Outage Analysis of Uplink Two-tier Networks

Employing multi-tier networks is among the most promising approaches to address the rapid growth of the data demand in cellular networks. In this paper, we study a two-tier uplink cellular network consisting of femtocells and a macrocell. Femto base stations, and femto and macro users are assumed to be spatially deployed based on independent Poisson point processes. We consider an open access assignment policy, where each macro user based on the ratio between its distances from its nearest femto access point (FAP) and from the macro base station (MBS) is assigned to either of them. By tuning the threshold, this policy allows controlling the coverage areas of FAPs. For a fixed threshold, femtocells coverage areas depend on their distances from the MBS; Those closest to the fringes will have the largest coverage areas. Under this open-access policy, ignoring the additive noise, we derive analytical upper and lower bounds on the outage probabilities of femto users and macro users that are subject to fading and path loss. We also study the effect of the distance from the MBS on the outage probability experienced by the users of a femtocell. In all cases, our simulation results comply with our analytical bounds

Theoretical analysis of REM-based handover algorithm for heterogeneous networks

© 2013 IEEE. Handover has been a widely studied topic since the beginning of the mobile communications era, but with the advent of another generation, it is worth seeing it with fresh eyes. Data traffic is expected to keep growing as new use cases will coexist under the same umbrella, e.g., vehicle-to-vehicle or massive-machine-type communications. Heterogeneous networks will give way to multi-tiered networks, and mobility management will become challenging once again. Under the current approach, based uniquely on measurements, the number of handovers will soar, so will the signaling. We propose a handover algorithm that employs multidimensional radio-cognitive databases, namely radio environment maps, to predict the best network connection according to the user's trajectory. Radio environment maps have been extensively used in spectrum-sharing scenarios, and recently, some advances in other areas have been supported by them, such as coverage deployment or interference management. We also present a geometric model that translates the 3GPP specifications into geometry and introduce a new framework that can give useful insights into our proposed technique's performance. We validate our framework through Monte Carlo simulations, and the results show that a drastic reduction of at least 10% in the ping-pong handovers can be achieved, thus reducing the signaling needed

Design and Performance Analysis of Next Generation Heterogeneous Cellular Networks for the Internet of Things

The Internet of Things (IoT) is a system of inter-connected computing devices, objects and mechanical and digital machines, and the communications between these devices/objects and other Internet-enabled systems. Scalable, reliable, and energy-efficient IoT connectivity will bring huge benefits to the society, especially in transportation, connected self-driving vehicles, healthcare, education, smart cities, and smart industries. The objective of this dissertation is to model and analyze the performance of large-scale heterogeneous two-tier IoT cellular networks, and offer design insights to maximize their performance. Using stochastic geometry, we develop realistic yet tractable models to study the performance of such networks. In particular, we propose solutions to the following research problems: -We propose a novel analytical model to estimate the mean uplink device data rate utility function under both spectrum allocation schemes, full spectrum reuse (FSR) and orthogonal spectrum partition (OSP), for uplink two-hop IoT networks. We develop constraint gradient ascent optimization algorithms to obtain the optimal aggregator association bias (for the FSR scheme) and the optimal joint spectrum partition ratio and optimal aggregator association bias (for the OSP scheme). -We study the performance of two-tier IoT cellular networks in which one tier operates in the traditional sub-6GHz spectrum and the other, in the millimeter wave (mm-wave) spectrum. In particular, we characterize the meta distributions of the downlink signal-to-interference ratio (sub-6GHz spectrum), the signal-to-noise ratio (mm-wave spectrum) and the data rate of a typical device in such a hybrid spectrum network. Finally, we characterize the meta distributions of the SIR/SNR and data rate of a typical device by substituting the cumulative moment of the CSP of a user device into the Gil-Pelaez inversion theorem. -We propose to split the control plane (C-plane) and user plane (U-plane) as a potential solution to harvest densification gain in heterogeneous two-tier networks while minimizing the handover rate and network control overhead. We develop a tractable mobility-aware model for a two-tier downlink cellular network with high density small cells and a C-plane/U-plane split architecture. The developed model is then used to quantify effect of mobility on the foreseen densification gain with and without C-plane/U-plane splitting

Content Placement in Cache-Enabled Sub-6 GHz and Millimeter-Wave Multi-antenna Dense Small Cell Networks

