Distributed Radio Resource Allocation in Wireless Heterogeneous Networks

178 Pages·2017·1.02 MB·English

Distributed Radio Resource Allocation in Wireless
Heterogeneous Networks
by
Mathew Pradeep GOONEWARDENA
MANUSCRIPT-BASED THESIS PRESENTED TO ÉCOLE DE
TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY
Ph. D.
MONTREAL, APRIL 12, 2017
ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC
MathewPradeepGOONEWARDENA,2017
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authoriscredited. Thecontentofthisworkcannotbemodifiedinanywayorusedcommercially.
BOARDOFEXAMINERS
THISTHESISHASBEENEVALUATED
BYTHEFOLLOWINGBOARDOFEXAMINERS:
Mr.WessamAjib,ThesisSupervisor
DepartmentofComputerScience,UniversitéduQuébecàMontréal
Ms.NadjiaKara,PresidentoftheBoardofExaminers
DepartmentofSoftwareandITEngineering,ÉcoledeTechnologieSupérieure
Mr.FrançoisGagnon,Memberofthejury
DepartmentofElectricalEngineering,ÉcoledeTechnologieSupérieure
Mr.WalidSaad,ExternalExaminer
BradleyDepartmentofElectricalandComputerEngineering,VirginiaTech
THISTHESIS WASPRESENTEDANDDEFENDED
INTHEPRESENCEOFABOARDOFEXAMINERSANDTHEPUBLIC
ONAPRIL04,2017
ATÉCOLEDETECHNOLOGIESUPÉRIEURE

ACKNOWLEDGEMENTS
First and foremost I would like to thank my doctoral advisor Professor Wessam Ajib for his
amazing wisdom, patience, encouragement, and financial support that made this dissertation
possible. I would also like to thank my parents who raised me with immense love and showed
metheimportanceofknowledgeandforbeingmybiggestsupport. Aspecialacknowledgment
also goes to Dr. Halima Elbiaze, Dr. Robert Sabourin, and Dr. Nandana Rajatheva for their
adviceandsupportthroughoutmydoctoralstudies. Also,Iacknowledgetheinputoftheboard
ofexaminersinrevisingthefinalversionofthisthesis.
This thesis could not have been accomplished without the help of many individuals. I take
thisopportunitytospecificallyacknowledgethesupportoffollowingpersonswhohavehelped
me with their knowledge: Dr. Paweł Góra, Dr. Adrian Vetta, Dr. Lea Popovic, Dr. Federico
Poloni, and Dr. Yuval Filmus. In addition, I want to thank Dr. Xin Jin, Ms. Hoda Akbari,
Dr. Animesh Yadav, Dr. Samir Perlaza, and Mr. Mlika Zoubeir for their collaborations as
co-authors in my publications. I must also acknowledge Mr. Mlika Zoubeir for his help in
proofreading the French language abstract and Ms. Lynn Nguyen for her help in proofreading
thisthesis.
IwouldalsoliketothankthemembersoftheresearchteamattheTRIMlaboratoryofUQÀM.
I have learned from and appreciated the support of each member. It was a delight to be part of
such a dynamic, friendly, and intellectually diverse team. I also extend my heartfelt gratitude
totheadministrationandlibrarystaffofÉTS,UQÀM,McGillUniversity,andConcordiaUni-
versity for the help they have provided in understanding the administrative procedures and in
conductingmyresearch.
IacknowledgeteachersfrommyschooldaysinSriLanka,professorsatUniversityofMoratuwa,
SriLankawhereIreceivedmyBachelorofEngineeringdegreeandprofessorsatAsianInstitute
of Technology (AIT), Thailand and at Telecom sudParis, France where I obtained my Master
ofEngineeringdegree. Thankyoutomydearestbrotherwhohasstoodbymethroughalltrials
andallofmyrelativesandfriendsbackinSriLankafortheirsupport,encouragement,andfor
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believing in me. I also acknowledge the special friends I have made in Montréal during the
periodofdoctoralstudies: Mr. SebastianKobiela,Ms. MariaAguirre,Mr. AndyVersluis,and
Dr. Khalil Laghari. Life far from home would not have been easy if not for these wonderful
people.
