) is greater than 1 when in coverage, Rayleigh fading, we derive an expression for the probability of coverage (equivalently outage) over the entire network under both open and closed access, which assumes a strikingly simple closed-form in the high SINR regime and is accurate down to -4 dB even under weaker assumptions. For external validation, we compare against an actual LTE network (for tier 1) with the other K-1 tiers being modeled as independent Poisson Point Processes. In this case as well, our model is accurate to within 1-2 dB. We also derive the average rate achieved by a randomly located mobile and the average load on each tier of BSs. One interesting observation for interference-limited open access networks is that at a given SINR, adding more tiers and/or BSs neither increases nor decreases the probability of coverage or outage when all the tiers have the same target-SINR.Comment: IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 30, no. 3, pp. 550 - 560, Apr. 201

A Distributed Approach to Interference Alignment in OFDM-based Two-tiered Networks

In this contribution, we consider a two-tiered network and focus on the coexistence between the two tiers at physical layer. We target our efforts on a long term evolution advanced (LTE-A) orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) macro-cell sharing the spectrum with a randomly deployed second tier of small-cells. In such networks, high levels of co-channel interference between the macro and small base stations (MBS/SBS) may largely limit the potential spectral efficiency gains provided by the frequency reuse 1. To address this issue, we propose a novel cognitive interference alignment based scheme to protect the macro-cell from the cross-tier interference, while mitigating the co-tier interference in the second tier. Remarkably, only local channel state information (CSI) and autonomous operations are required in the second tier, resulting in a completely self-organizing approach for the SBSs. The optimal precoder that maximizes the spectral efficiency of the link between each SBS and its served user equipment is found by means of a distributed one-shot strategy. Numerical findings reveal non-negligible spectral efficiency enhancements with respect to traditional time division multiple access approaches at any signal to noise (SNR) regime. Additionally, the proposed technique exhibits significant robustness to channel estimation errors, achieving remarkable results for the imperfect CSI case and yielding consistent performance enhancements to the network.Comment: 15 pages, 10 figures, accepted and to appear in IEEE Transactions on Vehicular Technology Special Section: Self-Organizing Radio Networks, 2013. Authors' final version. Copyright transferred to IEE