This paper studies the performance of cache-enabled dense small cell networks consisting of multi-antenna sub-6 GHz and millimeter-wave base stations. Different from the existing works which only consider a single antenna at each base station, the optimal content placement is unknown when the base stations have multiple antennas. We first derive the successful content delivery probability by accounting for the key channel features at sub-6 GHz and mmWave frequencies. The maximization of the successful content delivery probability is a challenging problem. To tackle it, we first propose a constrained cross-entropy algorithm which achieves the near-optimal solution with moderate complexity. We then develop another simple yet effective heuristic probabilistic content placement scheme, termed two-stair algorithm, which strikes a balance between caching the most popular contents and achieving content diversity. Numerical results demonstrate the superior performance of the constrained cross-entropy method and that the two-stair algorithm yields significantly better performance than only caching the most popular contents. The comparisons between the sub-6 GHz and mmWave systems reveal an interesting tradeoff between caching capacity and density for the mmWave system to achieve similar performance as the sub-6 GHz system.Comment: 14 pages; Accepted to appear in IEEE Transactions on Wireless Communication

Modeling and Analysis of Cellular Networks Using Stochastic Geometry: A Tutorial

This paper presents a tutorial on stochastic geometry (SG)-based analysis for cellular networks. This tutorial is distinguished by its depth with respect to wireless communication details and its focus on cellular networks. This paper starts by modeling and analyzing the baseband interference in a baseline single-tier downlink cellular network with single antenna base stations and universal frequency reuse. Then, it characterizes signal-to-interference-plus-noise-ratio and its related performance metrics. In particular, a unified approach to conduct error probability, outage probability, and transmission rate analysis is presented. Although the main focus of this paper is on cellular networks, the presented unified approach applies for other types of wireless networks that impose interference protection around receivers. This paper then extends the unified approach to capture cellular network characteristics (e.g., frequency reuse, multiple antenna, power control, etc.). It also presents numerical examples associated with demonstrations and discussions. To this end, this paper highlights the state-of-the-art research and points out future research directions

Mobility and Handoff Management in Wireless Networks

With the increasing demands for new data and real-time services, wireless networks should support calls with different traffic characteristics and different Quality of Service (QoS)guarantees. In addition, various wireless technologies and networks exist currently that can satisfy different needs and requirements of mobile users. Since these different wireless networks act as complementary to each other in terms of their capabilities and suitability for different applications, integration of these networks will enable the mobile users to be always connected to the best available access network depending on their requirements. This integration of heterogeneous networks will, however, lead to heterogeneities in access technologies and network protocols. To meet the requirements of mobile users under this heterogeneous environment, a common infrastructure to interconnect multiple access networks will be needed. In this chapter, the design issues of a number of mobility management schemes have been presented. Each of these schemes utilizes IP-based technologies to enable efficient roaming in heterogeneous network. Efficient handoff mechanisms are essential for ensuring seamless connectivity and uninterrupted service delivery. A number of handoff schemes in a heterogeneous networking environment are also presented in this chapter.Comment: 28 pages, 11 figure

Connectivity Management for HetNets based on the Principles of Autonomicity and Context-Awareness

