Recent advances in radio resource management for heterogeneous LTE/LTE-A networks

As heterogeneous networks (HetNets) emerge as one of the most promising developments toward realizing the target specifications of Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) networks, radio resource management (RRM) research for such networks has, in recent times, been intensively pursued. Clearly, recent research mainly concentrates on the aspect of interference mitigation. Other RRM aspects, such as radio resource utilization, fairness, complexity, and QoS, have not been given much attention. In this paper, we aim to provide an overview of the key challenges arising from HetNets and highlight their importance. Subsequently, we present a comprehensive survey of the RRM schemes that have been studied in recent years for LTE/LTE-A HetNets, with a particular focus on those for femtocells and relay nodes. Furthermore, we classify these RRM schemes according to their underlying approaches. In addition, these RRM schemes are qualitatively analyzed and compared to each other. We also identify a number of potential research directions for future RRM development. Finally, we discuss the lack of current RRM research and the importance of multi-objective RRM studies

Hierarchical Resource Allocation Framework for Hyper-Dense Small Cell Networks

This paper considers joint power control and subchannel allocation for co-tier interference mitigation in extremely dense small cell networks, which is formulated as a combinatorial optimization problem. Since it is intractable to obtain the globally optimum assignment policy for existing techniques due to the huge computation and communication overheads in ultra-dense scenario, in this paper, we propose a hierarchical resource allocation framework to achieve a desirable solution. Speci cally, the solution is obtained by dividing the original optimization problem into four stages in partially distributed manner. First, we propose a divide-and-conquer strategy by invoking clustering technique to decompose the dense network into smaller disjoint clusters. Then, within each cluster, one of the small cell access points is elected as a cluster head to carry out intra-cluster subchannel allocation with a low-complexity algorithm. To tackle the issue of inter-cluster interference, we further develop a distributed learning-base coordination mechanism. Moreover, a local power adjustment scheme is also presented to improve the system performance. Numerical results verify the ef ciency of the proposed hierarchical scheme, and demonstrate that our solution outperforms the state-of-the-art methods, especially for hyper-dense networks

Multi-objective resource allocation for LTE/LTE-A femtocell/HeNB networks using ant colony optimization

Existing femtocell resource allocation schemes for Long Term Evolution or LTE-Advanced femtocell networks do not jointly achieve efficient resource utilization, fairness guarantee, interference mitigation and reduced complexity in a satisfactory manner. In this paper, a multi-objective resource allocation scheme is proposed to achieve these desired features simultaneously. We first formulate three objective functions to respectively maximize resource utilization efficiency, guarantee a high degree of fairness and minimize interference. A weighted sum approach is then used to combine these objective functions to form a single multi-objective optimization problem. An ant colony optimization algorithm is employed to find the Pareto-optimal solution to this problem. Simulation results demonstrate that the proposed scheme performs jointly well in all aspects, namely resource utilization, fairness and interference mitigation. Additionally, it maintains satisfactory performance in the handover process and has a reasonably low complexity compared to the existing schemes

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

Minimizing Interference in Ultra-Dense Femtocell Networks Using Graph-Based Frequency Reuse Technique

This paper investigates the performance of graph colouring schemes for frequency assignment in Long-Term Evolution (LTE) networks with ultra-dense femtocells. The aim of the study is to minimize interference in such networks while ensuring efficient spectrum use for these femtocells. The three schemes investigated are the conventional greedy graph colouring algorithm, the saturation degree algorithm and our proposed graph-based theory (GBT) algorithm. The process of frequency assignment is similar in the last two except that the proposed GBT partitions the femtocells into independent sets for an efficient frequency re-use. The performance of these three schemes was analyzed through extensive simulations to determine the SINR and network capacity that can be obtained with the deployment of these schemes using the ITU-R P1238-7 path loss model. The outcome of this study showed that with the absence of a dynamic frequency assignment scheme, interference level is increased as the number of femtocell users within a particular coverage is increased, leading to a reduction in the capacity of such networks. Simulation results showed that all three algorithms considered have the ability to allocate frequencies to femtocells and minimize interference in a densely deployed environment, thereby increasing network capacity. The proposed GBT assigned the least sub-band thereby ensuring spectral efficiency while minimizing harmful interference. Results show that the greedy algorithm has a disadvantage of inefficiently assigning sub-bands randomly, while the saturation degree assigns more sub-bands when compared with the GBT scheme.Keywords — Femtocell, graph colouring, frequency assignment, LTE