User Association in 5G Networks: A Survey and an Outlook

26 pages; accepted to appear in IEEE Communications Surveys and Tutorial

Cellular and Wi-Fi technologies evolution: from complementarity to competition

This PhD thesis has the characteristic to span over a long time because while working on it, I was working as a research engineer at CTTC with highly demanding development duties. This has delayed the deposit more than I would have liked. On the other hand, this has given me the privilege of witnessing and studying how wireless technologies have been evolving over a decade from 4G to 5G and beyond. When I started my PhD thesis, IEEE and 3GPP were defining the two main wireless technologies at the time, Wi-Fi and LTE, for covering two substantially complementary market targets. Wi-Fi was designed to operate mostly indoor, in unlicensed spectrum, and was aimed to be a simple and cheap technology. Its primary technology for coexistence was based on the assumption that the spectrum on which it was operating was for free, and so it was designed with interference avoidance through the famous CSMA/CA protocol. On the other hand, 3GPP was designing technologies for licensed spectrum, a costly kind of spectrum. As a result, LTE was designed to take the best advantage of it while providing the best QoE in mainly outdoor scenarios. The PhD thesis starts in this context and evolves with these two technologies. In the first chapters, the thesis studies radio resource management solutions for standalone operation of Wi-Fi in unlicensed and LTE in licensed spectrum. We anticipated the now fundamental machine learning trend by working on machine learning-based radio resource management solutions to improve LTE and Wi-Fi operation in their respective spectrum. We pay particular attention to small cell deployments aimed at improving the spectrum efficiency in licensed spectrum, reproducing small range scenarios typical of Wi-Fi settings. IEEE and 3GPP followed evolving the technologies over the years: Wi-Fi has grown into a much more complex and sophisticated technology, incorporating the key features of cellular technologies, like HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling and spatial reuse. On the other hand, since Release 13, cellular networks have also been designed for unlicensed spectrum. As a result, the two last chapters of this thesis focus on coexistence scenarios, in which LTE needs to be designed to coexist with Wi-Fi fairly, and NR, the radio access for 5G, with Wi-Fi in 5 GHz and WiGig in 60 GHz. Unlike LTE, which was adapted to operate in unlicensed spectrum, NR-U is natively designed with this feature, including its capability to operate in unlicensed in a complete standalone fashion, a fundamental new milestone for cellular. In this context, our focus of analysis changes. We consider that these two technological families are no longer targeting complementarity but are now competing, and we claim that this will be the trend for the years to come. To enable the research in these multi-RAT scenarios, another fundamental result of this PhD thesis, besides the scientific contributions, is the release of high fidelity models for LTE and NR and their coexistence with Wi-Fi and WiGig to the ns-3 open-source community. ns-3 is a popular open-source network simulator, with the characteristic to be multi-RAT and so naturally allows the evaluation of coexistence scenarios between different technologies. These models, for which I led the development, are by academic citations, the most used open-source simulation models for LTE and NR and havereceived fundings from industry (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) and federal agencies (NIST, LLNL) over the years.Aquesta tesi doctoral té la característica d’allargar-se durant un llarg període de temps ja que mentre treballava en ella, treballava com a enginyera investigadora a CTTC amb tasques de desenvolupament molt exigents. Això ha endarrerit el dipositar-la més del que m’hagués agradat. D’altra banda, això m’ha donat el privilegi de ser testimoni i estudiar com han evolucionat les tecnologies sense fils durant més d’una dècada des del 4G fins al 5G i més enllà. Quan vaig començar la tesi doctoral, IEEE i 3GPP estaven definint les dues tecnologies sense fils principals en aquell moment, Wi-Fi i LTE, que cobreixen dos objectius de mercat substancialment complementaris. Wi-Fi va ser dissenyat per funcionar principalment en interiors, en espectre sense llicència, i pretenia ser una tecnologia senzilla i barata. La seva tecnologia primària per a la convivència es basava en el supòsit que l’espectre en el que estava operant era de franc, i, per tant, es va dissenyar simplement evitant interferències a través del famós protocol CSMA/CA. D’altra banda, 3GPP estava dissenyant tecnologies per a espectres amb llicència, un tipus d’espectre costós. Com a resultat, LTE està dissenyat per treure’n el màxim profit alhora que proporciona el millor QoE en escenaris principalment a l’aire lliure. La tesi doctoral comença amb aquest context i evoluciona amb aquestes dues tecnologies. En els primers capítols, estudiem solucions de gestió de recursos de radio per a operacions en espectre de Wi-Fi sense llicència i LTE amb llicència. Hem anticipat l’actual tendència fonamental d’aprenentatge automàtic treballant solucions de gestió de recursos de radio basades en l’aprenentatge automàtic per millorar l’LTE i Wi-Fi en el seu espectre respectiu. Prestem especial atenció als desplegaments de cèl·lules petites destinades a millorar la eficiència d’espectre llicenciat, reproduint escenaris de petit abast típics de la configuració Wi-Fi. IEEE i 3GPP van seguir evolucionant les tecnologies al llarg