Optimization of Resource Allocation in Small Cells Networks

155 Pages·2013·8.84 MB·English

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
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© [C. Hasan], [2013], INSA de Lyon, tous droits réservés
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OPTIMIZATION OF RESOURCE ALLOCATION IN SMALL CELLS
NETWORKS
HASAN CENGIS
A Green Networking Approach
August 2013 – Lyon
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HASANCengis:OptimizationofResourceAllocationinSmallCellsNetworks:A
GreenNetworkingApproach,©August2013
SUPERVISORS:
GORCEJean-Marie
ALTMANEitan
LOCATION:
Lyon
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to my lovely wife and daughter
as well as my family in Macedonia...
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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.
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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
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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.
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