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

Abstract

The scope of this thesis is to deal with challenges arising from the introduction of femtocells and D2D communications in Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) networks. 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. 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. 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.

Σκοπός της διατριβής είναι να μελετηθούν και να αντιμετωπιστούν οι προκλήσεις που προκύπτουν από την εισαγωγή φεμτοκυψελών και την υιοθέτηση επικοινωνιών συσκευής-σε-συσκευή σε κυψελωτά Long Term Evolution - LTE και LTE-Advanced - LTE-A δίκτυα με φεμτοκυψέλες και με επικοινωνίες συσκευής-σε-συσκευή. 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. 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. 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, μελετήθηκε το πρόβλημα της ανίχνευσης γειτονικής συσκευής. 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 λύση βασισμένη στη χωρική επαναχρησιμοποίηση φάσματος. Το βασικό συμπέρασμα ήταν ότι λόγω των χαμηλών απαιτήσεων ποιότητας των μηνυμάτων ανίχνευσης, μπορεί να επιτραπεί η χωρική επαναχρησιμοποίηση του κυψελωτού φάσματος για μεταδόσεις ανίχνευσης συσκευής.