A Scheduling and Resource Allocation Algorithm for LTE Networks Using Tree Structures

Το σύστημα LTE σχεδιάστηκε από τη 3GPP με στόχο την ικανοποίηση των ολοένααυξανόμενων αναγκών για ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση. Τεχνικές όπως το σχήμα πολλαπλής πρόσβασης OFDMA, το MIMOκαι η Προσαρμοστική Διαμόρφωση και Κωδικοποίηση υιοθετήθηκαν προκειμένου να αυξήσουν τους επιτεύξιμους ρυθμούςμετάδοσης και να βελτιώσουν τη φασματική απόδοση. Ωστόσο, απαιτείται η ανάπτυξη εξελιγμένων αλγορίθμωνχρονοπρογραμματισμού προκειμένου να αξιοποιηθεί η πλήρης δυναμική αυτών των τεχνικών. Παρά το γεγονός ότι η 3GPPέχειπροτυποποιήσει πλήρως τη σηματοδοσία ελέγχου που απαιτείται για την εκτέλεση του χρονοπρογραμματισμού, οι αλγόριθμοι πουχρειάζεται να εκτελεστούν προκειμένου να ληφθούν αποδοτικές αποφάσεις έχουν αφεθεί στους κατασκευαστές για υλοποίηση.Ωςεκ τούτου, σημαντική ερευνητική προσπάθεια έχει καταβληθεί προς αυτή την κατεύθυνση και έχουν προταθεί αρκετοίαλγόριθμοιχρονοπρογραμματισμού. Το κύριο συμπέρασμα που εξάγεται από τη μελέτη της βιβλιογραφίας είναι ότι οχρονοπρογραμματισμόςσε ένα σύστημα πολλών φερουσών με τους περιορισμούς του LTE αποτελεί ένα πολυδιάστατο πρόβλημα.Ανάμεσα στις πολλέςδιαστάσεις του, αυτές που κυρίως λαμβάνονται υπόψη στους προτεινόμενους αλγορίθμους είναι ηρυθμαπόδοση, η δικαιοσύνη και η εξασφάλιση εγγυημένης ποιότητας υπηρεσίας.Η κύρια συμβολή της παρούσας διατριβής είναι η πρόταση ενός νέου αλγόριθμου χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων ο οποίος αντιμετωπίζει τα περισσότερα από τα θέματα που καθορίζουν τησυνολική απόδοση μίας οντότητας χρονοπρογραμματισμού του LTE. Η πρόταση εστιάζει κυρίως στην πολυπλοκότητα πουεισάγεται κατά τη λήψη μίας απόφασης χρονοπρογραμματισμού. Επιχειρεί δε να επιλύσει αυτό το πρόβλημα με την εισαγωγή μίαςεξελιγμένης δενδρικής δομής η οποία επιτρέπει την αποδοτική αποθήκευση όλων των παραμέτρων που θεωρούνται ουσιώδεις στηδιαδικασία λήψης μίας απόφασης χρονοπρογραμματισμού. Με αυτό τον τρόπο η οντότητα χρονοπρογραμματισμού έχει άμεσηπρόσβαση σε αυτές τις πληροφορίες. Στην εργασία περιγράφεται ένας πλήρης αλγόριθμος προγραμματισμού στο πεδίο τουχρόνου που αξιοποιεί αυτή τη δενδρική δομή και επιπλέον προτείνονται δύο νέοι αλγόριθμοι κατανομής πόρων. Οι αλγόριθμοιαυτοί επίσης αξιοποιούν κάποιες επιπρόσθετες δενδρικές δομές οι οποίες παράγονται ύστερα από κατάλληλη προ-επεξεργασίαπου λαμβάνει χώρα πριν τη λήψη της απόφασης χρονοπρογραμματισμού. Ο πρώτος αλγόριθμος παρουσιάζει χαμηλήπολυπλοκότητα και ικανοποιητική απόδοση ενώ ο δεύτερος βελτιωμένη απόδοση με το κόστος κάποιας επιπρόσθετηςπολυπλοκότητας. Αποτελέσματα εκτεταμένων προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν την ικανότητα του προτεινόμενου σχήματος στηνικανοποίηση των αυστηρών απαιτήσεων του LTE σε ότι αφορά την ποιότητα υπηρεσίας, ενώ ταυτόχρονα η απόδοση τωνπροτεινόμενων αλγορίθμων συγκρίνεται με γνωστές τεχνικές χρονοπρογραμματισμού. Οι προτεινόμενες λύσεις είναι εφαρμόσιμες μόνο στην περίπτωση της κατωφερούς ζεύξης, ωστόσο η ίδια ιδέα μπορεί να προσαρμοστεί κατάλληλα για να παρέχει μία αποδοτική λύση και στην περίπτωση της ανωφερούς ζεύξηςLong Term Evolution (LTE) has been designed by 3GPP with the target to meet the ever increasing demands in broadband wireless access. Techniques such as OFDMA multiple access scheme, MIMO and Adaptive Modulation and Coding (AMC) have been adopted in order to boost the achieved data rates and improve spectral efficiency. However, the development of sophisticated scheduling algorithms is required so that the full potential of those techniques is exploited. Even though 3GPP has fully standardized the control signaling required to perform scheduling, the algorithms that need to be executed to make efficient decisions are left to vendor implementation. Therefore significant research effort has been dedicated to this direction and several scheduling algorithms have been proposed. The main conclusion drawn from the study of the literature is that scheduling in a multicarrier system with the restrictions of LTE constitutes a multidimensional problem. Among the multiple dimensions, those that are mostly considered in the proposed algorithms are throughput, fairness and QoS guarantee. The main contribution of this thesis is to propose a new scheduling algorithm that addresses most of the issues that define the overall performance of an LTE scheduler. The proposal focuses mainly on the complexity involved in making a scheduling decision. It attempts to resolve this issue by the introduction of a sophisticated tree structure that enables the efficient storage of all the parameters that are