Intercell interference mitigation in long term evolution (LTE) and LTE-advanced

University of Technology Sydney. Faculty of Engineering and Information Technology.Bandwidth is one of the limited resources in Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) networks. Therefore, new resource allocation techniques such as the frequency reuse are needed to increase the capacity in LTE and LTE-A. However, the system performance is severely degraded using the same frequency in adjacent cells due to increase of intercell interference. Therefore, the intercell interference management is a critical point to improve the performance of the cellular mobile networks. This thesis aims to mitigate intercell interference in the downlink LTE and LTE-A networks. The first part of this thesis introduces a new intercell interference coordination scheme to mitigate downlink intercell interference in macrocell-macrocell scenario based on user priority and using fuzzy logic system (FLS). A FLS is an expert system which maps the inputs to outputs using “IF...THEN” rules and an aggregation method. Then, the final output is obtained through a deffuzifaction approach. Since this thesis aims to mitigate interference in downlink LTE networks, the inputs of FLS are selected from important metrics such as throughput, signal to interference plus noise ratio and so on. Simulation results demonstrate the efficacy of the proposed scheme to improve the system performance in terms of cell throughput, cell edge throughput and delay when compared with reuse factor one. Thereafter, heterogeneous networks (HetNets) are studied which are used to increase the coverage and capacity of system. The focus of the next part of this thesis is picocell because it is one of the important low power nodes in HetNets which can efficiently improve the overall system capacity and coverage. However, new challenges arise to intercell interference management in macrocell-picocell scenario. Three enhanced intercell interference coordination (eICIC) schemes are proposed in this thesis to mitigate the interference problem. In the first scheme, a dynamic cell range expansion (CRE) approach is combined with a dynamic almost blank subframe (ABS) using fuzzy logic system. In the second scheme, a fuzzy q-learning (FQL) approach is used to find the optimum ABS and CRE offset values for both full buffer traffic and video streaming traffic. In FQL, FLS is combined by q-learning approach to optimally select the best consequent part of each FLS rule. In the third proposed eICIC scheme, the best location of ABSs in each frame is determined using Genetic Algorithm such that the requirements of video streaming traffic can be met. Simulation results show that the system performance can be improved through the proposed schemes. Finally, the optimum CRE offset value and the required number of ABSs will be mathematically formulated based on the outage probability, ergodic rate and minimum required throughput of users using stochastic geometry tool. The results are an analytical formula that leads to a good initial estimate through a simple approach to analyse the impact of system parameters on CRE offset value and number of ABSs

Separation Framework: An Enabler for Cooperative and D2D Communication for Future 5G Networks

Soaring capacity and coverage demands dictate that future cellular networks need to soon migrate towards ultra-dense networks. However, network densification comes with a host of challenges that include compromised energy efficiency, complex interference management, cumbersome mobility management, burdensome signaling overheads and higher backhaul costs. Interestingly, most of the problems, that beleaguer network densification, stem from legacy networks' one common feature i.e., tight coupling between the control and data planes regardless of their degree of heterogeneity and cell density. Consequently, in wake of 5G, control and data planes separation architecture (SARC) has recently been conceived as a promising paradigm that has potential to address most of aforementioned challenges. In this article, we review various proposals that have been presented in literature so far to enable SARC. More specifically, we analyze how and to what degree various SARC proposals address the four main challenges in network densification namely: energy efficiency, system level capacity maximization, interference management and mobility management. We then focus on two salient features of future cellular networks that have not yet been adapted in legacy networks at wide scale and thus remain a hallmark of 5G, i.e., coordinated multipoint (CoMP), and device-to-device (D2D) communications. After providing necessary background on CoMP and D2D, we analyze how SARC can particularly act as a major enabler for CoMP and D2D in context of 5G. This article thus serves as both a tutorial as well as an up to date survey on SARC, CoMP and D2D. Most importantly, the article provides an extensive outlook of challenges and opportunities that lie at the crossroads of these three mutually entangled emerging technologies.Comment: 28 pages, 11 figures, IEEE Communications Surveys & Tutorials 201

Self-organising network management for heterogeneous LTE-advanced networks

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University LondonSince 2004, when the Long Term Evolution (LTE) was first proposed to be publicly available in the year 2009, a plethora of new characteristics, techniques and applications have been constantly enhancing it since its first release, over the past decade. As a result, the research aims for LTE-Advanced (LTE-A) have been released to create a ubiquitous and supportive network for mobile users. The incorporation of heterogeneous networks (HetNets) has been proposed as one of the main enhancements of LTE-A systems over the existing LTE releases, by proposing the deployment of small-cell applications, such as femtocells, to provide more coverage and quality of service (QoS) within the network, whilst also reducing capital expenditure. These principal advantages can be obtained at the cost of new challenges such as inter-cell interference, which occurs when different network applications share the same frequency channel in the network. In this thesis, the main challenges of HetNets in LTE-A platform have been addressed and novel solutions are proposed by using self-organising network (SON) management approaches, which allows the cooperative cellular systems to observe, decide and amend their ongoing operation based on network conditions. The novel SON algorithms are modelled and simulated in OPNET modeler simulation software for the three processes of resource allocation, mobility management and interference coordination in multi-tier macro-femto networks. Different channel allocation methods based on cooperative transmission, frequency reuse and dynamic spectrum access are investigated and a novel SON sub-channel allocation method is proposed based on hybrid fractional frequency reuse (HFFR) scheme to provide dynamic resource allocation between macrocells and femtocells, while avoiding co-tier and cross-tier interference. Mobility management is also addressed as another important issue in HetNets, especially in hand-ins from macrocell to femtocell base stations. The existing research considers a limited number of methods for handover optimisation, such as signal strength and call admission control (CAC) to avoid unnecessary handovers, while our novel SON handover management method implements a comprehensive algorithm that performs sensing process, as well as resource availability and user residence checks to initiate the handover process at the optimal time. In addition to this, the novel femto over macro priority (FoMP) check in this process also gives the femtocell target nodes priority over the congested macrocells in order to improve the QoS at both the network tiers. Inter-cell interference, as the key challenge of HetNets, is also investigated by research on the existing time-domain, frequency-domain and power control methods. A novel SON interference mitigation algorithm is proposed, which is based on enhanced inter-cell interference coordination (eICIC) with power control process. The 3-phase power control algorithm contains signal to interference plus noise ratio (SINR) measurements, channel quality indicator (CQI) mapping and transmission power amendments to avoid the occurrence of interference due to the effects of high transmission power. The results of this research confirm that if heterogeneous systems are backed-up with SON management strategies, not only can improve the network capacity and QoS, but also the new network challenges such as inter-cell interference can also be mitigated in new releases of LTE-A network

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

A survey of self organisation in future cellular networks

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

Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics

La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc. Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios. El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP). El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil. La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G. Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios. Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación

Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics

La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc. Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios. El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP). El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil. La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G. Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios. Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación