Abstract
The aim of this thesis is to devise novel co-primary spectrum sharing (CoPSS) methods for future fifth generation (5G) networks and beyond. The target is to improve data rates of small cell networks (SCNs) in which mobile network operators (MNOs) share their dedicated frequency spectrum (spectrum pooling) or a common spectrum (mutual renting). The performance of the proposed methods is assessed through extensive system-level simulations.
MNOs typically acquire exclusive usage rights for certain frequency bands and have little incentive to share spectrums with other operators. However, due to higher cost and spectrum scarcity at lower frequencies it is expected that efficient use of the spectrum in 5G networks will rely more on spectrum sharing than exclusive licenses. This is especially true for new higher candidate frequencies (> 6 GHz) that do not have a pre-existing spectrum regulation framework.
In the first part of the thesis, we tackle the challenge of providing higher data rates within limited spectral resources. Each SCN MNO has its own dedicated spectrum, and each MNO defines a percentage of how much its spectrum it is willing to share. The idea of the proposed CoPSS algorithms is that the spectrum is dynamically shared among MNOs based on their spectrum utilization, which is shared among MNOs in the network. This way interference can be avoided and spectrum utilization is maximized. Unused resources are shared equally between overloaded MNOs for a given time instant. Thus, only short-term fairness among overloaded SCNs can be guaranteed.
In the second part, we consider a multi-operator small cell network where MNOs share a common pool of radio resources. The goal is to ensure the long term fairness of spectrum sharing without coordination among small cell base stations. We develop a decentralized control mechanism for base stations using the Gibbs sampling based learning tool, which allocates suitable amount of the spectrum for each base station while avoiding interference from SCNs and maximizing the total network throughput.
In the studied scenarios, we show the importance of coordination among MNOs when the dedicated spectrum is shared. However, when MNOs share a common spectrum, a decentralized control mechanism can be used to allocate suitable amounts of spectrum for each base station. The proposed algorithms are shown to be effective for different network layouts, by achieving significant data rate enhancements with a low overhead.Tiivistelmä
Tämä väitöskirja keskittyy kehittämään uusia menetelmiä, joilla jaetaan taajuuksia useiden operaattoreiden kesken tulevista viidennen sukupolven verkoista alkaen. Päätavoite on parantaa tiedonsiirtonopeuksia sellaisissa piensoluverkoissa, joissa matkapuhelinoperaattorit jakavat joko heidän omia taajuusalueitaan tai heillä yhteisomistuksessa olevia taajuuksia. Kehitettyjen menetelmien suorituskykyä arvioidaan mittavien järjestelmätason simulointien avulla.
Matkapuhelinoperaattorit tyypillisesti omistavat yksin tietyt taajuusalueet, eivätkä ole valmiita jakamaan niitä. On kuitenkin oletettu, että tulevaisuudessa matkapuhelinoperaattorit joutuvat jakamaan taajuuksia, koska taajuusalueet ovat kalliita ja niukkoja erityisesti matalilla taajuusalueilla. Korkeammat taajuusalueet (> 6 GHz) puolestaan muodostavat otollisen alustan tehokkaalle spektrin jaetulle käytölle, koska niillä ei ole vielä olemassa olevaa taajuussääntelyä.
Väitöskirjan ensimmäisessä osassa keskitytään kasvattamaan tiedonsiirtonopeuksia kun jokainen matkapuhelinoperaattori omistaa oman taajuuskaistansa ja matkapuhelinoperaattorit määrittävät kuinka suuren prosentuaalisen osuuden ovat valmiita jakamaan. Esitettyjen algoritmien päätavoite on jakaa taajuuksia dynaamisesti matkapuhelinoperaattoreiden kesken. Algoritmeissa hyödynnetään tietoa matkapuhelinoperaattoreiden taajuuden käyttöasteesta, jonka matkapuhelinoperaattoritkommunikoivat toisilleen. Näin häiriö voidaan välttää ja taajuuden käyttö maksimoidaan. Käyttämättömät taajuudet jaetaan tasaisesti matkapuhelinoperaattorien kesken tietyllä ajanhetkellä. Näin voidaan taata lyhytaikainen oikeudenmukainen taajuuksien käyttö, mutta ei pitkäaikaista oikeudenmukaista taajuuksien käyttöä.
Väitöskirjan toisessa osassa matkapuhelinoperaattorit jakavat yhteisomistuksessa olevia taajuuksia. Tavoitteena on saavuttaa pitkäaikainen taajuuksien oikeudenmukainen käyttö, kun piensoluverkot eivät kommunikoi keskenään. Työssä kehitetään piensoluverkoille hajautettu algoritmi, joka perustuu oppimistyökaluun Gibbs-näytteistys. Näin saadaan allokoitua jokaiselle tukiasemalle tarvittava määrä taajuusresursseja niin, että häiriö tukiasemien välillä minimoidaan ja koko piensoluverkon suorituskyky maksimoidaan.
Tutkituissa skenaarioissa osoitetaan matkapuhelinoperaattoreiden välisen koordinaation tärkeys, kun jaetaan omia taajuusalueita. Toisaalta kun operaattorit jakavat yhteisomistuksessa olevia taajuuksia on mahdollista käyttää algoritmeja, joissa ei ole koordinaatiota matkapuhelinoperaattoreiden kesken. Väitöskirjassa vahvistetaan kehitettyjen algoritmien olevan tehokkaita ja sopivan monenlaisiin verkkoympäristöihin saavuttaen merkittäviä parannuksia tiedonsiirtonopeuteen ilman suuria kustannuksia