Performances of LTE networks

Poussé par la demande croissante de services à haut débit sans fil, Long Term Evolution (LTE) a émergé comme une solution prometteuse pour les communications mobiles. Dans plusieurs pays à travers le monde, la mise en oeuvre de LTE est en train de se développer. LTE offre une architecture tout-IP qui fournit des débits élevés et permet une prise en charge efficace des applications de type multimédia. LTE est spécifié par le 3GPP ; cette technologie fournit une architecture capable de mettre en place des mécanismes pour traiter des classes de trafic hétérogènes comme la voix, la vidéo, les transferts de fichier, les courriers électroniques, etc. Ces classes de flux hétérogènes peuvent être gérées en fonction de la qualité de service requise mais aussi de la qualité des canaux et des conditions environnementales qui peuvent varier considérablement sur une courte échelle de temps. Les standards du 3GPP ne spécifient pas l’algorithmique de l’allocation des ressources du réseau d’accès, dont l’importance est grande pour garantir performance et qualité de service (QoS). Dans cette thèse, nous nous focalisons plus spécifiquement sur la QoS de LTE sur la voie descendante. Nous nous concentrons alors sur la gestion des ressources et l’ordonnancement sur l’interface radio des réseaux d’accès. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à des contextes de macro-cellules. Le premier mécanisme proposé pour l’allocation des ressources combine une méthode de jetons virtuels et des ordonnanceurs opportunistes. Les performances obtenues sont très bonnes mais n’assurent pas une très bonne équité. Notre seconde proposition repose sur la théorie des jeux, et plus spécifiquement sur la valeur de Shapley, pour atteindre un haut niveau d’équité entre les différentes classes de services au détriment de la qualité de service. Cela nous a poussé, dans un troisième mécanisme, à combiner les deux schémas. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux femto-cellules (ou femtocells) qui offrent des compléments de couverture appréciables. La difficulté consiste alors à étudier et à minimiser les interférences. Notre premier mécanisme d’atténuation des interférences est fondé sur le contrôle de la puissance de transmission. Il fonctionne en utilisant la théorie des jeux non coopératifs. On effectue une négociation constante entre le débit et les interférences pour trouver un niveau optimal de puissance d’émission. Le second mécanisme est centralisé et utilise une approche de division de la bande passante afin d’obliger les femtocells à ne pas utiliser les mêmes sous-bandes évitant ainsi les interférences. Le partage de bande passante et l’allocation sont effectués en utilisant sur la théorie des jeux (valeur de Shapley) et en tenant compte du type d’application. Ce schéma réduit les interférences considérablement. Tous les mécanismes proposés ont été testés et évalués dans un environnement de simulation en utilisant l’outil LTE-Sim au développement duquel nous avons contribué. ABSTRACT : Driven by the growing demand for high-speed broadband wireless services, Long term Evolution (LTE) technology has emerged as a competitive alternative to mobile communications solution. In several countries around the world, the implementation of LTE has started. LTE offers an IP-based framework that provides high data rates for multimedia applications. Moreover, based on the 3GPP specifications, the technology provides a set of built in mechanisms to support heterogeneous classes of traffic including data, voice and video, etc. Supporting heterogeneous classes of services means that the traffic is highly diverse and has distinct QoS parameters, channel and environmental conditions may vary dramatically on a short time scale. The 3GPP specifications leave unstandardized the resource management and scheduling mechanisms which are crucial components to guarantee the QoS performance for the services. In this thesis, we evaluate the performance and QoS in LTE technology. Moreover, our research addresses the resource management and scheduling issues on the wireless interface. In fact, after surveying, classifying and comparing different scheduling mechanisms, we propose three QoS mechanisms for resource allocation in macrocell scenarios focused on real time services and two mechanisms for interference mitigation in femtocell scenarios taking into account the QoS of real time services. Our first proposed mechanism for resource allocation in macrocell scenarios combines the well known virtual token (or token buckets) method with opportunistic schedulers, our second scheme utilizes game theory, specifically the Shapley value in order to achieve a higher fairness level among classes of services and our third mechanism combines the first and the second proposed schemes. Our first mechanism for interference mitigation in femtocell scenarios is power control based and works by using non cooperative games. It performs a constant bargain between throughput and SINR to find out the optimal transmit power level. The second mechanism is centralised, it uses a bandwidth division approach in order to not use the same subbands to avoid interference. The bandwidth division and assignation is performed based on game theory (Shapley value) taking into account the application bitrate . This scheme reduces interference considerably and shows an improvement compared to other bandwidth division schemes. All proposed mechanism are performed in a LTE simulation environment. several constraints such as throughput, Packet Loss Ratio, delay, fairness index, SINR are used to evaluate the efficiency of our scheme