ALLOCATIONDISTRIBUÉEDESRESSOURCESDANSLESRÉSEAUXSANSFIL
HÉTÉROGÈNE
MathewPradeepGOONEWARDENA
RÉSUMÉ
Cette thèse étudie le problème d’allocation des ressources dans la partie d’accès radio des
réseaux hétérogènes à petites cellules (en anglais Heteregeneous and Small-cell Networks,
HetSNets). Un HetSNet est construit en introduisant des petites cellules, dans une zone géo-
graphiquedesservieparunréseaumacro-cellulairebienstructuré. Lespetitescellulesutilisent
les mêmes bandes de fréquence que celui du réseau macro-cellulaire et opèrent ainsi dans un
régime limité en interférence. Par la suite, une allocation complexe des ressources radio est
nécessaire afin de bien gérer l’interférence et améliorer l’efficacité spectrale du réseau. Afin
de résoudre ce problème, plusieurs approches centralisées ou distribuées ont été proposées
dans la littérature. Cette thèse se concentre sur l’approche distribuée basée sur le paradigme
des réseaux auto-organisés. Plus précisement, elle développe des modèles et des algorithmes
d’allocation de ressources en faisant appel à la théorie des jeux et à la théorie d’apprentissage.
Bien que cette approche distribuée du paradigme des réseaux auto-organisés peut donner des
résultats sous optimaux par rapport à l’approche centralisée, elle est hautement évolutive et
tolèrelespannes.
Leproblèmed’allocationdesressourcescomporteplusieursfacettequivarientselonl’applicat-
ion,laméthodologiedelasolutionetletypedesressources. Parconséquent,cettethèsesecon-
centre sur quatre sous-problèmes qui ont été choisis en raison de leur importance. La théorie
desjeuxainsiquelathéoriedesmécanismesd’incitationsontlesprincipauxoutilsutilisésdans
cettethèseparcequ’ilsfournissentunenvironnementrichepourmodéliserleproblèmedansle
cas du paradigme des réseaux auto-organisés. Premièrement, le problème de l’accès du canal
orthogonal sur la liaison montante est considéré. Deux variantes de ce problème sont mod-
élisées comme des jeux bayésiens non coopératifs et l’existence d’équilibre symétrique pure
bayésien de Nash est démontré pour chacun. Deuxièmement, cette thèse considère les jeux
enformedesatisfactionetétudieleurséquilibresgénéralisés(enanglaisGeneralizedSatisfac-
tion Equilibrium, GSE). Chaque joueur (ou utilisateur sans fil) a une contrainte à satisfaire et
le GSE présente un profil de stratégies mixtes à partir duquel aucun joueur insatisfait ne peut
unilitéralement dévier à la satisfaction. L’objectif dans ce cas est de développer un équilibre
alternatif pour modéliser les utilisateurs sans fil. L’existence du GSE, sa complexité, et sa
performance par rapport à l’équilibre de Nash sont discutés. Troisèmement, la thèse introduit
desmécanismesdevérificationafindegarantiruneauto-organisationdynamiquedanslesHet-
SNets. L’objectifprincipalestderemplacerlestechniquesdetransfertmonétaireutiliséesdans
la littérature actuelle. Dans un réseau sans fil, certaines informations privées des utilisateurs,
tellesqueletauxd’erreurparblocetlaclassed’application,peuventêtrevériféesauxniveaux
des petites cellules. Cette vérification peut être utilisée pour menacer les faux rapports avec
étranglement backhaul. Par conséquent, les utilisateurs apprennent l’équilibre véridique au fil
dutempsenobservantlesrécompensesetlespunitions. Enfin,lathèsemodéliseleproblèmede
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contrôle d’admission avec des contraintes sur le débit des utilisateurs comme un jeu bayésien
dans le cas d’un canal d’interférence à accès mutiple. Ce problème est démontré d’avoir au
moinsunéquilibrebayésiendeNash.