considered essential in the scheduling decision process. Thus the scheduler can have immediate access to this information. A full time domain scheduling algorithm that utilizes this tree structure is described and two new resource allocation algorithms are proposed. These algorithms also utilize some additional tree structures derived from appropriate preprocessing actions that take place before the actual scheduling decision. The first algorithm has low complexity and satisfactory performance while the second has improved performance with the cost of some additional complexity. Extensive simulation results confirm the capability of the proposed scheme in satisfying the strict QoS requirements of LTE, while the performance of the newly proposed algorithms is compared with well-known scheduling techniques. The proposed solutions are applicable to the downlink case, while the same concept may be adapted properly to provide an efficient solution for the uplink case

Spatial spectrum reuse in heterogeneous wireless networks: interference management and access control

Διαχρονικά, η κυρίαρχη σχεδιαστική επιλογή για την βελτίωση της φασματικής απόδοσης των ασύρματων δικτύων κινητών επικοινωνιών είναι η χωρική επαναχρησιμοποίηση φάσματος, η δυνατότητα δηλαδή να επαναχρησιμοποιείται το ίδιο κομμάτι φάσματος πολλές φορές στο χώρο με την προϋπόθεση ότι διατηρούνται χαμηλά τα επίπεδα των παρεμβολών. Στα σύγχρονα δίκτυα κινητών επικοινωνιών μελετώνται δύο νέοι τρόποι χωρικής επαναχρησιμοποίησης φάσματος: α) η ανάπτυξη φεμτοκυψελών (femtocells), η ανάπτυξη δηλαδή μικρών κυψελών για εξυπηρέτηση κυρίως εσωτερικών χώρων στην ευρύτερη περιοχή κάλυψης μία κύριας κυψέλης, και β) η ενεργοποίηση επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή (Device-to-Device – D2D), απευθείας δηλαδή επικοινωνιών χωρίς την διαμεσολάβηση του σταθμού βάσης της κυψέλης. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να μελετηθούν και να αντιμετωπιστούν οι προκλήσεις που προκύπτουν από την εισαγωγή φεμτοκυψελών και την υιοθέτηση επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή σε κυψελωτά δίκτυα προτυποποιημένα από την 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται τα προβλήματα της διαχείρισης του φάσματος και των παρεμβολών, καθώς και θέματα πρόσβασης στο φάσμα για Long Term Evolution (LTE) και LTE-Advanced (LTE-A) δίκτυα με φεμτοκυψέλες και με επικοινωνίες συσκευής-σε- συσκευή. Για το σκοπό αυτό, αρχικά μελετήθηκαν τα LTE/LTE-A κυψελωτά δίκτυα ως προς το φυσικό επίπεδο, την αρχιτεκτονική και τις παρεμβολές, αποτυπώνοντας και την τρέχουσα κατάσταση στο τομέα της προτυποποίησης των φεμτοκυψελών και των επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή. Ακολούθησε μια συγκριτική μελέτη μηχανισμών διαχείρισης παρεμβολών σε κανάλια ελέγχου ενός LTE/LTE-A δικτύου με φεμτοκυψέλες και ένας καινοτόμος μηχανισμός ελέγχου ισχύος για μεταδόσεις φεμτοκυψελών, βασισμένος στην ποιότητα εμπειρίας στο τελικό χρήστη. Η δουλειά αυτή άνοιξε νέους ερευνητικούς ορίζοντες, όπου το επίπεδο ικανοποίησης του τελικού χρήστη παίζει ενεργό ρόλο στη διαχείριση του δικτύου και την παροχή των υπηρεσιών. Παρόλα αυτά, η περεταίρω μελέτη προς την κατεύθυνση αυτή είναι εκτός του σκοπού της παρούσας διατριβής. Στην συνέχεια, το κύριο βάρος της μελέτης μεταφέρθηκε στο πρόβλημα της διαχείρισης του φάσματος και των παρεμβολών στο πολύ πιο δυναμικό περιβάλλον ενός κυψελωτού δικτύου όπου επιτρέπονται οι επικοινωνίες συσκευής-σε-συσκευή. Σε πρώτη φάση, θεωρήθηκε ένα σύνολο από ζεύγη συσκευών που επικοινωνούν μεταξύ τους με επικοινωνίες συσκευής-σε-συσκευή και προτάθηκε ένας μηχανισμός συλλογής πληροφορίας παρεμβολών και ένα σχήμα ανάθεσης πόρων βασισμένο στη θεωρία γράφων. Το κύριο αποτέλεσμα της μελέτης αυτής ήταν πως αν και υψηλά επίπεδα χωρικής επαναχρησιμοποίησης μπορούν να επιτευχθούν, η συλλογή και η επεξεργασία πληροφορίας παρεμβολών είναι ένα πολύπλοκο πρόβλημα το οποίο απαιτεί και επιπλέον πόρους σηματοδοσίας. Έτσι, προτάθηκε και αναλύθηκε μίας λύση βασισμένη στον ανταγωνισμό. Πρακτικά οι χρήστες των επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή εφαρμόζουν ένα σχήμα ανταγωνισμού όμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται στα δίκτυα WiFi (Wireless Fidelity), προσαρμοσμένο όμως στο φυσικό επίπεδο των LTE/LTE-A δικτύων. Μαθηματική ανάλυση του σχήματος έδειξε ισχυρή εξάρτηση των επιδόσεων από το πλήθος των χρηστών που ανταγωνίζονται για το φάσμα. Σε μια προσπάθεια περιορισμού του πλήθους των ανταγωνιζόμενων χρηστών μόνο σε αυτούς που βρίσκονται σε γειτνίαση, και άρα μονό σε αυτούς που η άμεση επικοινωνία τους είναι εφικτή, μελετήθηκε το πρόβλημα της ανίχνευσης γειτονικής