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

User Association and Resource Allocation Optimization in LTE Cellular Networks

International audienceAs the demand for higher data rates is growing exponentially, homogeneous cellular networks have been facing limitations when handling data traffic. These limitations are related to the available spectrum and the capacity of the network. Heterogeneous Networks (HetNets), composed of Macro Cells (MCs) and Small Cells (SCs), are seen as the key solution to improve spectral efficiency per unit area and to eliminate coverage holes. Due to the large imbalance in transmit power between MCs and SCs in HetNets, intelligent User Association (UA) is required to perform load balancing and to favor some SCs attraction against MCs. As Long Term Evolution (LTE) cellular networks use the same frequency sub-bands, User Equipments (UEs) may experience strong Inter-Cell Interference (ICI), especially at cell edge. Therefore, there is a need to coordinate the Resource Allocation (RA) among the cells and to minimize the ICI. In this paper, we propose a generic algorithm to optimize user Association and resource allocation in LTE networks. Our solution, based on game theory, permits to compute Cell Individual Offset (CIO) and a pattern of power transmission over frequency and time domain for each cell. Simulation results show significant benefits in the average throughput and also cell edge user throughput of 40% and 55% gains respectively. Furthermore, we also obtain a meaningful improvement in energy efficiency

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

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.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

Interference Management in 5G and Beyond Networks

International audienceDuring the last decade, wireless data services have had an incredible impact on people's lives in ways we could never have imagined. The number of mobile devices has increased exponentially and data traffic has almost doubled every year. Undoubtedly, the rate of growth will continue to be rapid with the explosive increase in demands for data rates, latency, massive connectivity, network reliability, and energy efficiency. In order to manage this level of growth and meet these requirements, the fifth-generation (5G) mobile communications network is envisioned as a revolutionary advancement combining various improvements to previous mobile generation networks and new technologies, including the use of millimeter wavebands (mm-wave), massive multiple-input multipleoutput (mMIMO) multi-beam antennas, network densification, dynamic Time Division Duplex (TDD) transmission, and new waveforms with mixed numerologies. New revolutionary features including terahertz (THz) communications and the integration of Non-Terrestrial Networks (NTN) can further improve the performance and signal quality for future 6G networks. However, despite the inevitable benefits of all these key technologies, the heterogeneous and ultra-flexible structure of the 5G and beyond network brings non-orthogonality into the system and generates significant interference that needs to be handled carefully. Therefore, it is essential to design effective interference management schemes to mitigate severe and sometimes unpredictable interference in mobile networks. In this paper, we provide a comprehensive review of interference management in 5G and Beyond networks and discuss its future evolution. We start with a unified classification and a detailed explanation of the different types of interference and continue by presenting our taxonomy of existing interference management approaches. Then, after explaining interference measurement reports and signaling, we provide for each type of interference identified, an in-depth literature review and technical discussion of appropriate management schemes. We finish by discussing the main interference challenges that will be encountered in future 6G networks and by presenting insights on the suggested new interference management approaches, including useful guidelines for an AI-based solution. This review will provide a first-hand guide to the industry in determining the most relevant technology for interference management, and will also allow for consideration of future challenges and research directions

Coordinated Scheduling via Frequency and Power Allocation Optimization in LTE Cellular Networks

International audienceDue to Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) mechanism adopted in LTE cellular networks, intra-cell interference is nearly absent. Yet, as these networks are designed for a frequency reuse factor of 1 to maximize the utilization of the licensed bandwidth, inter-cell interference coordination remains an important challenge. In both homogeneous and heterogeneous cellular networks, there is a need for scheduling coordination techniques to efficiently distribute the resources and mitigate inter-cell interference. In this paper, we propose a dynamic solution of inter-cell interference coordination performing an optimization of frequency sub-band reuse and transmission power in order to maximize the overall network utility. The proposed framework, based on game theory, permits to dynamically define frequency and transmission power patterns for each cell in the coordinated cluster. Simulation results show significant benefits in average throughput and also cell edge user throughput of 40% and 55% gains when performing the frequency sub-band muting and power control. Furthermore, we also obtain a meaningful improvement in energy efficiency

Coordinated Scheduling via Frequency and Power Allocation Optimization in LTE Cellular Networks

International audienceDue to Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) mechanism adopted in LTE cellular networks, intra-cell interference is nearly absent. Yet, as these networks are designed for a frequency reuse factor of 1 to maximize the utilization of the licensed bandwidth, inter-cell interference coordination remains an important challenge. In both homogeneous and heterogeneous cellular networks, there is a need for scheduling coordination techniques to efficiently distribute the resources and mitigate inter-cell interference. In this paper, we propose a dynamic solution of inter-cell interference coordination performing an optimization of frequency sub-band reuse and transmission power in order to maximize the overall network utility. The proposed framework, based on game theory, permits to dynamically define frequency and transmission power patterns for each cell in the coordinated cluster. Simulation results show significant benefits in average throughput and also cell edge user throughput of 40% and 55% gains when performing the frequency sub-band muting and power control. Furthermore, we also obtain a meaningful improvement in energy efficiency

Generalized Software Defined Network Platform for Radio Access Networks

International audienceSoftware defined networking (SDN) is growing rapidly in telecommunications due to its capability to efficiently manage end-to-end networks by decoupling control plane and data plane. The scalability and flexibility can bring benefits to network management and maintenance. However, it has yet to happen for wireless networks since there is a lack of practical solutions for migrating Radio Access Networks (RAN) to software defined wireless networks. Here, we design a wireless SDN controller based on OpenDayLight (ODL). We show how our framework can support typical use case and Self-Optimized Network algorithm. The design is highly flexible and can be leveraged for future wireless networks such as C-RAN and 5G