Performances des Réseaux LTE

Poussé par la demande croissante de services à haut débit sans fil, Long Term Evolution (LTE) a émergé comme une solution prometteuse pour les communications mobiles. Dans plusieurs pays à travers le monde, la mise en oeuvre de LTE est en train de se développer. LTE offre une architecture tout-IP qui fournit des débits élevés et permet une prise en charge efficace des applications de type multimédia. LTE est spécifié par le 3GPP ; cette technologie fournit une architecture capable de mettre en place des mécanismes pour traiter des classes de trafic hétérogènes comme la voix, la vidéo, les transferts de fichier, les courriers électroniques, etc. Ces classes de flux hétérogènes peuvent être gérées en fonction de la qualité de service requise mais aussi de la qualité des canaux et des conditions environnementales qui peuvent varier considérablement sur une courte échelle de temps. Les standards du 3GPP ne spécifient pas l algorithmique de l allocation des ressources du réseau d accès, dont l importance est grande pour garantir performance et qualité de service (QoS). Dans cette thèse, nous nous focalisons plus spécifiquement sur la QoS de LTE sur la voie descendante. Nous nous concentrons alors sur la gestion des ressources et l ordonnancement sur l interface radio des réseaux d accès. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à des contextes de macro-cellules. Le premier mécanisme proposé pour l allocation des ressources combine une méthode de jetons virtuels et des ordonnanceurs opportunistes. Les performances obtenues sont très bonnes mais n assurent pas une très bonne équité. Notre seconde proposition repose sur la théorie des jeux, et plus spécifiquement sur la valeur de Shapley, pour atteindre un haut niveau d équité entre les différentes classes de services au détriment de la qualité de service. Cela nous a poussé, dans un troisième mécanisme, à combiner les deux schémas. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux femto-cellules (ou femtocells) qui offrent des compléments de couverture appréciables. La difficulté consiste alors à étudier et à minimiser les interférences. Notre premier mécanisme d atténuation des interférences est fondé sur le contrôle de la puissance de transmission. Il fonctionne en utilisant la théorie des jeux non coopératifs. On effectue une négociation constante entre le débit et les interférences pour trouver un niveau optimal de puissance d émission. Le second mécanisme est centralisé et utilise une approche de division de la bande passante afin d obliger les femtocells à ne pas utiliser les mêmes sous-bandes évitant ainsi les interférences. Le partage de bande passante et l allocation sont effectués en utilisant sur la théorie des jeux (valeur de Shapley) et en tenant compte du type d application. Ce schéma réduit les interférences considérablement. Tous les mécanismes proposés ont été testés et évalués dans un environnement de simulation en utilisant l outil LTE-Sim au développement duquel nous avons contribué.Driven by the growing demand for high-speed broadband wireless services, Long term Evolution (LTE) technology has emerged as a competitive alternative to mobile communications solution. In several countries around the world, the implementation of LTE has started. LTE offers an IP-based framework that provides high data rates for multimedia applications. Moreover, based on the 3GPP specifications, the technology provides a set of built in mechanisms to support heterogeneous classes of traffic including data, voice and video, etc. Supporting heterogeneous classes of services means that the traffic is highly diverse and has distinct QoS parameters, channel and environmental conditions may vary dramatically on a short time scale. The 3GPP specifications leave unstandardized the resource management and scheduling mechanisms which are crucial components to guarantee the QoS performance for the services. In this thesis, we evaluate the performance and QoS in LTE technology. Moreover, our research addresses the resource management and scheduling issues on the wireless interface. In fact, after surveying, classifying and comparing different scheduling mechanisms, we propose three QoS mechanisms for resource allocation in macrocell scenarios focused on real time services and two mechanisms for interference mitigation in femtocell scenarios taking into account the QoS of real time services. Our first proposed mechanism for resource allocation in macrocell scenarios combines the well known virtual token (or token buckets) method with opportunistic schedulers, our second scheme utilizes game theory, specifically the Shapley value in order to achieve a higher fairness level among classes of services and our third mechanism combines the first and the second proposed schemes. Our first mechanism for interference mitigation in femtocell scenarios is power control based and works by using non cooperative games. It performs a constant bargain between throughput and SINR to find out the optimal transmit power level. The second mechanism is centralised, it uses a bandwidth division approach in order to not use the same subbands to avoid interference. The bandwidth division and assignation is performed based on game theory (Shapley value) taking into account the application bitrate . This scheme reduces interference considerably and shows an improvement compared to other bandwidth division schemes. All proposed mechanism are performed in a LTE simulation environment. several constraints such as throughput, Packet Loss Ratio, delay, fairness index, SINR are used to evaluate the efficiency of our schemesTOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

Interference Aware Cognitive Femtocell Networks

Femtocells Access Points (FAP) are low power, plug and play home base stations which are designed to extend the cellular radio range in indoor environments where macrocell coverage is generally poor. They offer significant increases in data rates over a short range, enabling high speed wireless and mobile broadband services, with the femtocell network overlaid onto the macrocell in a dual-tier arrangement. In contrast to conventional cellular systems which are well planned, FAP are arbitrarily installed by the end users and this can create harmful interference to both collocated femtocell and macrocell users. The interference becomes particularly serious in high FAP density scenarios and compromises the ensuing data rate. Consequently, effective management of both cross and co-tier interference is a major design challenge in dual-tier networks. Since traditional radio resource management techniques and architectures for single-tier systems are either not applicable or operate inefficiently, innovative dual-tier approaches to intelligently manage interference are required. This thesis presents a number of original contributions to fulfill this objective including, a new hybrid cross-tier spectrum sharing model which builds upon an existing fractional frequency reuse technique to ensure minimal impact on the macro-tier resource allocation. A new flexible and adaptive virtual clustering framework is then formulated to alleviate co-tier interference in high FAP densities situations and finally, an intelligent coverage extension algorithm is developed to mitigate excessive femto-macrocell handovers, while upholding the required quality of service provision. This thesis contends that to exploit the undoubted potential of dual-tier, macro-femtocell architectures an interference awareness solution is necessary. Rigorous evidence confirms that noteworthy performance improvements can be achieved in the quality of the received signal and throughput by applying cognitive methods to manage interference