συσκευής. Με βάση τις τρέχουσες προδιαγραφές της 3GPP, για την επίλυση του προβλήματος ανίχνευσης γειτονικής συσκευής, μία συσκευή είτε ανακοινώνει με μετάδοση περιοδικών μηνυμάτων την παρουσία της σε μια συγκεκριμένη περιοχή, είτε αιτείται από κάποια συγκεκριμένη συσκευή πληροφορία ανίχνευσης. Υιοθετώντας τη δεύτερη περίπτωση, προτάθηκαν βελτιώσεις στο LTE/LTE-A δίκτυο πρόσβασης ώστε να επιτρέπεται η ανάθεση φάσματος για μεταδόσεις ανίχνευσης γειτονικών συσκευών. Παράλληλα, δεδομένου ότι και για τις μεταδόσεις αυτές απαιτείται η κατανάλωση φάσματος, σχεδιάστηκε και αξιολογήθηκε μία λύση βασισμένη στη χωρική επαναχρησιμοποίηση φάσματος. Το βασικό συμπέρασμα ήταν ότι λόγω των χαμηλών απαιτήσεων ποιότητας των μηνυμάτων ανίχνευσης, κάτω από ορισμένες συνθήκες πυκνότητας του δικτύου, μπορεί να επιτραπεί η χωρική επαναχρησιμοποίηση του κυψελωτού φάσματος για μεταδόσεις ανίχνευσης συσκευής.Historically, the spatial spectrum reuse has been the most efficient approach for improving cellular system capacity. Based on this observation, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) has proposed new spatial spectrum reuse schemes, towards fulfilling the International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced) requirements for the 4G networks. In this direction, a major shift is realized from wide-range cells with high transmit power (macrocells) to low-power small-sized cells (femtocells), while a lot of effort is allocated to the spatial spectrum reuse by enabling Device-to-Device (D2D) communications, i.e., direct communications in a cellular network, without the intervention of the base station. The scope of this thesis is to deal with challenges arising from the introduction of femtocells and D2D communications in cellular networks standardized by 3GPP Release 8 and beyond, i.e., Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A). More specifically, for the case of femtocells, the interference management problem is studied, while for the D2D communications the radio resource management and the spectrum access challenges are addressed. First, a comprehensive description of the physical layer and architecture of the LTE/LTE-A networks is provided, and the current standardization efforts for the introduction of femtocells and D2D communications are described. Subsequently, different control channel interference management schemes for femtocell-overlaid LTE/LTE-A networks are studied, while an innovative power control scheme for the femtocell downlink transmissions is proposed, utilizing the end user’s quality of experience. This work brings to the surface new research challenges, where the end user’s satisfaction level plays an active role in network management and service provisioning. However, the further investigation of these challenges is out of this thesis’ scope. Considering the much more dynamic environment defined by the D2D communications in a cellular network, the major research effort is then shifted to the resource and interference management problem for D2D communications. Assuming a predefined set of D2D pairs in a cellular network, an interference information collection mechanism and a D2D resource allocation scheme, based on the graph-coloring theory, are proposed. Evaluation results showed that even high spatial spectrum reuse levels can be achieved, the interference collection and processing problem is quite complex, while additional signaling is needed. Taking this into account, a contention-based approach is proposed. Under this approach, the D2D devices compete for accessing the spectrum following a procedure similar with that used in WiFi (Wireless Fidelity) networks. Performance analysis shows that the efficiency of the proposed scheme depends on the number of competing devices. Towards restricting the number of competing devices, only to those that are in proximity and, thus, in valid positions for D2D communication, the device discovery problem is studied. According to the 3GPP standardization efforts, the solution of the device discovery problem requires frequent transmission of discovery signals from each device, either announcing its presence in a specific area, or requesting discovery information from a target device. Adopting the second option, enhancements in the 3GPP standardized access network are proposed, enabling a resource request / allocation procedure for device discovery transmissions. In parallel, a spatial spectrum reuse scheme is designed and evaluated, as an effort to reduce the consumption of radio resources for discovery transmissions. Analytical and simulation results show that, under certain conditions for the network density, a number of discovery transmissions can be enabled in a multi-cellular network even if no interference information is available

