Analysis, desing and optimization of partial frequency reuse-aided OFDMA-based heterogeneous cellular networks

Abstract

[eng] Fourth Generation (4G) mobile networks are currently undergoing massive deployment in many parts of the world under the umbrella of the Third Generation Partnership Project (3GPP), Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) standards. The latest incarnations versions of these systems aim at downlink peak data rates of 100 Mbit/s and 1 Gb/s for high and low mobility users, respectively. Despite the huge leap forward in capacity with respect to previous second and third generation mobile standards (2G GSM and 3G WCDMA, respectively), demand in mobile data traffic is expected to rise well beyond the capabilities of 4G networks. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) has played a crucial role towards the success of 4G cellular systems and an increasing number of actors in the fifth generation (5G) arena strongly advocate for its continuation owing to its high capabilities in terms of spectral efficiency and flexibility. OFDMA-based networks avoid intra-cell interference. However, due to the common use of universal frequency reuse plans, Inter-Cell Interference (ICI) arises, which critically affects the users located in the cell-edge areas. In this context, Intercell Interference Coordination (ICIC) strategies are deemed to play a key role in 5G multi-cellular networks based on OFDMA. Two of the most representative ICIC techniques are Fractional and Soft Frequency Reuse (FFR and SFR, respectively), which have already been adopted by emerging cellular deployments as an efficient way to improve the throughput performance perceived by cell-edge users. For this reason, the first part of this thesis presents an analytical framework allowing the performance evaluation of these frequency reuse plans in realistic multi-cellular OFDMA networks, where regular and irregular deployments have been taken into consideration. To this end, a novel statistical characterization of the Signal-to-Interference-Plus-Noise Ratio (SINR) in terms of a Cumulative Distribution Function (CDF) as well as tractable mathematical expressions of the average cell spectral efficiency have been derived for different scheduling policies. Using this physical layer abstractions, the thesis then focuses on the optimization of FFR/SFR-related designs in order to provide high spectral efficiencies over the whole coverage area and to improve the system capacity while maintaining high Quality-ofService (QoS) and fairness among users. This optimal designs hallow a tradeoff between throughput performance and fairness by suitably dimensioning the FFR/SFR-defined cellcenter and cell-edge areas, the frequency allocation to each region and the corresponding transmit power. Although no final 5G proposal has yet emerged, it is envisaged that in order to tackle the forecasted traffic demands a radical change in the mobile network architecture is likely to be required. Towards this end, many voices within the research community suggest that the classical cellular architecture based on the deployment of a regular grid of high-power tower-mounted base stations covering extensive areas (macrocells) will need to be complemented by a dense network of low power base stations providing very highthroughput coverage to reduced areas, thus creating small cells. The capability of a system to cover a given area by combining two or more infrastructures gives rise to the concept of multi-tier networks, an idea also known as Heterogeneous Networks (HetNets). The multi-tier concept has gained much attention recently with the appearance of femtocells. It is envisioned that massive femtocell deployment will result in a very significant reduction of the network operational cost, since they are deployed and maintained by the user, while having the potential to dramatically increase overall capacity. Consequently, the second part of this thesis concsiders two-tier HetNet analytical model combining an operatormanaged infrastructure of Macrocell Base Stations (MBSs) with a user-deployed network of Femtocell Base Stations (FBSs). A worst-case scenario in terms of inter-tier interference is evaluated in which macrocell and femtocell tiers are assumed to be uncoordinated and co-channel deployed (full spectrum reuse). Based on a unified approach, the obtained analytical model allows the evaluation of the impact produced by the inter- as well as the co-tier interferences on either the macro-users or the femto-users.