dels anys: El Wi-Fi s’ha convertit en una tecnologia molt més complexa i sofisticada, incorporant les característiques clau de les tecnologies cel·lulars, com ara HARQ i la reutilització espacial. D’altra banda, des de la versió 13, també s’han dissenyat xarxes cel·lulars per a espectre sense llicència. Com a resultat, els dos darrers capítols d’aquesta tesi es centren en aquests escenaris de convivència, on s’ha de dissenyar LTE per conviure amb la Wi-Fi de manera justa, i NR, l’accés a la radio per a 5G amb Wi-Fi a 5 GHz i WiGig a 60 GHz. A diferència de LTE, que es va adaptar per funcionar en espectre sense llicència, NR-U està dissenyat de forma nativa amb aquesta característica, inclosa la seva capacitat per operar sense llicència de forma autònoma completa, una nova fita fonamental per al mòbil. En aquest context, el nostre focus d’anàlisi canvia. Considerem que aquestes dues famílies de tecnologia ja no estan orientades cap a la complementarietat, sinó que ara competeixen, i afirmem que aquesta serà el tendència per als propers anys. Per permetre la investigació en aquests escenaris multi-RAT, un altre resultat fonamental d’aquesta tesi doctoral, a més de les aportacions científiques, és l’alliberament de models d’alta fidelitat per a LTE i NR i la seva coexistència amb Wi-Fi a la comunitat de codi obert ns-3. ns-3 és un popular simulador de xarxa de codi obert, amb la característica de ser multi-RAT i, per tant, permet l’avaluació de manera natural d’escenaris de convivència entre diferents tecnologies. Aquests models, pels quals he liderat el desenvolupament, són per cites acadèmiques, els models de simulació de codi obert més utilitzats per a LTE i NR i que han rebut finançament de la indústria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) i agències federals (NIST, LLNL) al llarg dels anys.Esta tesis doctoral tiene la característica de extenderse durante mucho tiempo porque mientras trabajaba en ella, trabajaba como ingeniera de investigación en CTTC con tareas de desarrollo muy exigentes. Esto ha retrasado el depósito más de lo que me hubiera gustado. Por otro lado, gracias a ello, he tenido el privilegio de presenciar y estudiar como las tecnologías inalámbricas han evolucionado durante una década, de 4G a 5G y más allá. Cuando comencé mi tesis doctoral, IEEE y 3GPP estaban definiendo las dos principales tecnologías inalámbricas en ese momento, Wi-Fi y LTE, cumpliendo dos objetivos de mercado sustancialmente complementarios. Wi-Fi fue diseñado para funcionar principalmente en interiores, en un espectro sin licencia, y estaba destinado a ser una tecnología simple y barata. Su tecnología primaria para la convivencia se basaba en el supuesto en que el espectro en el que estaba operando era gratis, y así fue diseñado simplemente evitando interferencias a través del famoso protocolo CSMA/CA. Por otro lado, 3GPP estaba diseñando tecnologías para espectro con licencia, un tipo de espectro costoso. Como resultado, LTE está diseñado para aprovechar el espectro al máximo proporcionando al mismo tiempo el mejor QoE en escenarios principalmente al aire libre. La tesis doctoral parte de este contexto y evoluciona con estas dos tecnologías. En los primeros capítulos, estudiamos las soluciones de gestión de recursos de radio para operación en espectro Wi-Fi sin licencia y LTE con licencia. Anticipamos la tendencia ahora fundamental de aprendizaje automático trabajando en soluciones de gestión de recursos de radio para mejorar LTE y funcionamiento deWi-Fi en su respectivo espectro. Prestamos especial atención a las implementaciones de células pequeñas destinadas a mejorar la eficiencia de espectro licenciado, reproduciendo los típicos escenarios de rango pequeño de la configuración Wi-Fi. IEEE y 3GPP siguieron evolucionando las tecnologías a lo largo de los años: Wi-Fi se ha convertido en una tecnología mucho más compleja y sofisticada, incorporando las características clave de las tecnologías celulares, como HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling y la reutilización espacial. Por otro lado, desde la Release 13, también se han diseñado redes celulares para espectro sin licencia. Como resultado, los dos últimos capítulos de esta tesis se centran en estos escenarios de convivencia, donde LTE debe diseñarse para coexistir con Wi-Fi de manera justa, y NR, el acceso por radio para 5G con Wi-Fi en 5 GHz y WiGig en 60 GHz. A diferencia de LTE, que se adaptó para operar en espectro sin licencia, NR-U está diseñado de forma nativa con esta función, incluyendo su capacidad para operar sin licencia de forma completamente independiente, un nuevo hito fundamental para los celulares. En este contexto, cambia nuestro enfoque de análisis. Consideramos que estas dos familias tecnológicas ya no tienen como objetivo la complementariedad, sino que ahora están compitiendo, y afirmamos que esta será la tendencia para los próximos años. Para permitir la investigación en estos escenarios de múltiples RAT, otro resultado fundamental de esta tesis doctoral, además de los aportes científicos, es el lanzamiento de modelos de alta fidelidad para LTE y NR y su coexistencia con Wi-Fi y WiGig a la comunidad de código abierto de ns-3. ns-3 es un simulador popular de red de código abierto, con la característica de ser multi-RAT y así, naturalmente, permite la evaluación de escenarios de convivencia entre diferentes tecnologías. Estos modelos, para los cuales lideré el desarrollo, son por citas académicas, los modelos de simulación de código abierto más utilizados para LTE y NR y han recibido fondos de la industria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) y agencias federales (NIST, LLNL) a lo largo de los años.Postprint (published version