Eficiência energética avançada para sistema OFDMA CoMP coordenação multiponto

Doutoramento em Engenharia EletrotécnicaThe ever-growing energy consumption in mobile networks stimulated by the expected growth in data tra ffic has provided the impetus for mobile operators to refocus network design, planning and deployment towards reducing the cost per bit, whilst at the same time providing a signifi cant step towards reducing their operational expenditure. As a step towards incorporating cost-eff ective mobile system, 3GPP LTE-Advanced has adopted the coordinated multi-point (CoMP) transmission technique due to its ability to mitigate and manage inter-cell interference (ICI). Using CoMP the cell average and cell edge throughput are boosted. However, there is room for reducing energy consumption further by exploiting the inherent exibility of dynamic resource allocation protocols. To this end packet scheduler plays the central role in determining the overall performance of the 3GPP longterm evolution (LTE) based on packet-switching operation and provide a potential research playground for optimizing energy consumption in future networks. In this thesis we investigate the baseline performance for down link CoMP using traditional scheduling approaches, and subsequently go beyond and propose novel energy e fficient scheduling (EES) strategies that can achieve power-e fficient transmission to the UEs whilst enabling both system energy effi ciency gain and fairness improvement. However, ICI can still be prominent when multiple nodes use common resources with di fferent power levels inside the cell, as in the so called heterogeneous networks (Het- Net) environment. HetNets are comprised of two or more tiers of cells. The rst, or higher tier, is a traditional deployment of cell sites, often referred to in this context as macrocells. The lower tiers are termed small cells, and can appear as microcell, picocells or femtocells. The HetNet has attracted signiffi cant interest by key manufacturers as one of the enablers for high speed data at low cost. Research until now has revealed several key hurdles that must be overcome before HetNets can achieve their full potential: bottlenecks in the backhaul must be alleviated, as well as their seamless interworking with CoMP. In this thesis we explore exactly the latter hurdle, and present innovative ideas on advancing CoMP to work in synergy with HetNet deployment, complemented by a novel resource allocation policy for HetNet tighter interference management. As system level simulator has been used to analyze the proposed algorithm/protocols, and results have concluded that up to 20% energy gain can be observed.O aumento do consumo de energia nas TICs e em particular nas redes de comunicação móveis, estimulado por um crescimento esperado do tráfego de dados, tem servido de impulso aos operadores m oveis para reorientarem os seus projectos de rede, planeamento e implementa ção no sentido de reduzir o custo por bit, o que ao mesmo tempo possibilita um passo signicativo no sentido de reduzir as despesas operacionais. Como um passo no sentido de uma incorporação eficaz em termos destes custos, o sistema móvel 3GPP LTE-Advanced adoptou a técnica de transmissão Coordenação Multi-Ponto (identificada na literatura com a sigla CoMP) devido à sua capacidade de mitigar e gerir Interferência entre Células (sigla ICI na literatura). No entanto a ICI pode ainda ser mais proeminente quando v arios n os no interior da célula utilizam recursos comuns com diferentes níveis de energia, como acontece nos chamados ambientes de redes heterogéneas (sigla Het- Net na literatura). As HetNets são constituídas por duas ou mais camadas de células. A primeira, ou camada superiora, constitui uma implantação tradicional de sítios de célula, muitas vezes referidas neste contexto como macrocells. Os níveis mais baixos são designados por células pequenas, e podem aparecer como microcells, picocells ou femtocells. A HetNet tem atra do grande interesse por parte dos principais fabricantes como sendo facilitador para transmissões de dados de alta velocidade a baixo custo. A investigação tem revelado at e a data, vários dos principais obstáculos que devem ser superados para que as HetNets possam atingir todo o seu potencial: (i) os estrangulamentos no backhaul devem ser aliviados; (ii) bem como sua perfeita interoperabilidade com CoMP. Nesta tese exploramos este ultimo constrangimento e apresentamos ideias inovadoras em como a t ecnica CoMP poder a ser aperfeiçoada por forma a trabalhar em sinergia com a implementação da HetNet, complementado ainda com uma nova perspectiva na alocação de recursos rádio para um controlo e gestão mais apertado de interferência nas HetNets. Com recurso a simulação a níível de sistema para analisar o desempenho dos algoritmos e protocolos propostos, os resultados obtidos concluíram que ganhos at e a ordem dos 20% poderão ser atingidos em termos de eficiência energética