Στο περιβάλλον του Διαδικτύου του Μέλλοντος, η Πέμπτη γενιά (5G) δικτύων έχει ήδη αρχίσει να καθιερώνεται. Τα δίκτυα 5G αξιοποιούν υψηλότερες συχνότητες παρέχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ενώ υποστηρίζουν εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα σε σταθμούς βάσης και κινητές συσκευές, σχηματίζοντας ένα περιβάλλον ετερογενών δικτύων, το οποίο στοχεύει στο να καλυφθούν οι απαιτήσεις της απόδοσης ως προς την μικρότερη δυνατή συνολική χρονοκαθυστέρηση και κατανάλωση ενέργειας. Η αποδοτική διαχείριση της συνδεσιμότητας σε ένα τόσο ετερογενές δικτυακό περιβάλλον αποτελεί ανοιχτό πρόβλημα, με σκοπό να υποστηρίζεται η κινητικότητα των χρηστών σε δίκτυα διαφορετικών τεχνολογιών και βαθμίδων, αντιμετωπίζοντας θέματα πολυπλοκότητας και διαλειτουργικότητας, υποστηρίζοντας τις απαιτήσεις των τρεχουσών εφαρμογών και των προτιμήσεων των χρηστών και διαχειρίζοντας ταυτόχρονα πολλαπλές δικτυακές διεπαφές. Η συλλογή, η μοντελοποίηση, η διεξαγωγή συμπερασμάτων και η κατανομή πληροφορίας περιεχομένου σε σχέση με δεδομένα αισθητήρων θα παίξουν κρίσιμο ρόλο σε αυτήν την πρόκληση. Με βάση τα παραπάνω, κρίνεται σκόπιμη η αξιοποίηση των αρχών της επίγνωσης περιεχομένου και της αυτονομικότητας, καθώς επιτρέπουν στις δικτυακές οντότητες να είναι ενήμερες του εαυτού τους και του περιβάλλοντός τους, καθώς και να αυτοδιαχειρίζονται τις λειτουργίες τους ώστε να πετυχαίνουν συγκεκριμένους στόχους. Επιπλέον, χρειάζεται ακριβής ποσοτική αξιολόγηση της απόδοσης λύσεων διαχείρισης της συνδεσιμότητας για ετερογενή δίκτυα, οι οποίες παρουσιάζουν διαφορετικές στρατηγικές επίγνωσης περιβάλλοντος, απαιτώντας μια μεθοδολογία που να είναι περιεκτική και γενικά εφαρμόσιμη ώστε να καλύπτει διαφορετικές προσεγγίσεις, καθώς οι υπάρχουσες μεθοδολογίες στην βιβλιογραφία είναι σχετικά περιορισμένες. Tο σύνολο της μελέτης επικεντρώνεται σε δύο θεματικούς άξονες. Στο πρώτο θεματικό μέρος της διατριβής, αναλύεται ο ρόλος της επίγνωσης περιβάλλοντος και της αυτονομικότητας, σε σχέση με την διαχείριση της συνδεσιμότητας, αναπτύσσοντας ένα πλαίσιο ταξινόμησης και κατηγοριοποίησης, επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Με βάση το προαναφερθέν πλαίσιο, ταξινομήθηκαν και αξιολογήθηκαν λύσεις για την υποστήριξη της κινητικότητας σε ετερογενή δίκτυα, οι οποίες δύνανται να θεωρηθούν ότι παρουσιάζουν επίγνωση περιβάλλοντος και αυτο-διαχειριστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, μελετήθηκε κατά πόσον οι αποφάσεις που λαμβάνονται ως προς την επιλογή του κατάλληλου δικτύου, σύμφωνα με την κάθε λύση, είναι αποτελεσματικές και προτάθηκαν τρόποι βελτιστοποίησης των υπαρχουσών αρχιτεκτονικών, καθώς και προτάσεων προς περαιτέρω ανάπτυξη σχετικών μελλοντικών λύσεων. Στο δεύτερο θεματικό μέρος της διατριβής, αναπτύχθηκε μια ευέλικτη αναλυτική μεθοδολογία, περιλαμβάνοντας όλους τους παράγοντες που μπορούν να συνεισφέρουν στην συνολική χρονοκαθυστέρηση, λαμβάνοντας υπόψιν την σηματοδοσία, την επεξεργαστική επιβάρυνση και την συμφόρηση (μελέτη ουράς), επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Η μεθοδολογία είναι περιεκτική, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει κλειστού τύπου λύσεις και έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται σε διαφορετικές προσεγγίσεις. Προς απόδειξη αυτού, εφαρμόσαμε την μεθοδολογία σε δύο λύσεις με διαφορετική στρατηγική επίγνωσης περιβάλλοντος (μια μεταδραστική και μια προδραστική). Και για τις δύο προσεγγίσεις, τα αναλυτικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια της αναλυτικής μεθοδολογίας. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η προδραστική προσέγγιση εμφανίζει καλύτερη απόδοση ως προς την συνολική χρονοκαθυστέρηση, ενώ χρειάζεται σημαντικά λιγότερους επεξεργαστικούς πόρους, παρουσιάζοντας πιθανά οφέλη και στην συνολική ενεργειακή κατανάλωση και στα λειτουργικά και κεφαλαιουχικά κόστη (OPEX και CAPEX)