Resource management and interference mitigation for dense heterogeneous small-cell networks

Résumé

Face à l’explosion sans précédent de la demande en terme de débit et de capacité des futures générations de réseaux de télécommunications mobiles, la recherche académique et industrielle explore divers nouveaux concepts et solutions techniques. Parmi ces solutions, celles qui attirent le plus d’attention pour la 5ème génération de réseaux mobiles (5G) sont le deployment massif de petites cellules amenant à l’intense densification des réseaux, l’augmentation des bandes spectrales disponibles avec notamment l’utilisation des bandes millimétriques ainsi que l’augmentation du nombre d’antennes au niveau des récepteurs et transmetteurs avec le massive Multiple Input Multiple Output (MIMO). Ces trois technologies constituent le coeur de la 5G alors que la densification des réseaux à l’aide de petite cellules se distingue par son coût, sa facilité et sa flexibilité. Ces petites cellules de tailles variées, déployées par l’opérateur ou l’utilisateur lui-même, permettront d’apporter une couverture réseau dans des zones non atteignables par les stations de bases classiques, et permettront d’augmenter considérablement la capacité du réseau grâce a la réutilisation du spectre ainsi qu’une meilleure qualité de service grâce à la proximité des utilisateur avec leurs points d’accès. Cependant, plusieurs problèmes techniques naissent du déploiement dense de ces petites cellules. Premièrement leur co-existence avec les réseaux traditionnels, et les différents niveaux de puissance de transmission peuvent être la source de fortes interférences entre les cellules de ces deux différents tiers. Mais le déploiement massif de ces cellules peut aussi causer des interférences entre les petites cellules avoisinantes lorsque leurs zones de couverture se chevauchent. Cette problématique est d’autant plus dramatique que les bandes de fréquence disponibles pour les communications mobiles sont limitées et que la demande en terme de débits et donc de bande passante est grandissante. Nous proposons dans cette thèse trois approaches différentes pour répondre à ce besoin de nouvelles méthodes et techniques de gestion des resources et interférences dans les réseaux hétérogènes. Dans une première partie, nous proposons un nouveau modèle de partage fréquentiel qui permet de résoudre le problème des zones mortes aux frontières des cellules tout en diminuant les interférences entre les cellules issues des deux différents tiers. Ce schéma est couplé à des règles de contrôle d’admission qui flexibilisent le partage des resources non utilisées. Les performances de ce modèle sont analysées en terme de probabilités de blocages des appels et les paramètres optimaux de structuration fréquentielle des cellules et de partage des ressources sont présentés. Dans une seconde partie, nous explorons les concepts d’auto-organisation des cellules et les méthodes coopératives de gestion des interférences et des ressources. Nous proposons une nouvelle méthode d’allocation de resources cooperative basée sur un modèle mathématique de théorie des jeux qui permet la formation de coalitions entre les cellules avoisinantes dans les réseaux auto-organisés. Ces coalitions permettent à leurs membres de décider conjointement et de facon distribuée de l’utilisation du spectre et réduire les interférences induites parmi les membres. Deux types de jeux canonique et à structure de coalition sont proposés en function de la natures des utilisateurs ou stations de bases impliquées. Nous montrons que les performances de notre modèle en terme de débits, d’équité et de complexité présentent des résultats supérieurs à l’état de l’art. Dans une troisième partie, nous proposons un modèle de réutilisation spatiale des nouvellement ouvertes bandes de fréquence millimétriques, dans les réseaux denses à petites cellules. Nous analysons les performances du système à la fois analytiquement en utilisant une modélisation stochastique du réseau et par évaluation simulatoire du système. Les résultats en terme de débit et de capacité sont comparés aux réseaux traditionnels 3G/4G et à diverses methods d’allocation de fréquences. Ces résultats théoriques montrent que l’on peut atteindre des débits extrêmement élevés lorsque l’utilisation des très larges bandes spectrales millimétriques disponibles est couplée à un modèle adéquat de réutilisation spatiale du spectre permettant de réduire considérablement les interférences.

Date	13 juin 2017
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Gagnon (Directeur(-trice))