An Innovative RAN Architecture for Emerging Heterogeneous Networks: The Road to the 5G Era

The global demand for mobile-broadband data services has experienced phenomenal growth over the last few years, driven by the rapid proliferation of smart devices such as smartphones and tablets. This growth is expected to continue unabated as mobile data traffic is predicted to grow anywhere from 20 to 50 times over the next 5 years. Exacerbating the problem is that such unprecedented surge in smartphones usage, which is characterized by frequent short on/off connections and mobility, generates heavy signaling traffic load in the network signaling storms . This consumes a disproportion amount of network resources, compromising network throughput and efficiency, and in extreme cases can cause the Third-Generation (3G) or 4G (long-term evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A)) cellular networks to crash. As the conventional approaches of improving the spectral efficiency and/or allocation additional spectrum are fast approaching their theoretical limits, there is a growing consensus that current 3G and 4G (LTE/LTE-A) cellular radio access technologies (RATs) won\u27t be able to meet the anticipated growth in mobile traffic demand. To address these challenges, the wireless industry and standardization bodies have initiated a roadmap for transition from 4G to 5G cellular technology with a key objective to increase capacity by 1000Ã? by 2020 . Even though the technology hasn\u27t been invented yet, the hype around 5G networks has begun to bubble. The emerging consensus is that 5G is not a single technology, but rather a synergistic collection of interworking technical innovations and solutions that collectively address the challenge of traffic growth. The core emerging ingredients that are widely considered the key enabling technologies to realize the envisioned 5G era, listed in the order of importance, are: 1) Heterogeneous networks (HetNets); 2) flexible backhauling; 3) efficient traffic offload techniques; and 4) Self Organizing Networks (SONs). The anticipated solutions delivered by efficient interworking/ integration of these enabling technologies are not simply about throwing more resources and /or spectrum at the challenge. The envisioned solution, however, requires radically different cellular RAN and mobile core architectures that efficiently and cost-effectively deploy and manage radio resources as well as offload mobile traffic from the overloaded core network. The main objective of this thesis is to address the key techno-economics challenges facing the transition from current Fourth-Generation (4G) cellular technology to the 5G era in the context of proposing a novel high-risk revolutionary direction to the design and implementation of the envisioned 5G cellular networks. The ultimate goal is to explore the potential and viability of cost-effectively implementing the 1000x capacity challenge while continuing to provide adequate mobile broadband experience to users. Specifically, this work proposes and devises a novel PON-based HetNet mobile backhaul RAN architecture that: 1) holistically addresses the key techno-economics hurdles facing the implementation of the envisioned 5G cellular technology, specifically, the backhauling and signaling challenges; and 2) enables, for the first time to the best of our knowledge, the support of efficient ground-breaking mobile data and signaling offload techniques, which significantly enhance the performance of both the HetNet-based RAN and LTE-A\u27s core network (Evolved Packet Core (EPC) per 3GPP standard), ensure that core network equipment is used more productively, and moderate the evolving 5G\u27s signaling growth and optimize its impact. To address the backhauling challenge, we propose a cost-effective fiber-based small cell backhaul infrastructure, which leverages existing fibered and powered facilities associated with a PON-based fiber-to-the-Node/Home (FTTN/FTTH)) residential access network. Due to the sharing of existing valuable fiber assets, the proposed PON-based backhaul architecture, in which the small cells are collocated