Cell Design and Resource Allocation for Small Cell Networks
Résumé
In recent years, there has been a surge in traffic demand arising from mobile broadband services and novel applications. The current cellular architectures are limited to handle this. Small cell networks (SCNs), based on dense deployment of self organizing, energy efficient, portable base stations is emerging as a promising solution to meet this demand. While SCNs significantly increase the capacity, decrease the power consumption and improve the coverage of cellular networks, they pose many a new challenges to the optimal system design. In this thesis, we address some of the aspects related to cell design and resource allocation in small cell networks. The thesis comprises two parts. In the first part, we study aspects related to cell design: We consider static users and derive cell sizes that maximizes the spatial throughput density for different receiver structures, radio conditions and indoor-outdoor cell partitions. Considering mobile users, we find cell sizes that minimize expected service times, waiting times, call block & drop probabilities as a function of user velocity profiles and traffic types. We address the problem of locating base stations to satisfy different fairness criteria (e.g., throughput maximizing, proportional, delay minimizing, max-min) for different user distributions and cell partitions. We study capacity scaling in an interference limited precoded small cell network and derive the optimal per-antenna user density as a function of multicell interference. From a green networking perspective, for a given load in the system or at each base station, we derive the structure of open loop control policies, which optimizes either a system level cost (central control) or a cost function at each base station (distributed control). In the second part, we address resource allocation. We introduce T-scale and Multiscale fairness. These concepts allow one to distribute network resources fairly among different classes of traffic. We demonstrate these concepts via example applications in spectrum sharing and resource allocation in indoor-outdoor Femto cells. Power allocation to satisfy user demands in the presence of a large number of interferers is a challenging task. We address this problem and propose a universal distributed algorithm that converges to a power profile which meets the user demands at each base station. We demonstrate the working of the algorithm for different system configurations and various levels of base station cooperation.
Récemment, il y a eu une hausse massive du trafic dans les réseaux mobiles à cause de nouveaux services et applications. Les architectures actuelles des réseaux cellulaires ne sont plus capables de gérer de façon satisfaisante ce trafic. Les Réseaux de Petites Cellules (RPC), basées sur un déploiement dense de stations de bases portables, auto-organisantes et efficaces en termes d'énergie apparait comme une solution prometteuse à ce problème. Les RPC augmentent la capacité du réseau, réduisent sa consommation énergétique et améliorent sa couverture. Par contre, elles posent des défis importants en termes de design optimal. Dans cette thèse, des aspects liés au design cellulaire et à l'allocation de ressources dans les RPC sont traités. La thèse se compose de deux parties. Dans la première partie, le design cellulaire est étudié: une population statique d'utilisateurs est considérée, et la taille optimale de cellule maximisant le débit spatial est donnée en fonction du modèle de récepteur, des conditions radio et des partitions indoor/outdoor. En considérant des utilisateurs mobiles, la taille de cellule optimale est étudiée afin de minimiser le temps de service, et minimiser le blocage et la déconnexion en cours de communication, en fonction de la vitesse des utilisateurs et du type de trafic. Le problème de placement des stations de base optimal est traité en fonction de différents critères de qualité (maximisation de débit total, équité proportionnelle, minimisation de délai, équité max-min) pour différentes distributions d'utilisateurs et partitions de cellules. Le problème de scaling de capacité dans un RPC limité par l'interférence avec pré-codage est étudié, et la quantité optimale d'antennes par utilisateurs en fonction de l'interférence inter-cellules est dérivée. Dans le cadre d'un réseau ''green'', pour une charge du réseau donnée, on étudie les politiques optimales en boucle ouverte, afin de maximiser soit une fonction coût du système (contrôle centralisé) soit des fonctions de coût de chacune des stations de base (contrôle distribué). Dans la seconde partie, nous étudions l'allocation de ressources, nous introduisons les concepts de d'équité T-échelle et équité multi-échelle. Ces concepts permettent de distribuer les ressources équitablement pour les différentes classes de trafic. Ces concepts sont illustrés par des applications au partage de spectre et à l'allocation de ressources dans les femto-cellules indoor/outdoor. L'allocation de puissance pour satisfaire les demandes de trafic des utilisateurs avec un grand nombre d'interféreurs est une tâche difficile. Ce problème est abordé, et nous proposons un algorithme universel qui converge vers une configuration de puissance optimale qui satisfait les demandes des utilisateurs dans toutes les stations de base. Les performances de l'algorithme sont illustrées pour différentes configurations du système et différents niveaux de coopération entre les stations de base.