[spa] La cuarta generación (4G) de comunicaciones móviles se está desplegando en muchos lugares del mundo bajo el paraguas de los estándares Third Generation Partnership Project (3GPP), Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A). Las versiones más avanzadas de estos sistemas ofrecen tasas de transmisión de hasta 100 Mbit/s y 1 Gbit/s para usuarios de alta y baja movilidad, respectivamente. Aunque estas cifras representan una mejora considerable respecto de la capacidad que ofrecían los anteriores estándares móviles de segunda y tercera generación (2G GSM y 3G WCDMA, respectivamente), es previsible que el aumento espectacular en la demanda de capacidad de transmisión de datos supere ampliamente las capacidades de los sistemas 4G en un futuro no muy lejano. El acceso múltiple por división de frecuencias ortogonales (OFDMA del inglés Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ha jugado un papel crucial en el éxito de los sistemas celulares de 4G y un número cada vez mayor de participantes en la definición de los estándares de quinta generación (5G) apuestan por su continuación dada su elevada eficiencia espectral y su grado de flexibilidad. Las redes basadas en OFDMA no introducen interferencia intracelular. Sin embargo, debido al uso habitual de planes de reutilización de frecuencias universales, la interferencia intercelular (ICI) afecta de manera crítica a los usuarios ubicados cerca de los límites de las celdas. En este contexto, se considera que las estrategias de control/coordinación de interferencia intercelular (ICIC del inglés Intercell Interference Coordination) juegan un papel clave en las redes multicelulares 5G basadas en OFDMA. Dos de las técnicas ICIC más representativas son la reutilización de frecuencias fractional y la reutilización de frecuencias soft (FFR y SFR, respectivamente), que ya han sido implantadas en despliegues celulares emergentes como una forma eficiente de mejorar el rendimiento que perciben los usuarios cercanos de los límites celulares. Por esta razón, la primera parte de esta tesis presenta un marco analítico que permite la evaluación del desempeño de estos planes de reutilización de frecuencias en redes multicelulares realistas basadas en OFDMA, donde se consideran tanto los despliegues regulares como los irregulares. Para ello, se ha desarrollado una nueva caracterización estadística de la relación señal-interferencia-más-ruido (SINR) a través de soluciones cerradas de la función de distribución acumulativa (CDF) de la SINR, así como expresiones matemáticamente tratables de la eficiencia espectral promedio de una determinada célula para diferentes políticas de distribución de recursos radio. Después nos hemos centrado en la optimización de los diseños relacionados con FFR/SFR para garantizar altas eficiencias espectrales en toda el área de cobertura y mejorar la capacidad del sistema, manteniendo al mismo tiempo la calidad de los servicios (QoS) y equidad entre los usuarios. Estos diseños óptimos permiten la compensación entre el rendimiento celular y la equidad entre usuarios mediante el adecuado dimensionamiento de las áreas del centro y del borde celular definidas por los esquemas FFR/SFR, optimizando la asignación de frecuencia a cada región y la potencia de transmisión correspondiente. Aunque aún no hay cerrada ninguna especificación de 5G, parece claro que para hacer frente a las demandas de tráfico previstas es muy probable que se requiera un cambio radical en la arquitectura de la red móvil. Respecto a esto, el consenso entre la comunidad de investigadores sugiere que la arquitectura celular clásica basada en el despliegue de una red regular de estaciones base de alta potencia montadas en torres que cubran extensas áreas (macroceldas) deberá ser ampliamente complementada por una densa red de estaciones de baja potencia que proporcionen cobertura a áreas reducidas pero de muy alto rendimiento, creando así células pequeñas. La capacidad de un sistema para cubrir un área determinada mediante la combinación de dos o más infraestructuras da lugar al concepto de redes multinivel, una idea también conocida con el nombre de redes heterogéneas (HetNets del inglés Heterogeneous Networks). El concepto multinivel ha cobrado mucho interés con el despliegue de femto-celdas. Se prevé que el despliegue masivo de femto-celdas resultará en una reducción muy significativa en los costes operacionales de la red, ya que éstas son desplegadas y mantenidas por el usuario, a la vez que tienen el potencial de aumentar dramáticamente la capacidad total de la red. Por ello, la segunda parte de esta tesis se centra en la definición de un modelo analítico HetNet de dos niveles que combina una infraestructura gestionada por el operador de estaciones base macro-celulares (MBS) con una red de estaciones base femto-celulares (FBS) desplegadas por el usuario. Se evalúa el peor escenario posible en términos de interferencia entre niveles, en el que se supone que los niveles macro-célula y femto-célula no están coordinados y emplean un despliegue co-canal (con reutilización de espectro completo). Basándose en un enfoque unificado, el modelo analítico obtenido sirve para evaluar el impacto producido por las interferencias entre los dos niveles tanto sobre los usuarios macro como sobre los femto-usuarios.

