Cell design and resource allocation for small cell networks - Tel

209 Pages·2015·2.64 MB·English

by  Ramanath, Sreenath

Cell design and resource allocation for small cell
networks
Sreenath Ramanath
To cite this version:
Sreenath Ramanath. Cell design and resource allocation for small cell networks. Other [cs.OH].
Université d’Avignon, 2011. English. ￿NNT: 2011AVIG0194￿. ￿tel-00745594v2￿
HAL Id: tel-00745594
https://theses.hal.science/tel-00745594v2
Submitted on 7 Mar 2014
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
THÈSE
présentéepourobtenirlegradedeDocteurenSciencesdel’Universitéd’Avignon
SPÉCIALITÉ: Informatique
ÉcoleDoctoraleED536«SciencesandAgrosciences»
Laboratoired’Informatiqued’Avignon(UPRESNo4128)
Cell Design and Resource Allocation for Small Cell
Networks
par
SreenathRamanath
Soutenuepubliquementle6Octobre2011devantunjurycomposéde:
M. CHAHEDTijani Professeur,TelecomSudParis,France Rapporteur
M. BONALDThomas Maîtredeconférences,TelecomParisTech,France Rapporteur
M. ALTMANEitan Directeurderecherche,INRIA,France Directeur
M. DEBBAHMérouane Professeur,Supelec,France Co-directeur
M. GESBERTDavid Professeur,Eurecom,France Examinateur
M. KUMARVinod Directeur,GlobalResearchPartnerships,
AlcatelLucent,France Examinateur
ThisdissertationiscarriedoutintheframeworkoftheINRIAandAlcatel-LucentBell
LabsJointResearchLabonSelfOrganizedNetworks.
Tomyparents,family,friendsandteachers.
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Part I
Prologue
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Preface
It was a warm February evening (2008) in Bangalore that I met Dr. Eitan Altman the
first time. He had just offered my wife, Kavitha, a post doc position at INRIA and
wantedtoknowwhatweremyplans. Iwasintendingtotakeasabbaticalfrommyjob
to support my wife’s research interests, when, he presented an irresistible offer: to be
hisstudent!. Adormantambition,adesiretolearnandthechallengesofanuntrodden
pathbeckonedmetoaworldofresearch. ItiswithgreatpleasurethatithankEitanfor
giving me this opportunity. His ideas, encouragement and support have gone a long
wayinunderstandingnewtopicsandtrendsinwirelessandnetworkingresearch.
IwouldliketothankDr. PhilippeNainforacceptingmeintotheMaestroGroupat
INRIA,SophiaAntipolisandencouragingmetoactivelyparticipateingroupmeetings,
conferencesandworkshops.
I would like to acknowledge Laurant Thomas for accepting me to be a part of the
INRIA-BellLabsinitiativeonSelfOrganizingNetworksandproposingaveryinterest-
ingandhappeningresearchtopic. IappreciateDr. VinodKumar’sencouragementand
initiative to make me feel comfortable and settle down with research as well as life in
France.
A fortnight into my arrival in France, i found a surprise mail. This opened up a
lot of new opportunities and dimensions in my research. Thank you Prof. Merouane
Debbahforbeingmythesisco-advisorandforyoursupportandencouragement.
Over the course of my thesis, i was introduced to Laurant Roullet. I would like to
acknowledge his interest and patience in understanding and encouraging me in my
research.
Innovationiskeyinanyresearchandidohopetofindsomeoftheideaspresented
inthisthesistofinduseinpractice. IwouldliketoacknowledgeDr. VeroniqueCapdev-
ille in showing interest in my research and encouraging me to participate in realizing
theseinpractice.
I would like to thank the administrative staff at INRIA, especially, Ephie Deriche
andLaurieVermeerschforbeingpatientwithourmanyqueriesandhelpingustoplan
visits to conferences and workshops. I would like to acknowledge the administrative
staff at LIA, specifically, Simone Mouzac and Jocelyne Gourret for taking care of our
daytodayrequirementsandactivities.
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I want to express my sincere gratitude to Prof. Tijani Chahed and Prof. Thomas
Bonald,whoacceptedtoreviewthemanuscriptandProf. DavidGesbertandDr. Vinod
Kumar, who accepted to be my thesis examiners. Thankyou for your patient reading,
valuablecommentstoimprovisethethesisandkindwordsofencouragement.
A review comment sparked a thought process which resulted in a flash survey to
