Diseño y optimización multiobjetivo de redes MIMO-OFDMA con estaciones base cooperativas
- Autores: Javier Atanasio Pastor Pérez
- Directores de la Tesis: Felip Riera Palou (dir. tes.), Guillem Femenias Nadal (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Francisco Monserrat del Río (presid.), Silvia Ruiz Boque (secret.), Juan José Olmos Bonafe (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universitat de les Illes Balears
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RepositoriUIB
- Resumen
- español
Actualmente los sistemas 4G tales como Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A) proporcionan acceso de banda ancha móvil para aplicaciones que requieren elevadas tasas de transmisión de datos. Aún así, año tras año la cantidad de tráfico de datos transmitidos sobre redes móviles crece a pasos agigantados. Ante esta situación, las operadoras móviles deben responder a ese incremento de la demanda de tráfico proporcionando una mejor calidad del servicio (QoS) de forma homogénea sobre todo el área de cobertura. En este contexto de rápida evolución, aparecen nuevos retos técnicos que deben ser resueltos eficientemente. Un factor que ha sido reconocido como clave en las redes celulares basadas en orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) es la gestión de interferencias. Es un hecho sobradamente conocido que la utilización de un factor de reuso bajo permite una elevada eficiencia espectral pero a costa de una QoS que no es uniforme en la red ya que depende de la posición del usuario; los usuarios situados cerca de las estaciones base (BSs) experimentan mejores condiciones que los que se encuentran más alejados. Por lo tanto, el rendimiento en los límites de la célula se ve muy penalizado siendo éste un problema importante a resolver en LTE y LTE-A.
Con el objetivo de solucionar estos problemas aparecen las técnicas de coordinación de interferencias entre células (ICIC) que engloba las estrategias cuyo objetivo es mantener la interferencia intercelular (ICI) lo más baja posible, especialmente, en los bordes de célula.
En este contexto se presentan dos grandes grupos de técnicas ICIC, por un lado las denominadas técnicas de reutilización de frecuencia (FR) que tratan de controlar las interferencias entre células adyacentes y por otro lado las conocidas como técnicas de transmisión multipunto coordinada (CoMP) que se basan en la introducción de esquemas de precodificación mediante los cuales la información de un usuario se transmite desde varias BSs. Ambas estrategias están diseñadas para mejorar el rendimiento global de las redes siendo utilizadas en las últimas actualizaciones de LTE y están destinadas a jugar un papel aún más importante dentro de los estándares del 5G. La contribución presentada en esta tesis doctoral incluye el estudio del funcionamiento y diseño conjunto de técnicas FR y CoMP, creando un framework para la aplicación conjunta de ambas técnicas sobre redes reales (topológicamente irregulares) y la optimización de su diseño con respecto a varias métricas de rendimiento.
Tras un primer cápítulo introductorio, se introducen los conceptos de FR y CoMP .
Una vez presentadas ambas estrategias se define un framework donde es posible comparar equitativamente diferentes técnicas CoMP con el objetivo de seleccionar la más apropiada para ser utilizada en todos los escenarios evaluados en los otros capítulos de la tesis. Más adelante se realiza una primera optimización de estas técnicas sobre redes sintéticas (de topología regular) teniendo en cuenta diversas métricas de evaluación. Estas metodologías, sin embargo, son difíciles de aplicar cuando se introducen irregularidades en la topología de la red por lo que se propone una estrategia basada en dos pasos para combinar técnicas CoMP y FR sobre redes irregulares. La primera fase permite indicar cómo se deben agrupar los sectores de las estaciones base para cooperar entre sí. La segunda fase resuelve la forma en la que se debe repartir el espectro frecuencial entre las diferentes estaciones base. Una vez tomadas estas dos decisiones iniciales a nivel de diseño de la red celular se presenta un innovador modelo matemático que permite obtener aproximaciones de las métricas de rendimiento de la red, cuya dependencia respecto de los parámetros del sistema es muy parecida a la experimentada por las métricas reales. Finalmente se propone un proceso de optimización empleando los modelos matemáticos introducidos anteriormente y apoyándose en el uso de algoritmos evolutivos multiobjetivo que permite la estimación óptima de los parámetros de FR para un determinado perfil de rencimiento.
- català
Actualment els sistemes 4G com Long Term Evolution (LTE) i LTE-Advanced (LTEA), proporcionen accés de banda ampla mòbil per aplicacions que requereixen d’elevades taxes de transmissió de dades. Tot i així, any rere any la quantitat de tràfic de dades transmeses via xarxes mòbils creix a passes agegantades. Donada aquesta tesitura, les operadores mòbils han de respondre a l’increment de la demanda d’aquest tràfic, i a l’hora proporcionar una millor qualitat del servei (QoS) de forma homogènea sobre tota l’àrea de cobertura. En aquest context de ràpida evolució, apareixen nous reptes tècnics que han de ser resolts de manera eficas. Un factor que ha sigut reconegut com a clau en xarxes cel·lulars basades en orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) és la gestió d’interferències. És un fet ben conegut que la utilització d’un factor de reutilització baix permet una elevada eficiència espectral però a costa d’una distribució de QoS que no és uniforme a la xarxa, ja que depèn de la posició de l’usuari: els usuaris situats aprop de les estacions base (BSs) experimenten unes prestacions molt superiors als usuaris localitzats lluny de les BS. Per tant, el rendiment en els límits de la cel·la es veu molt penalitzat i suposa un problema important a resoldre en LTE i LTE-A. Amb l’objectiu de mitigar aquests efectes apareixen tècniques de coordinació d’interferències entre cel·les (ICIC) que engloben les estratègies que tenen com objectiu la minimització de la interferència intercel·lular (ICI), especialment, als extrems cel·lulars.
