203 research outputs found

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

    Get PDF
    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

    Fair resource allocation with interference mitigation and resource reuse for LTE/LTE-A femtocell networks

    Get PDF
    Joint consideration of interference, resource utilization, fairness, and complexity issues is generally lacking in existing resource allocation schemes for Long-Term Evolution (LTE)/LTE-Advanced femtocell networks. To tackle this, we employ a hybrid spectrum allocation approach whereby the spectrum is split between the macrocell and its nearby interfering femtocells based on their resource demands, whereas the distant femtocells share the entire spectrum. A multiobjective problem is formulated for resource allocation between femtocells and is decomposed using a lexicographic optimization approach into two subproblems. A greedy algorithm of reasonably low complexity is proposed to solve these subproblems sequentially. Simulation results show that the proposed scheme achieves substantial throughput and packet loss improvements in low-density femtocell deployment scenarios while performing satisfactorily in high-density femtocell deployment scenarios with substantial complexity and overhead reduction. The proposed scheme also performs nearly as well as the optimal solution obtained by exhaustive search

    Performances des Réseaux LTE

    Get PDF
    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

    Efficient radio resource management for future generation heterogeneous wireless networks

    Get PDF
    The heterogeneous deployment of small cells (e.g., femtocells) in the coverage area of the traditional macrocells is a cost-efficient solution to provide network capacity, indoor coverage and green communications towards sustainable environments in the future fifth generation (5G) wireless networks. However, the unplanned and ultra-dense deployment of femtocells with their uncoordinated operations will result in technical challenges such as severe interference, a significant increase in total energy consumption, unfairness in radio resource sharing and inadequate quality of service provisioning. Therefore, there is a need to develop efficient radio resource management algorithms that will address the above-mentioned technical challenges. The aim of this thesis is to develop and evaluate new efficient radio resource management algorithms that will be implemented in cognitive radio enabled femtocells to guarantee the economical sustainability of broadband wireless communications and users' quality of service in terms of throughput and fairness. Cognitive Radio (CR) technology with the Dynamic Spectrum Access (DSA) and stochastic process are the key technologies utilized in this research to increase the spectrum efficiency and energy efficiency at limited interference. This thesis essentially investigates three research issues relating to the efficient radio resource management: Firstly, a self-organizing radio resource management algorithm for radio resource allocation and interference management is proposed. The algorithm considers the effect of imperfect spectrum sensing in detecting the available transmission opportunities to maximize the throughput of femtocell users while keeping interference below pre-determined thresholds and ensuring fairness in radio resource sharing among users. Secondly, the effect of maximizing the energy efficiency and the spectrum efficiency individually on radio resource management is investigated. Then, an energy-efficient radio resource management algorithm and a spectrum-efficient radio resource management algorithm are proposed for green communication, to improve the probabilities of spectrum access and further increase the network capacity for sustainable environments. Also, a joint maximization of the energy efficiency and spectrum efficiency of the overall networks is considered since joint optimization of energy efficiency and spectrum efficiency is one of the goals of 5G wireless networks. Unfortunately, maximizing the energy efficiency results in low performance of the spectrum efficiency and vice versa. Therefore, there is an investigation on how to balance the trade-off that arises when maximizing both the energy efficiency and the spectrum efficiency simultaneously. Hence, a joint energy efficiency and spectrum efficiency trade-off algorithm is proposed for radio resource allocation in ultra-dense heterogeneous networks based on orthogonal frequency division multiple access. Lastly, a joint radio resource allocation with adaptive modulation and coding scheme is proposed to minimize the total transmit power across femtocells by considering the location and the service requirements of each user in the network. The performance of the proposed algorithms is evaluated by simulation and numerical analysis to demonstrate the impact of ultra-dense deployment of femtocells on the macrocell networks. The results show that the proposed algorithms offer improved performance in terms of throughput, fairness, power control, spectrum efficiency and energy efficiency. Also, the proposed algorithms display excellent performance in dynamic wireless environments

    Performances of LTE networks

    Get PDF
    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

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

    Get PDF
    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

    A survey of self organisation in future cellular networks

    Get PDF
    This article surveys the literature over the period of the last decade on the emerging field of self organisation as applied to wireless cellular communication networks. Self organisation has been extensively studied and applied in adhoc networks, wireless sensor networks and autonomic computer networks; however in the context of wireless cellular networks, this is the first attempt to put in perspective the various efforts in form of a tutorial/survey. We provide a comprehensive survey of the existing literature, projects and standards in self organising cellular networks. Additionally, we also aim to present a clear understanding of this active research area, identifying a clear taxonomy and guidelines for design of self organising mechanisms. We compare strength and weakness of existing solutions and highlight the key research areas for further development. This paper serves as a guide and a starting point for anyone willing to delve into research on self organisation in wireless cellular communication networks
    corecore