[cat] La quarta generació (4G) de comunicacions mòbils s’està desplegant en molts indrets del món sota el paraigües dels estàndards Third Generation Partnership Project (3GPP), Long Term Evolution (LTE) i LTE-Advanced (LTE-A). Les versions més avançades d’aquests sistemes ofereixen taxes de transmissió de fins a 100 Mbit/s i 1 Gbit/s per a usuaris d’alta i baixa mobilitat, respectivament. Tot i que aquestes xifres representen una millora considerable respecte de la capacitat que oferien els anteriors estàndards de comunicacions mòbils de segona i tercera generació (2G GSM i 3G WCDMA, respectivament), és previsible que l’ augment espectacular en la demanda de capacitat de transmissió de dades superi àmpliament les capacitats dels sistemes 4G en un futur no gaire llunyà. L’accés múltiple per divisió en freqüències ortogonals (OFDMA de l’anglès Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ha jugat un paper crucial en l’èxit dels sistemes cel·lulars de 4G i un nombre cada vegada més gran de participants en la definició dels estàndards de cinquena generació (5G) aposten per la seva continuació atesa la seva elevada eficiència espectral i el seu grau de flexibilitat. Les xarxes basades en OFDMA no introdueixen interferència intracel·lular. Tanmateix, degut a l’ús habitual de plans de reutilització de freqüències universals, la interferència intercel·lular (ICI) afecta de manera crítica als usuaris ubicats prop dels límits de les cel·les. En aquest context, es considera que les estratègies de control/coordinació d’interferència intercel·lular (ICIC de l’anglès Intercell Interference Coordination) jugoran un paper clau en les xarxes multicel·lulars 5G basades en OFDMA. Dues de les tècniques ICIC més representatives són la reutilització de freqüències fractional i la reutilització de freqüències soft (FFR i SFR, respectivament), que ja han estat implantades en desplegaments cel·lulars emergents com una forma eficient de millorar el rendiment que perceben els usuaris propers dels límits cel·lulars. Per aquesta raó, la primera part d’aquesta tesi presenta un marc analític que permet l’avaluació de el rendiment d’aquests plans de reutilització de freqüències en xarxes multicel·lulars realistes basades en OFDMA, on es consideren tant els desplegaments regulars com els irregulars. Per a això, s’ha desenvolupat una nova caracterització estadística de la relació senyal-interferència-més-soroll (SINR) a traves de solucions tancades de la funció de distribució acumulativa (CDF) de la SINR, així com expressions matemàticament tractables de l’eficiència espectral mitjana d’una determinada cèl·lula per a diferents polítiques de distribució de recursos ràdio. Després ens hem centrat en l’optimització dels dissenys relacionats amb FFR/SFR per garantir altes eficiències espectrals en tota l’àrea de cobertura i millorar la capacitat del sistema, mantenint al mateix temps la qualitat de servei (QoS) i equitat entre els usuaris. Aquests dissenys òptims permeten la compensació entre el rendiment cel·lular i l’equitat entre usuaris mitjançant l’adequat dimensionament de les àrees del centre i de la vora cel·lular definides pels esquemes FFR/SFR, optimitzant l’assignació de freqüència a cada regió i la potència de transmissió corresponent. Tot i que encara no hi ha tancada cap especificació de 5G, sembla clar que per fer front a les demandes de trànsit previstes és molt probable que es requereixi un canvi radical en l’arquitectura de la xarxa mòbil. Respecte a això, el consens entre la comunitat d’investigadors suggereix que l’arquitectura cel·lular clàssica basada en el desplegament d’una xarxa regular d’estacions base d’alta potència muntades en torres que cobreixin extenses àrees (macrocel·les) haurà de ser àmpliament complementada per una densa xarxa d’estacions de baixa potència que proporcionin cobertura a àrees reduïdes però de molt alt rendiment, creant així cèl·lules petites. La capacitat d’un sistema per cobrir una àrea determinada mitjançant la combinació de dues o més infraestructures dóna lloc al concepte de xarxes multinivell, una idea també coneguda amb el nom de xarxes heterogènies (HetNets de l’anglès Heterogeneous Networks). El concepte multi-nivell ha cobrat molt d’interès amb el desplegament de femto-cèl·les. Es preveu que el desplegament massiu de femto-cèl·les resultarà en una reducció molt significativa en els costos operacionals de la xarxa, ja que aquestes són desplegades i mantingudes per l’usuari, alhora que tenen el potencial d’augmentar dramàticament la capacitat total de la xarxa. Per això, la segona part d’aquesta tesi es centra en la definició d’un model analític HetNet de dos nivells que combina una infraestructura gestionada per l’operador d’estacions base macrocel·lulares (MBS) amb una xarxa d’estacions base femto-cel·lulares (FBS) desplegades per l’usuari. S’avalua el pitjor escenari possible en termes d’interferència entre nivells, en el qual se suposa que els nivells macro-cel·lulares i femto-cel·lulares no estan coordinats i empren un desplegament co-canal (amb reutilització d’espectre complet). Basant-se en un enfocament unificat, el model analític obtingut serveix per avaluar l’impacte produït per les interferències entre els dos nivells tant sobre els usuaris macro com sobre els femto-usuaris.