En aquest context es presenten dos grans grups de tècniques ICIC, les anomenades tècniques de reutilització de freqüència (FR) que tracten de controlar les interferències entre cèl·lules adjacents, i les conegudes com tècniques de transmissió multipunt coordinada (CoMP), que es basen en la introducció d’esquemes de precodificació mitjançant els quals la informació d’un usuari és transmesa des de diverses BSs de manera simultánia.
Ambdues estratègies estan dissenyades per millorar el rendiment global de les xarxes i essent utilitzades en les darreres actualitzacions d’LTE i estan destinades a jugar un paper encara més important dins dels estàndards del 5G. La contribució presentada en aquesta tesis doctoral inclou l’estudi del funcionament i disseny conjunt de tècniques FR i CoMP, proposant un framework per l’aplicació conjunta d’ambdues tècniques en xarxes reals (topológicament irregulars) i optimització del seu disseny respecte a diverses mètriques de rendiment.
Desprès d’un primer capítol introductori, s’introdueixen els conceptes de FR i CoMP.
Un cop presentades ambdues estratègies es defineix un framework on és possible comparar diferents tècniques CoMP amb l’objectiu de seleccionar la més adient per ser emprada en els altres capítols de la tesis. Més endavant es realitza una primera optimització d’aquestes tècniques sobre xarxes sintètiques tenint en compte diverses mètriques d’avaluació.
Aquestes metodologies, emperò, són difícils d’aplicar quan s’introdueixen irregularitats en la topologia de la xarxa motivant la proposta d’una estratègia basada en dues passes per combinar tècniques CoMP amb FR sobre xarxes irregulars. La primera fase serveix per indicar com s’han d’agrupar els sectors de les estacions base per cooperar entre sí. La segona fase resol la forma en la qual s’ha de repartir l’espectre freqüencial entre les diferents estacions base. Un cop presses aquestes dues decisions inicials a nivells de disseny de la xarxa es presenta un innovador model matemàtic que permet obtenir aproximacions de les mètriques de rendiment de la xarxa, la dependència respecte dels paràmetres del sistema és molt semblant a l’experimentada per les mètriques reals. Finalment es proposa un procés d’optimització emprant els models matemàtics introduïts anteriorment i recolzant-se en l’ús d’algoritmes evolutius multiobjectiu que permet l’estimació óptima dels paràmetres de FR per a un determinat perfil de rendiment.
- English
Nowadays, 4G system, such as Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTEA) are in charge of providing mobile broadband access for applications requiring of high throughput. As a matter of fact, the amount of data traffic transported by cellular networks grows dramatically on a yearly basis. In such a landscape, network operators should be able to cope with the rising traffic demands while satisfying Quality of Service (QoS) constraints throughout the coverage area. In this context of fast evolution, new and challenging technical issues appear that must be effectively addressed. In particular, the problem known as Intercell Interference (ICI) has been recognized as one of the main capacity-limiting factors in most cellular technologies based on orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). It is a well known fact that a low frequency reuse factor increases overall spectral efficiency but, as a major downside, ICI becomes a major concern since the QoS is not uniformly delivered across the network as it remarkably depends on user position; users located near the base station (BS) experience better conditions than users far from the BS. Hence, cell edge performance is an important aspect in LTE and LTE-A whose solution is not trivial. In order to tackle the aforementioned situation, Intercell Interference Coordination (ICIC) encompasses strategies whose goal is to keep ICI as low as possible, specially, at the cell edges while still aiming at high spectral efficiencies.
In this context, two main groups of control/cancellation techniques are considered, namely, frequency reuse (FR) and coordinated multipoint transmission (CoMP). The first group, FR techniques, increases the spectral efficiency of the network by allowing the reuse of the allocated spectrum only in selected regions of the coverage area less prone to ICI. The second group, CoMP techniques, allows different BSs to cooperatively transmit signals to a set of users transforming in this way the potential ICI into useful signal. Both techniques share the common goal of trying to reconcile the maximization of system capacity and the provision of certain QoS guarantees for the users located far away from their serving BS. Remarkably, these techniques have been extensively used in the latest releases of LTE and are bound to keep playing a major role within 5G. The main aim of this PhD is the introduction of a framework that allows the joint and synergistic application of both, FR techniques and CoMP transmission, in the specific case of the downlink of a MIMO-OFDMA system under a realistic irregular deployment of BSs.
After a first introductory chapter, the concepts of FR and CoMP are defined. Next, a framework is presented that allows the fair evaluation and comparison of different CoMP techniques with the objective of identifying the most promising one that will be used in the rest of the thesis. Then, an optimization problem is posed focusing on synthetic networks (regularly deployed) and a framework is proposed for its solution based in multi-objective optimization principles. Unfortunately, when confronting irregular BS deployments, these strategies are difficult to enforce. Consequently, this work proposes a novel two-step strategy that allows the combination of CoMP and FR techniques under irregular deployments. The first step defines how BSs are grouped to form the cooperation clusters while the second step defines how frequency subbands are allocated in order to implement a prescribed reuse pattern. This two-step process sets up the stage for a new analytical framework , that, for a specific set of SFR parameters, allows the computation of closed-form approximations to relevant performance metrics such as average total capacity, worst-users rate and backhaul requirements, whose dependence with the FR parameter mimic that observed in the real metrics. Finally, an algorithm based on these closed-form approximations is proposed that uses multi-objective evolutionary algorithms in order to conduct the network-wide optimization of the FR parameters.
- español
