Optimization models for resource management in two-tier cellular networks

Résumé

L’architecture hiérarchique bi-niveau (c.à.d. two-tier) qui se compose d’une macrocellule et des femtocellules est la plus prometteuse pour les opérateurs des réseaux cellulaires, parce que cette architecture peut améliorer la capacité actuelle des réseaux cellulaires sans coûts additionnels. Toutefois, l’incorporation des femtocellules dans les réseaux cellulaires existants doit être habilement configurée en vue de l’amélioration de l’utilisation des ressources limitées. Dans cette thèse, nous abordons le problème de l’optimisation des ressources pour les réseaux bi-niveau utilisant la technologie OFDMA dans les scénarios où les femtocellules emploient la méthode d’accès hybride. La méthode d’accès hybride est une technique qui fournit différents niveaux de service aux abonnés et aux utilisateurs non-autorisés et réduit les interférences perçus par les abonnés en octroyant des accès à des utilisateurs publics qui se trouvent dans les environs. Cette méthode devrait fournir un compromis entre l’impact sur la satisfaction des abonnés et le niveau d’accès accordé aux non-abonnés. L’impact sur les abonnés doit être minimisé en termes de performance ou doit être compensé par des avantages économiques. Ce projet de recherche se concentre sur deux contraintes qui affectent le réseau cellulaire OFDMA bi-niveau. La première contrainte est constituée par le compromis à faire entre l’efficacité de l’utilisation des ressources de la macrocellule et la distribution équitable des ressources entre les macro-utilisateurs et les femtocellules. La seconde contrainte concerne les femtocellules, il s’agit du compromis à faire entre l’atténuation des interférences et l’octroi d’accès aux utilisateurs publics sans que les performances de la transmission descendante des abonnés ne soient affectées. Nous abordons ces contraintes par la mise en oeuvre de plusieurs modèles d’allocation des ressources pour des déploiements de réseaux dense et non dense. La programmation linéaire et une méthode évolutionnaire d’optimisation sont les outils d’optimisation employées. En plus, les modèles d’allocation des ressources proposées déterminent conjointement la station base la plus appropriée a utiliser, la quantité de bande passante et la puissance de transmission de l’utilisateur dans le but d’améliorer la capacité globale du réseau. Les deux premières parties de ce travail se concentrent sur l’optimisation des ressources pour les déploiements non-denses en utilisant l’assignation orthogonale et co-canaux entre la macrocellule et les femtocellules. Les deux parties aboutissent à la maximisation de la somme des débits pondérés des utilisateurs. Dans la première partie, deux ensembles de pondération sont introduits afin de prioriser l’utilisation des femtocellules par les abonnés et les utilisateurs publics qui se trouvent proche des femtocellules. En outre, nous avons introduit le réglage de la puissance dans la macrocellule en vue de l’amélioration de la distribution de la puissance entre les transmissions descendantes actifs et de l’amélioration de la tolérance au bruit. La deuxième partie permet la réutilisation spectrale et le réglage de la puissance. Cette réutilisation spectrale et le réglage de la puissance offrent une solution a trois volets qui améliore la distribution de la puissance entre les transmissions descendant actives, améliore la tolérance au bruit et à l’interférence et permet d’atteindre la qualité de service (QoS) exigée. En vue de réduire la complexité du problème d’optimisation des ressources pour les déploiements de réseaux dense, la troisième partie de ce travail a divisé le problème d’optimisation en sousproblèmes. L’idée est de diviser les utilisateurs et les femtocellules en groupes distincts en se basant sur leurs localisations. Ainsi, le problème d’optimisation peut être résolu séparément dans chaque zone OFDMA. Cette solution permet la réutilisation des sous-porteuses d’une part entre une zone intérieure de la macrocellule et les femtocellules situées dans les zones extérieures de la macrocellule; et d’autre part entre les grappes des femtocellules situés dans la même zone. Le contrôle de la puissance est utilisé pour assurer la qualité de service (QoS) des utilisateurs et pour réduire l’interférence croisée entre la zone intérieure et les femtocellules situées dans les zones extérieures de la macrocellule. Une autre méthode très commune pour réduire la complexité du problème de l’optimisation des ressources est le regroupement de femtocellules. Cependant, trouver la configuration optimale de regroupement en même temps que faire l’allocation de ressources est un problème d’optimisation complexe en raison du nombre de variables liées à toutes les configurations de regroupement possibles. Par conséquent, la quatrième partie de ce travail porte sur un modèle d’allocation des ressources heuristique basé sur les regroupements (c.à.d. clusters) et une méthode de motivation pour le regroupement des femtocellules à travers l’allocation de ressources supplémentaires aux transmissions de l’abonné et de l’utilisateur "visiteur". Le modèle d’allocation des ressources basé sur les regroupements maximise le débit du réseau tout en gardant les groupes équilibrés et en minimisant l’interférence inter-regroupements. Finalement, les solutions proposées sont évaluées par de vastes simulations numériques et les résultats numériques sont présentées pour soutenir les solutions proposées, et pour fournir une comparaison plus éclairée avec d’autres modèles proposés dans la littérature.

Date	25 nov. 2014
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Zbigniew Dziong (Directeur(-trice)) & Hadi Otrok (Codirecteur(-trice))