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Distributed Radio Resource Allocation in Wireless Heterogeneous Networks PDF

178 Pages·2017·1.02 MB·English
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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 This Creative Commons license allows readers to download this work and share it with others as long as the 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 VI 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 VIII 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

Description:
cette thèse parce qu'ils fournissent un environnement riche pour modéliser le problème dans le ABSTRACT. This dissertation studies the problem of resource allocation in the radio access network of het- self-organization, albeit with adapted incentives and equilibria to fit the wireless environ
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