find the top five innovations and advancements in the field of wireless communica-
tions in recent years. I would like to express my sincere thanks to many Professors,
colleagues,colloboratorsandacquaintanceswhotookpartandsharedtheirviews.
IwouldliketothankmycolleaguesinINRIA,LIAandSupelecformanyinteresting
discussions and words of encouragement. Special thanks go to Kostia, Tania, Rachid,
Yezekael, Sabir, Tembine, Julio, Sulan, Yuedong, Amar, Manjesh, Baslam, Habib, Wis-
sam,Romain,Alonso,Veronica,Leonardo,Antonia,Jakob,SalamandSubhashfortheir
technicalaswellasfriendlyinteractions.
AspecialmentionofMerciBeaucoupgoestoRichardCombesforhishelpinwriting
thethesisabstractinFrench(Résumé).
Averyspecialthankstomydaughter,Prajna,wholearntandtaughtmeFrench. Her
school,friendsandactivitiesmademyeverydaylifemorecolorful,joyousandfun,not
tomentionthefeelingofrevisitingmychildhood.
Coming back to Kavitha, she has been an inspiration which i couldn’t catch up!.
Her willingness and dedication to understand and learn is exemplary. She has been
a constant source of encouragement and help in understanding and solving many a
trickytwistsandturnsthatcameinthecourseofmyresearch. Ioweheralot.
Iwishtothankmyparents,sistersandtheirfamilies,myin-laws,fortheiruncondi-
tionedlove,encouragementandsupport.
Andthankstoallmyfriendsandrelativesfortheirloveandencouragementduring
thetenureofmystudies.
Sep2011,Avignon,France SreenathRamanath
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Résumé
Récemment, il y a eu une hausse massive du trafic dans les réseaux mobiles à cause
denouveauxservicesetapplications. Lesarchitecturesactuellesdesréseauxcellulaires
ne sont plus capables de gérer de façon satisfaisante ce trafic. Les Réseaux de Petites
Cellules (RPC), basées sur un déploiement dense de stations de bases portables, auto-
organisantesetefficacesentermesd’énergieapparaitcommeunesolutionprometteuse
àceproblème. LesRPCaugmententlacapacitéduréseau,réduisentsaconsommation
énergétique et améliorent sa couverture. Par contre, elles posent des défis importants
entermesdedesignoptimal.
Dans cette thèse, des aspects liés au design cellulaire et à l’allocation de ressources
danslesRPCsonttraités. Lathèsesecomposededeuxparties.
Dans la première partie, le design cellulaire est étudié: une population statique
d’utilisateurs est considérée, et la taille optimale de cellule maximisant le débit spa-
tial est donnée en fonction du modèle de récepteur, des conditions radio et des par-
titions indoor/outdoor. En considérant des utilisateurs mobiles, la taille de cellule
optimale est étudiée afin de minimiser le temps de service, et minimiser le blocage
et la déconnexion en cours de communication, en fonction de la vitesse des utilisa-
teurs et du type de trafic. Le problème de placement des stations de base optimal est
traité en fonction de différents critères de qualité (maximisation de débit total, équité
proportionnelle,minimisationdedélai,équitémax-min)pourdifférentesdistributions
d’utilisateursetpartitionsdecellules. LeproblèmedescalingdecapacitédansunRPC
limité par l’interférence avec pré-codage est étudié, et la quantité optimale d’antennes
par utilisateurs en fonction de l’interférence inter-cellules est dérivée. Dans le cadre
d’un réseau “green”, pour une charge du réseau donnée, on étudie les politiques op-
timales en boucle ouverte, afin de maximiser soit une fonction coût du système (con-
trôle centralisé) soit des fonctions de coût de chacune des stations de base (contrôle
distribué).
Danslasecondepartie,nousétudionsl’allocationderessources,nousintroduisons
les concepts de d’équité T-échelle et équité multi-échelle. Ces concepts permettent
de distribuer les ressources équitablement pour les différentes classes de trafic. Ces
concepts sont illustrés par des applications au partage de spectre et à l’allocation de
ressourcesdanslesfemto-cellulesindoor/outdoor. L’allocationdepuissancepoursat-
isfaire les demandes de trafic des utilisateurs avec un grand nombre d’interféreurs est
unetâchedifficile. Ceproblèmeestabordé,etnousproposonsunalgorithmeuniversel
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