with existing FTTN remote terminals (optical network units (ONUs)), is much more economical than conventional point-to-point (PTP) fiber backhaul designs. A fully distributed ring-based EPON architecture is utilized here as the fiber-based HetNet backhaul. The techno-economics merits of utilizing the proposed PON-based FTTx access HetNet RAN architecture versus that of traditional 4G LTE-A\u27s RAN will be thoroughly examined and quantified. Specifically, we quantify the techno-economics merits of the proposed PON-based HetNet backhaul by comparing its performance versus that of a conventional fiber-based PTP backhaul architecture as a benchmark. It is shown that the purposely selected ring-based PON architecture along with the supporting distributed control plane enable the proposed PON-based FTTx RAN architecture to support several key salient networking features that collectively significantly enhance the overall performance of both the HetNet-based RAN and 4G LTE-A\u27s core (EPC) compared to that of the typical fiber-based PTP backhaul architecture in terms of handoff capability, signaling overhead, overall network throughput and latency, and QoS support. It will also been shown that the proposed HetNet-based RAN architecture is not only capable of providing the typical macro-cell offloading gain (RAN gain) but also can provide ground-breaking EPC offloading gain. The simulation results indicate that the overall capacity of the proposed HetNet scales with the number of deployed small cells, thanks to LTE-A\u27s advanced interference management techniques. For example, if there are 10 deployed outdoor small cells for every macrocell in the network, then the overall capacity will be approximately 10-11x capacity gain over a macro-only network. To reach the 1000x capacity goal, numerous small cells including 3G, 4G, and WiFi (femtos, picos, metros, relays, remote radio heads, distributed antenna systems) need to be deployed indoors and outdoors, at all possible venues (residences and enterprises)

3GPP LTE Release 9 and 10 requirement analysis to physical layer UE testing

The purpose of this thesis was to analyze the testing requirements to physical layer features which are used in LTE Release 9 and 10 timeframe. The aim of the analysis was to define test case requirements for new features from the physical layer point of view. This analysis can then be utilized to implement and design test cases using commercial eNB simulators. The analysis was carried out by studying the 3GPP specifications and by investigating the integration and system level testing requirements. Different feature specific parameters were evaluated and different testing aspects were studied in order to verify the functionalities and performance of the UE. Also, different conformance test case scenarios and field testing aspects were investigated in order to improve the test case planning in the integration and system testing phase. The analysis showed that in Rel-9 there are two main features which have a great impact on the Rel-9 physical layer testing. These two features are the dual-layer beamforming and UE positioning which is done with OTDOA and E-CID methods. It was analyzed that the requirements for the downlink dual-layer beamforming focus on TDD side and the test plan must contain especially throughput performance testing in integration and system phase testing. OTDOA and E-CID methods, on the other hand, need test plans which are concentrating on the positioning accuracy. In Rel-10, the analysis showed that there are plenty of new features on physical layer to ensure the transition from LTE to LTE-Advanced. The main requirements were assigned for the CA feature which has testing activities especially on the UE feedback operations. Also, different kinds of CA deployment scenarios were analyzed to evaluate more closely the initial CA testing scenarios in integration and system testing. Analysis continued with downlink multi-layer beamforming where the requirements were seen to concentrate on new CSI-RS aspects and to throughput performance testing. Uplink MIMO aspects were analyzed at the end and the studies showed that this feature may have a minor role in Rel-10 timeframe and therefore it does not have any important testing requirements which should be taken into account in test plans

Τεχνικές ελαχιστοποίησης παρεμβολών σε δίκτυα LTE και LTE-Advanced

