Adaptive radio resource management for ofdma-based macro- and femtocell networks

Abstract

Las demandas y expectativas de los usuarios y operadores móviles crecen sin parar y, consecuentemente, los nuevos estándares han incorporado tecnologías de acceso de radio cada vez más eficientes. Las especificaciones IMT-Advanced para la cuarta generación (4G) de redes móviles de banda ancha requieren, entre otras cosas, tasas más altas de transmisión de datos, del orden de 100 Mbps a 1 Gbps, dependiendo del nivel de movilidad. Para conseguir éstas tasas se ha escogido como tecnología de acceso el Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonal (OFDMA), y se han considerado femtoceldas para mejorar la cobertura de espacios interiores.

Para explorar completamente la flexibilidad de estas tecnologías y utilizar los escasos recursos radio de la manera más eficiente posible se requieren técnicas de Gestión de Recursos Radio (RRM) adaptativas e inteligentes. En el ámbito de los sistemas celulares basados en OFDMA, uno de los problemas todavía no resuelto es el compromiso que existe entre la eficiencia en la utilización de los recursos y la equidad en su distribución entre los usuarios de la red.

El compromiso entre eficiencia y equidad aparece cuando los recursos radio asignados dan lugar a diferentes indicadores de eficiencia con respecto a los distintos usuarios de red (diversidad multi-usuario). El uso de una asignación de recursos oportunista, para explorar estas diversidades y maximizar la capacidad, causa situaciones de desigualdad en la distribución de los recursos. Por otro lado, los esquemas de RRM que propician equidad absoluta consideran un escenario de peor caso, penalizando a los usuarios con mejores condiciones y reduciendo la capacidad del sistema. En esta tesis, se han propuesto varias políticas y técnicas de RRM para balancear este compromiso en el contexto de redes macrocelulares y femtocelulares.

En el caso particular de sistemas macrocelulares, proponemos un nuevo paradigma de gestión de red basado en el control del índice de equidad de la celda en escenarios con servicios de tiempo no-real y de tiempo real. Se han estudiado dos enfoques para el control de la equidad: control instantáneo (a corto plazo) utilizando técnicas de RRM de adaptación de tasa y equidad, y control promediado (a mediano plazo) utilizando estructuras de RRM basadas en la Teoría de la Utilidad. En el caso de las femtoceldas, se ha formulado una nueva técnica para evitar la interferencia capaz de balancear el compromiso entre eficiencia espectral y la equidad entre los puntos de acceso de las femtoceldas. Esta estrategia de RRM se basa en una planificación a mediano/largo plazo de las frecuencias disponibles, que toma en consideración la topología de interferencia de grupos de femtoceldas vecinas.

Las técnicas de RRM consideradas en esta tesis se han evaluada utilizando de forma sistemática técnicas de simulación numéricas a nivel de sistema. En el caso del escenario macrocelular, se demuestra que las técnicas adaptativas de RRM propuestas son, para los operadores móviles una, herramienta valiosa porqué, además de ser una generalización de estrategias clásicas bien conocidas, son capaces de garantizar de forma eficiente diferentes niveles de equidad en el sistema, y controlar el compromiso entre eficiencia y equidad. Además, se concluye que las estrategias basadas en la teoría de utilidad, que hacen un control promedio de la equidad, muestran resultados tan buenos ó incluso mejores que los presentados por las técnicas basadas en optimización instantánea de la adaptación de la tasa y la equidad, utilizando menores recursos computacionales. Finalmente, se demuestra que la técnica propuesta para evitar interferencia en redes de femtoceldas puede garantizar una coexistencia sin degradaciones entre punto de acceso vecinos para cualquier topología de interferencia. Esta técnica puede ser implementada mediante arquitecturas de red distribuidas ó centralizadas, presentando en ambos casos unos requisitos de señalización muy bajos.

User and cellular operator requirements and expectations have been continuously evolving, and consequently, advanced radio access technologies have emerged. The International Mobile Telecommunications - Advanced (IMT-Advanced) specifications for mobile broadband Fourth Generation (4G) networks state, among other requirements, that enhanced peak data rates of 100 Mbps and 1 Gbps for high and low mobility should be provided. In order to achieve this challenging performance, Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) has been chosen as the access technology, and femtocells have been considered for improving indoor coverage.

In order to fully explore the flexibility of these technologies and use the scarce radio resources in the most efficient way possible, intelligent and adaptive Radio Resource Management (RRM) techniques are crucial. There are many open RRM problems in wireless networks in general and OFDMA-based cellular systems in particular. One of such problems is the fundamental trade-off that exists between efficiency in the resource usage and fairness in the resource distribution among network players.

Several opportunistic RRM algorithms, which dynamically allocate the resources to the network players that present the highest efficiency indicator with regard to these resources, have been proposed to maximize the efficiency in the resource usage. The trade-off between efficiency and fairness appears when the resources have different efficiency indicators to different network players (multi-user or multi-cell diversity). The use of opportunistic resource allocation to explore these diversities causes unfair situations in the resource distribution. On the other hand, schemes that provide absolute fairness deal with the worst case scenario, penalizing players with better condition and reducing the system capacity.

In this thesis, several RRM policies and techniques are proposed to balance this compromise in macrocell and femtocell networks. In the particular case of macrocell systems, we propound a new network management paradigm based on the control of a cell fairness index in scenarios with Non-Real Time (NRT) or Real Time (RT) services. Two fairness control approaches are studied: instantaneous (short-term) control by means of generalized fairness/rate adaptive RRM techniques and average (mid-term) control using utility-based frameworks. For femtocell networks, a novel interference avoidance technique able to balance the trade-off between spectral efficiency in the femtocell tier and fairness among the Femtocell Access Points (FAPs) is formulated. This RRM strategy is based on a high-level, mid/long-term frequency planning that takes into account the topology of groups of neighboring FAPs.

The RRM techniques considered in this thesis are evaluated by means of extensive system-level and/or numerical simulations. Regarding the macrocell scenario, it is shown that the proposed adaptive RRM techniques are valuable tools for the mobile operators, because they are generalizations of well-known classic strategies found in the literature and they can effectively guarantee different fairness levels in the system and control the trade-off between efficiency and fairness. Furthermore, it is concluded that the utility-based strategies that perform an average fairness control can provide performance results as good as the fairness/rate adaptive techniques, which are based on instantaneous optimization, using less computational resources. Finally, it is demonstrated that the proposed interference avoidance technique for femtocell networks can guarantee a seamless coexistence between neighboring FAPs in any interference topology. Furthermore, this technique can be implemented in both centralized and distributed network architectures and generates very low signaling overhead.