Οι κινητές επικοινωνίες έχουν γίνει ένα καθημερινό αγαθό. Κατά τις τελευταίες δεκαετίες, εξελίχθηκαν από το να θεωρούνται μια ακριβή τεχνολογία για λίγους, στα σημερινά συστήματα που χρησιμοποιούνται απανταχού και από την πλειοψηφία του πληθυσμού του πλανήτη. Αυτό δημιουργεί υψηλές απαιτήσεις από τις τεχνολογίες ασύρματης πρόσβασης όσο αφορά κυρίως τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, τη καθυστέρηση και τη χωρητικότητα. Καθώς όμως η απόδοση ανά σύνδεσμο (link) πλησιάζει το θεωρητικό όριο στα τελευταίας γενιάς δίκτυα, το επόμενο άλμα επίδοσης στα ασύρματα δίκτυα αναμένεται να προέλθει από την εξελιγμένη εκμετάλλευση των διαθέσιμων πόρων. Η έννοια των ετερογενών δικτύων στα κινητά δίκτυα αφορά τη βελτίωση της φασματικής απόδοσης ανά μονάδα επιφανείας, χρησιμοποιώντας ένα μείγμα από μικροκυψέλες (macrocell, picocell, femtocell) και relay σταθμών βάσης. Τα ετερογενή δίκτυα επιτρέπουν ευέλικτη και χαμηλού κόστους υλοποίηση και προσφέρουν μια ομοιογενή ευρυζωνική πρόσβαση στους χρήστες ανεξάρτητα της θέσης τους στο δίκτυο.
Ενώ η τοποθέτηση των macrocell σταθμών βάσης σε ένα δίκτυο βασίζεται σε προσεκτικό σχεδιασμό, η τοποθέτηση των small cells μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο τυχαία (ad hoc), με βάση μόνο μια πρόχειρη γνώση των ζητημάτων της κάλυψης και της πυκνότητας της κυκλοφορίας στο δίκτυο. Τέτοια ετερογενή συστήματα θα είναι σημαντικά πιο περίπλοκα στην ανάπτυξή τους από ότι τα σημερινά δίκτυα και ως εκ τούτου απαιτούν απλές, προσαρμόσιμες και εύρωστες στρατηγικές ανάπτυξης σε σύγκριση με μια προσέγγιση ανάπτυξης συμβατικών υποδομών δικτύων κινητής τηλεφωνίας, ενώ για την ενίσχυση της απόδοσης και την εξαγωγή του μέγιστου οφέλους από τα δίκτυα αυτά, προηγμένες τεχνικές συντονισμού και μετάδοσης θα χρειαστούν.
Καθότι τα μελλοντικά δίκτυα πέμπτης γενιάς αναμένεται να περιλαμβάνουν πυκνότατες δομές small cells που θα εγκαθίστανται από απλούς χρήστες, η ρύθμιση των παραμέτρων μετάδοσης, προκειμένου να επιτύχουν την βέλτιστη απόδοση χωρίς να επηρεάζουν τα παρακείμενα δίκτυα, θα αναδειχτεί σε κρίσιμο παράγοντα στα κινητά δίκτυα. Παράλληλα και καθώς ο αριθμός των χρηστών και των σταθμών βάσεων θα πολλαπλασιάζεται, θα αναδεικνύεται ως κρίσιμος παράγοντας και η ενεργειακή απόδοση των δικτύων αυτών.
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, στόχος της παρούσης διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των μηχανισμών μετάδοσης και των τεχνικών ανάπτυξης σε ετερογενή δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων/μηχανισμών για τη βελτιστοποίηση τους. Πιο συγκεκριμένα στόχος μας είναι ο έξυπνος συντονισμός μεταξύ των σταθμών βάσης, οι καλύτερες στρατηγικές επιλογής εξυπηρετητή και οι πιο αποτελεσματικές μέθοδοι ακύρωσης των παρεμβολών με σκοπό σημαντικά οφέλη στην απόδοση και την εμπειρία του χρήστη και στις επιδόσεις των δικτύων όσο αφορά τη χωρητικότητα και την ενεργειακή κατανάλωση.
Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στα femtocells, που αποτελούν την χαμηλότερη βαθμίδα στα small cells ως προς την εμβέλεια και ισχύ, με αποτέλεσμα να συγκεντρώνουν εντονότερα και τα «προβληματικά» χαρακτηριστικά τους: πυκνότατες ad hoc εγκαταστάσεις ανά μονάδα επιφάνειας, εγκατάσταση από τον χρήστη και όχι από τον διαχειριστή του ευρύτερου δικτύου άρα και αδυναμία κεντρικού συντονισμού, και αποκλειστικότητα πρόσβασης στους ιδιοκτήτες άρα και υψηλά φαινόμενα παρεμβολών σε μη έχοντες πρόσβαση χρήστες. Προς αποφυγή των παραπάνω, εκμεταλλεύεται τη δυνατότητα υβριδικής πρόσβασης των σταθμών αυτών που επιτρέπουν την επιβολή ρυθμιζόμενων πολιτικών ως προς τους χρήστες (εγγεγραμμένους ή μη) που θα εξυπηρετήσουν αλλά και τους πόρους που θα διαθέσουν σε αυτούς. Πάνω σε αυτήν την ιδιότητα, καταρχήν αναπτύσσεται και αξιολογείται μηχανισμός βάση του οποίου καθορίζονται οι παράμετροι μετάδοσης και η διαχείριση των πόρων των εν λόγω femtocells με στόχο την μείωση παρεμβολών και την δικαιότερη κατανομή των πόρων αυτών.
Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε αλγόριθμος για πυκνές συστοιχίες femtocells βάση του οποίου καθορίζεται το ποσοστό του φάσματος που θα διατεθεί από τους femto σταθμούς βάσης στους μη εγγεγραμμένους χρήστες. Ο απώτερος στόχος του μηχανισμού βασίζεται στην ελαχιστοποίηση του αρνητικού αντίκτυπου των femtocells στους μη εξυπηρετούμενους από αυτούς χρήστες και η προσπάθεια αναπαραγωγής της επίδοσης των τελευταίων σε επίπεδα που απολάμβαναν πριν την εγκατάσταση του femtocell. Όταν λοιπόν κοντινό femtocell προκαλεί έντονες παρεμβολές σε έναν χρήστη, ο σταθμός βάσης μπαίνει σε υβριδική λειτουργία και ο καταμερισμός φάσματος καθορίζεται βάση των προηγούμενων μετρήσεων της ρυθμαπόδοσης του χρήστη. Οι εγγεγραμμένοι χρήστες διατηρούν πάντα προτεραιότητα στους πόρους του σταθμού βάσης, για αυτό και ο μηχανισμός δεν εγγυάται στους υπόλοιπους χρήστες την προηγούμενη απόδοση. Η σύγκλιση που επέφερε ο μηχανισμός ήταν σημαντική σε σενάρια πυκνών συστοιχιών που μελετήθηκαν.