Οι σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές ανάγκες έχουν οδηγήσει στην εξέλιξη των προτύπων για κινητές επικοινωνίες από το UMTS στο LTE από το 3rd Generation Partnership Project (3GPP) και άλλους οργανισμούς. Οι κυριότεροι στόχοι του LTE προτύπου είναι η παροχή υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης, μειωμένες καθυστερήσεις και υψηλότερη απόδοση σε επίπεδο συστήματος σε σύγκριση με την προηγούμενη γενιά και δυνατότητα παροχής υπηρεσιών που απαιτούν μετάδοση μεγάλων όγκων δεδομένων ή αυστηρών περιορισμών σε καθυστερήσεις. Οι ρυθμοί μετάδοσης που υπόσχεται το LTE δεν είναι πάντα εφικτοί σε πραγματικές συνθήκες καθώς εξαρτώνται από τις συνθήκες μετάδοσης. Οι πραγματικοί ρυθμοί μετάδοσης είναι χαμηλότεροι για τους χρήστες οι οποίοι βρίσκονται στα άκρα μιας κυψέλης και δέχονται παρεμβολές από γειτονικές κυψέλες. Το αποτέλεσμα είναι οι συσκευές αυτές να υφίστανται μειωμένες ταχύτητες και να επηρεάζουν αρνητικά την συνολική απόδοση του συστήματος. Στην βιβλιογραφία, η ως επί των πλείστων προτεινόμενη τεχνική για την εξάλειψη των παρεμβολών είναι η τεχνική του συντονισμού των παρεμβολών. Η εργασία αυτή κάνει μια περιγραφή των συνθηκών εμφάνισης παρεμβολών που δέχεται ένας χρήστης και των τεχνικών που έχουν αναπτυχθεί για την αντιμετώπισή τους σε ομοιογενή δίκτυα και ετερογενή δίκτυα.Modern telecommunication needs have led the development of standards for mobile communications from UMTS to LTE, by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) and other organizations. The main objectives of the LTE standard is to provide higher data rates, lower delays, higher system level performance compared to the previous generation and to be able to offer services that require transmission of large amounts of data or rigorous restrictions regarding delays. The data rates that LTE promises are not always feasible in real systems as they depend on the transmission conditions. The actual transmission rates are lower for users located at the edge of the cells, where they receive interference from neighboring cells. As a result, those devices experience lower transmission rates and can adversely affect the overall system performance. The most proposed interference mitigation technique in the literature is Interference Coordination. This paper provides a description of the conditions in which interference occurs and the techniques that are proposed to mitigate them, on homogeneous and heterogeneous networks

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks

Optimisation de la gestion des interférences inter-cellulaires et de l'attachement des mobiles dans les réseaux cellulaires LTE

Driven by an exponential growth in mobile broadband-enabled devices and a continue dincrease in individual data consumption, mobile data traffic has grown 4000-fold over the past 10 years and almost 400-million-fold over the past 15 years. Homogeneouscellular networks have been facing limitations to handle soaring mobile data traffic and to meet the growing end-user demand for more bandwidth and betterquality of experience. These limitations are mainly related to the available spectrumand the capacity of the network. Telecommunication industry has to address these challenges and meet exploding demand. At the same time, it has to guarantee a healthy economic model to reduce the carbon footprint which is caused by mobile communications.Heterogeneous Networks (HetNets), composed of macro base stations and low powerbase stations of different types, are seen as the key solution to improve spectral efficiency per unit area and to eliminate coverage holes. In such networks, intelligent user association and interference management schemes are needed to achieve gains in performance. Due to the large imbalance in transmission power between macroand small cells, user association based on strongest signal received is not adapted inHetNets as only few users would attach to low power nodes. A technique based onCell Individual Offset (CIO) is therefore required to perform load balancing and to favor some Small Cell (SC) attraction against Macro Cell (MC). This offset is addedto users’ Reference Signal Received Power (RSRP) measurements and hence inducing handover towards different eNodeBs. As Long Term Evolution (LTE) cellular networks use the same frequency sub-bands, mobile users may experience strong inter-cellxv interference, especially at cell edge. Therefore, there is a need to coordinate resource allocation among the cells and minimize inter-cell interference. To mitigate stronginter-cell interference, the resource, in time, frequency and power domain, should be allocated efficiently. A pattern for each dimension is computed to permit especially for cell edge users to benefit of higher throughput and quality of experience. The optimization of all these parameters can also offer gain in energy use. In this