Les résultats obtenus dans cette thèse démontrent que l’auto-organisation peut être utilisée
d’unemanièreefficacedanslesHetSNets. Toutefois,cesderniersdoiventfaireappelàdesmé-
canismes d’incitations, de punitions et d’équilibres spécialemment adaptés à l’environnement
sans fil. Afin d’élargir ces résultats, des futurs problématiques de recherche sont identifés à la
findecedocument.
Motsclés: Petitescellules,Théoriedesjeux,Auto-organisation,Réseauxsansfilhétérogène,
Théoriedesmécanismesd’incitation
DISTRIBUTEDRADIORESOURCEALLOCATIONINWIRELESS
HETEROGENEOUSNETWORKS
MathewPradeepGOONEWARDENA
ABSTRACT
Thisdissertationstudiestheproblemofresourceallocationintheradioaccessnetworkofhet-
erogeneous small-cell networks (HetSNets). A HetSNet is constructed by introducing small-
cells(SCs)toageographicalareathatisservedbyawell-structuredmacrocellnetwork. These
SCs reuse the frequency bands of the macro-network and operate in the interference-limited
region. Thus, complex radio resource allocation schemes are required to manage interference
and improve spectral efficiency. Both centralized and distributed approaches have been sug-
gested by researchers to solve this problem. This dissertation follows the distributed approach
undertheself-organizingnetworks(SONs)paradigm. Inparticular,itdevelopsgame-theoretic
and learning-theoretic modeling, analysis, and algorithms. Even though SONs may perform
subpartoacentralizedoptimalcontroller,theyarehighlyscalableandfault-tolerant.
There are many facets to the problem of wireless resource allocation. They vary by the appli-
cation, solution, methodology, and resource type. Therefore, this thesis restricts the treatment
to four subproblems that were chosen due to their significant impact on network performance
and suitability to our interests and expertise. Game theory and mechanism design are the
maintoolsusedsincetheyprovideasufficientlyrichenvironmenttomodeltheSONproblem.
Firstly, this thesis takes into consideration the problem of uplink orthogonal channel access in
adenseclusterofSCsthatisdeployedinamacrocellservicearea. Twovariationsofthisprob-
lem are modeled as noncooperative Bayesian games and the existence of pure-Bayesian Nash
symmetric equilibriaare demonstrated. Secondly, thisthesis presentsthe generalized satisfac-
tion equilibrium (GSE) for games in satisfaction-form. Each wireless agent has a constraint to
satisfyandtheGSEisamixed-strategyprofilefromwhichnounsatisfiedagentcanunilaterally
deviate to satisfaction. The objective of the GSE is to propose an alternative equilibrium that
is designed specifically to model wireless users. The existence of the GSE, its computational
complexity,anditsperformancecomparedtotheNashequilibriumarediscussed.
Thirdly, this thesis introduces verification mechanisms for dynamic self-organization of wire-
lessaccessnetworks. Themainfocusofverificationmechanismsistoreplacemonetarytrans-
fers that are prevalent in current research. In the wireless environment particular private infor-
mation of the wireless agents, such as block error rate and application class, can be verified
at the access points. This verification capability can be used to threaten false reports with
backhaul throttling. The agents then learn the truthful equilibrium over time by observing the
rewardsandpunishments. Finally,theproblemofadmissioncontrolintheinterfering-multiple-
access channel with rate constraints is addressed. In the incomplete information setting, with
compactconvexchannelpowergains,theresultingBayesiangamepossessesatleastonepure-
BayesianNashequilibriuminon-offthresholdstrategies.
X
The above-summarized results of this thesis demonstrate that the HetSNets are amenable to
self-organization, albeit with adapted incentives and equilibria to fit the wireless environment.
Furtherresearchproblemstoexpandtheseresultsareidentifiedattheendofthisdocument.
Keywords: Heterogeneous networks, Game Theory, Self-organization, Mechanism design,
GeneralizedSatisfactionEquilibrium,VerificationMechanisms