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Optimization of Resource Allocation in Small Cells Networks PDF

155 Pages·2013·8.84 MB·English
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Numérod’ordre: Année2013 Thèse OPTIMIZATION OF RESOURCE ALLOCATION IN SMALL CELLS NETWORKS Àpresenterdevant L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUÉES DE LYON pourl’obtentiondu GARDE DE DOCTEUR Écoledoctorale:Électronique,ÉlectrotechniqueetAutomatique Spécialité:STICSanté par HASAN CENGIS (Ingénieur) Soutenuele29Août2013devantlaCommissiond’examen Jury M.BAS¸ARTamer Professeur,UniversityofIllinois, Rapporteur atUrbana-Champaign,États-Unis M.LASAULCESamson Directeurderecherche,CNRS,France Rapporteur M.GORCEJean-Marie Professeur,INSALyon,France Directeur M.ALTMANEitan Directeurderecherche,INRIA,France Co-directeur M.DEBBAHMérouane Professeur,Supélec,France Examinateur Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés OPTIMIZATION OF RESOURCE ALLOCATION IN SMALL CELLS NETWORKS HASAN CENGIS A Green Networking Approach August 2013 – Lyon Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés HASANCengis:OptimizationofResourceAllocationinSmallCellsNetworks:A GreenNetworkingApproach,©August2013 SUPERVISORS: GORCEJean-Marie ALTMANEitan LOCATION: Lyon Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés to my lovely wife and daughter as well as my family in Macedonia... Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés ABSTRACT The term “green networking” refers to energy-efficient networking technolo- gies and products, while minimizing resource usage as possible. This thesis targets the problem of resource allocation in small cells networks in a green networking context. We develop algorithms for different paradigms. We ex- ploittheframeworkofcoalitionalgamestheoryandsomestochasticgeometric toolsaswellasthecrowdinggamemodel. We first study the mobile assignment problem in broadcast transmission where minimal total power consumption is sought. A green-aware approach isfollowedinouralgorithms.Weexaminethecoalitionalgameaspectsofthe mobile assignment problem. This game has an incentive to form grand coali- tionwhereallplayersjointothegame.ByusingBondareva-Shapleytheorem, we prove that this coalitional game has a non-empty core which means that the grand coalition is stable. Then, we examine the cost allocation policy for differentmethods. In a second part, we analyze a significant problem in green networking called switching off base stations in case of cooperating service providers by meansofstochasticgeometricandcoalitionalgametools.Thecoalitionalgame herein considered is played by service providers who cooperate in switching offbasestations. We observed the Nash stability which is a concept in hedonic coalition for- mation games. We ask the following question: Is there any utility allocation methodwhichcouldresultinaNash-stablepartition?Weaddressthisissuein the thesis. We propose the definition of the Nash-stable core which is the set ofallpossibleutilityallocationmethodsresultinginstablepartitionsobtained accordingtoNashstability. Wefinallyconsidergamesrelatedtotheassociationofmobilestoanaccess point. The player is the mobile which has to decide to which access point to connect. We consider the choice between two access points or more, where theaccessdecisionsmaydependonthenumberofmobilesconnectedtoeach accesspoints.Weobtainednewresultsusingelementarytoolsfromcongestion andcrowdinggames. Last but not least, we extend our work to cooperative transmissions. We formulate the partner selection problem in cooperative relaying based on a matchingtheoreticapproach.Partnerselectionisdescribedasaspecialstable roommate problem where each player ranks its partners by some criterion. WeadaptedIrving’salgorithmfordeterminingthepartnerofeachplayer.We introducedadecentralizedversionoftheIrving’salgorithm. vii Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés RÉSUMÉ Leterme“réseauvert”oupouréviterunetraductiondirecte,“réseaupropre” repose sur la sélection de technologies et de produits réseaux économes en énergie, et grantissant un usage minimal des ressources (radio, bande pas- sante,...) quand cela est possible. Cette thèse vise à étudier les problèmes d’allocation des ressources dans les petits réseaux de cellules dans un con- texte de réseau propre. Nous développons des algorithmes pour différents paradigmes.Nostravauxreposentprincipalementsurlecontextedelathéorie desjeuxdecoalition,maiségalementsurdesoutilsdegéométriestochastique ainsiqued’unmodèledejeudesurpeuplement. Nousétudionstoutd’abordleproblèmed’associationdemobilesàdessta- tions de base dans les applications de diffusion d’un flux commun, sous con- traintedeminimisationdelaconsommationd’énergietotale:nosalgorithmes suiventuneapprochepréservantl’énergie.Nousexaminonsleproblèmed’asso- ciationdesmobilessousleprismedesjeuxdecoalition.Cejeutendàformerla grandecoalition,quisecaractériseparlefaitquetouslesjoueursformentune coalition unique. En utilisant le théorème de Bondareva-Shapley, nous prou- vonsquecejeudecoalitionaunnoyaunonvidecequisignifiequelagrande coalition est stable. Ensuite, nous examinons la politique de répartition des coûtspourdifférentesméthodes. Dansunedeuxièmepartie,nousanalysonsunproblèmeimportantdansles réseaux propres qui consiste à étteindre les stations de base qui ne sont pas indispensables.Nousabordonsceproblèmedefaconstatistique,danslecasde fournisseursdeservicescoopérantaumoyend’outilsdejeuxdecoalitionvus sous un angle de la géométrie stochastique. Le jeu coalitionnel considéré est joué par les fournisseurs de services qui collaborent à éteindre leurs stations debase. Nous avons analysé la stabilité de Nash qui est un concept utilisé pour les jeuxdecoalitionhédoniques.Nousposonslaquestionsuivante:Existe-t-ilune méthodederépartitiondelafonctiond’utilitèquisetraduitparunpartition- nementNash-stable?Nousrépondonsàcettequestiondanslathèse.Nousdé- montrons que le noyau Nash-stable, défini comme l’ensemble des méthodes derépartitiondescoutsconduisantàunpartitionnementstableausensdela stabilitédeNash. Nous considérons finalement les jeux liés à l’association des mobiles à un point d’accès non plus dans le cas d’un broadcast, mais dans le cas général. Le jeu consiste à décider à quel point d’accès un mobile doit se connecter. Nous considérons le choix entre deux points d’accès ou plus. Les décisions d’associationdépendentdunombredemobilesconnectésàchacundespoints d’accès. Nous obtenons de nouveaux résultats en utilisant des outils élémen- tairesdejeuxdecongestionetdéviction. Enfin,nousnousintéressonsauxtransmissionscoopératives.Nousétudions le problème de la sélection de partenaires dans le cas de constitution de bi- nomesgagnant-gagnant,ouchacundespartenaires’appuiesurl’autrepoursa propre transmission. Nous proposons d’assimiler la sélection des partenaires au problème classique en théorie des jeux de recherche stable de colocataire ix Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés où chaque joueur établi une liste de préférence parmi les partenaires possi- bles; Nous adaptons l’algorithme de Irving pour déterminer le partenaire de chaquejoueuretnousintroduisonsuneversiondécentraliséedel’algorithme deIrving. x Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2013ISAL0082/these.pdf © [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés

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targets the problem of resource allocation in small cells networks in a green networking context. We develop algorithms for different paradigms. We ex-.
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