プライマリシステムの干渉制限を考慮した周波数共用のためのリソース割り当てに関する研究

In wireless communications, the improvement of spectral efficiency isrequired due to the shortage of frequency resource. As an effectivesolution, spectrum sharing has been attracted attention. A cognitiveradio is promising technology for realization of spectrum sharing. Inthe spectrum sharing, cognitive user (secondary user) has to protectlicensed user (primary user) according to the interference constraint.However, conventional metric of interference constraint cannot avoidlarge performance degradation in primary system with widely rangeof Signal to Noise Ratio (SNR) such as a cellular system. Additionally,conventional interference constraints do not considers schedulingbehavior in cellular system. In order to solve these problems, thispaper proposes novel metric of the interference constraint whichsupports the widely SNR region of the primary system, so calledcapacity conservation ratio (CCR). The CCR is defined as the ratio ofthe capacity of the Primary receiver without interference from thesecondary transmitter, to the decreased primary capacity due tointerference. Proposed interference constraint based on CCR canprotect primary capacities over the widely SNR region. In addition,scheduling behavior of the primary system can be protected by usingproposed interference constraint. In addition, we propose transmitpower control schemes: exact and simplified power control. The exactpower control can satisfy requirement of interference constraintwithout large margin; however, transmit power cannot be derivewithout numerical analysis. In contrast, transmit power isclosed-form solution in the simplified power control with satisfyingthe interference constraint. Finally, this thesis proposes the resourcescheduling under the interference constraint. Proposed schedulingachieves the high throughput and high user fairness in the secondarysystem without increasing feedback information compared withconventional algorithm.現在、無線通信において周波数リソース不足が深刻な問題となっており、抜本的な対策技術としてコグニティブ周波数共用が注目されている。本論文では、周波数共用において既存システムの周波数帯を他システム（2 次システム）が二次利用するために干渉制限指標及びリソース割り当てに関する研究を行った。一つ目の研究では、既存システムに与える与干渉状態の評価指標について提案を行い，幅広い通信品質の既存システムを保護可能な干渉制限について評価を行った．評価ではシステムのリンクが静的モデルおよび動的なリソース配分で変更される動的モデルを用いた．二つ目の研究では，その干渉制限達成可能な送信電力制御の検討を行った。送信電力制御を行う際に，外部からチャネル情報の一部のみが得られると仮定し，確率的に変動するフェージング要素について所望のアウテージ確率を満足できるように数値解析を行い，厳密設計および簡易設計について提案を行った．三つ目の研究では、既存システムが複数端末に対して無線リソースをスケジューリングするモデルへと拡張し，2 次システムが干渉を回避しつつ，効率的リソース割り当てに関する検討を行った。電気通信大学201