thesis,we propose a concrete versatile dynamic solution performing an optimization of user association and resource allocation in LTE cellular networks maximizing a certainnet work utility function that can be adequately chosen. Our solution, based on gametheory, permits to compute Cell Individual Offset and a pattern of power transmission over frequency and time domain for each cell. We present numerical simulations toillustrate the important performance gain brought by this optimization. We obtain significant benefits in the average throughput and also cell edge user through put of40% and 55% gains respectively. Furthermore, we also obtain a meaningful improvement in energy efficiency. This work addresses industrial research challenges and assuch, a prototype acting on emulated HetNets traffic has been implemented.Conduit par une croissance exponentielle dans les appareils mobiles et une augmentation continue de la consommation individuelle des données, le trafic de données mobiles a augmenté de 4000 fois au cours des 10 dernières années et près de 400millions fois au cours des 15 dernières années. Les réseaux cellulaires homogènes rencontrent de plus en plus de difficultés à gérer l’énorme trafic de données mobiles et à assurer un débit plus élevé et une meilleure qualité d’expérience pour les utilisateurs.Ces difficultés sont essentiellement liées au spectre disponible et à la capacité du réseau.L’industrie de télécommunication doit relever ces défis et en même temps doit garantir un modèle économique pour les opérateurs qui leur permettra de continuer à investir pour répondre à la demande croissante et réduire l’empreinte carbone due aux communications mobiles. Les réseaux cellulaires hétérogènes (HetNets), composés de stations de base macro et de différentes stations de base de faible puissance,sont considérés comme la solution clé pour améliorer l’efficacité spectrale par unité de surface et pour éliminer les trous de couverture. Dans de tels réseaux, il est primordial d’attacher intelligemment les utilisateurs aux stations de base et de bien gérer les interférences afin de gagner en performance. Comme la différence de puissance d’émission est importante entre les grandes et petites cellules, l’association habituelle des mobiles aux stations de bases en se basant sur le signal le plus fort, n’est plus adaptée dans les HetNets. Une technique basée sur des offsets individuelles par cellule Offset(CIO) est donc nécessaire afin d’équilibrer la charge entre les cellules et d’augmenter l’attraction des petites cellules (SC) par rapport aux cellules macro (MC). Cette offset est ajoutée à la valeur moyenne de la puissance reçue du signal de référence(RSRP) mesurée par le mobile et peut donc induire à un changement d’attachement vers différents eNodeB. Comme les stations de bases dans les réseaux cellulaires LTE utilisent les mêmes sous-bandes de fréquences, les mobiles peuvent connaître une forte interférence intercellulaire, en particulier en bordure de cellules. Par conséquent, il est primordial de coordonner l’allocation des ressources entre les cellules et de minimiser l’interférence entre les cellules. Pour atténuer la forte interférence intercellulaire, les ressources, en termes de temps, fréquence et puissance d’émission, devraient être alloués efficacement. Un modèle pour chaque dimension est calculé pour permettre en particulier aux utilisateurs en bordure de cellule de bénéficier d’un débit plus élevé et d’une meilleure qualité de l’expérience. L’optimisation de tous ces paramètres peut également offrir un gain en consommation d’énergie. Dans cette thèse, nous proposons une solution dynamique polyvalente effectuant une optimisation de l’attachement des mobiles aux stations de base et de l’allocation des ressources dans les réseaux cellulaires LTE maximisant une fonction d’utilité du réseau qui peut être choisie de manière adéquate.Notre solution, basée sur la théorie des jeux, permet de calculer les meilleures valeurs pour l’offset individuelle par cellule (CIO) et pour les niveaux de puissance à appliquer au niveau temporel et fréquentiel pour chaque cellule. Nous présentons des résultats des simulations effectuées pour illustrer le gain de performance important apporté par cette optimisation. Nous obtenons une significative hausse dans le débit moyen et le débit des utilisateurs en bordure de cellule avec 40 % et 55 % de gains respectivement. En outre, on obtient un gain important en énergie. Ce travail aborde des défis pour l’industrie des télécoms et en tant que tel, un prototype de l’optimiseur a été implémenté en se basant sur un trafic HetNets émulé