Επιπλέον ως συνέχεια του παραπάνω μηχανισμού σε πυκνές συστοιχίες femtocells, αναπτύχθηκε μηχανισμός εξισορρόπησης της πτώσης απόδοσης εγγεγραμμένων χρηστών λόγω της μετάβασης από κλειστής πρόσβασης σε υβριδική λειτουργία. Ο μηχανισμός βασίστηκε στον έλεγχο ισχύος μεταξύ των σταθμών βάσης, προκειμένου να μετριαστεί η πτώση σε όσους σταθμούς λειτουργούν υβριδικά (άρα υφίστανται καταμερισμό φάσματος), μειώνοντας την ισχύ μετάδοσης σε γειτονικούς σταθμούς ώστε να μειωθούν οι παρεμβολές στους πρώτους. Πρόκειται για κατανεμημένη συνεργασία μεταξύ των σταθμών, με απώτερο αποτέλεσμα το βάρος εξυπηρέτησης μη εγγεγραμμένων χρηστών να κατανέμεται σε όλα τα γειτονικά femtocell, ώστε αντί ορισμένα μόνο εξ αυτών να υφίσταται μεγάλη μείωση, όλα τα μέλη του cluster να υφίστανται μικρή. Τα οφέλη του μηχανισμού είναι πολλαπλά. Πρώτον, σε καταστάσεις πολλαπλών κοντινών femtocells (συστοιχίες), οι συσσωρευμένες παρεμβολές μπορούν να στραγγαλίσουν έναν μη εγγεγραμμένο χρήστη. Η ελεγχόμενη υβριδική λειτουργία προσφέρει αφενός τους απαραίτητους πόρους, αφετέρου σέβεται τους δικαιωματικά σε προτεραιότητα χρήστες, ενώ προσαρμόζεται ευέλικτα στις καταστάσεις αντί της προσέγγισης σταθερού καταμερισμού. Δεύτερον, ο έλεγχος ισχύος σε καταστάσεις συστοιχιών προσφέρει ομοιογένεια και μικρότερες μεταπτώσεις στην επίδοση των εγγεγραμμένων χρηστών. Τρίτον, καθώς ο έλεγχος ισχύος γίνεται με σκοπό τη μείωση των παρεμβολών, γίνεται πάντα μειώνοντας την ισχύ μετάδοσης, γεγονός που μειώνει και το σύνολο των παρεμβολών.
Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε νέος αλγόριθμος, πάλι με στόχο την κατανομή πόρων σε συστοιχίες femtocells, ο οποίος όμως βασίζεται στην δημιουργία και ιεράρχηση ομάδων χρηστών. Οι ομάδες αποτελούνται από τους εγγεγραμμένους και μη εγγεγραμμένους χρήστες και τους εγγεγραμμένους χρήστες σε κάποιο άλλο femtocell-μέλος. Η εισαγωγή αυτή της τρίτης κατηγορίας χρηστών στην διατριβή αυτή μπορεί να θεωρηθεί ως μια επέκταση της βασικής ιδέας της υβριδικής πρόσβασης, προορισμένη για σενάρια όπου υπάρχει σταθερά μεγάλη κινητικότητα των χρηστών εντός μια περιοχής, και η οποία ορίζεται από κάποιο κοινό συμφέρον, όπως οι εργαζόμενοι στο κτίριο μια εταιρίας. Αυτό επιτρέπει την εναλλαγή των ενδιαφερόμενων χρηστών στα εμπλεκόμενα femtocells ανάλογα με τη θέση των χρηστών κάθε στιγμή και την προστασία χρηστών που υφίστανται υψηλές παρεμβολές. Ο αλγόριθμος επιτυγχάνει αύξηση της συνολικής χωρητικότητας που προσφέρουν όλα τα μέλη της συστοιχίας στους χρήστες τους, αύξηση των εξυπηρετούμενων χρηστών και προστασία του κύριου χρήστη των femtocells σεβόμενοι την προτεραιότητα πρόσβασης στους διαθέσιμους πόρους.
Τέλος, εξερευνώντας τρόπους για καλύτερη ενεργειακή απόδοση υιοθετούμε την γνωστή πρακτική της απενεργοποίησης των macrocell σταθμών βάσης (sleep mode) στο στρώμα των femtocells. Το sleep mode είναι μια ενδιάμεση κατάσταση χαμηλής ισχύος, κατά την οποία έχουν απενεργοποιηθεί μερικά από τα εξαρτήματα του femtocell. Βασισμένοι στην ιδέα ότι με κάθε νέα εγκατάσταση ενός femtocell κλειστής πρόσβασης, εμφανίζεται μεγάλη παρεμβολή στους κοντινούς χρήστες που με τη σειρά τους μπορεί να βρουν τη λύση της κακής επίδοσης σε ένα δικό τους femtocell κλειστής πρόσβασης, αυτό θα οδηγήσει σε ένα μεγάλο αριθμό femtocells αναπτυγμένο σε μια μικρή περιοχή. Ως εκ τούτου ο αριθμός τους θα αντικατοπτρίζει την αποκλειστικότητα της χρήσης από τους χρήστες και όχι τις απαιτήσεις τους σε ρυθμό δεδομένων. Υπό αυτό το πρίσμα, αναπτύχθηκε αλγόριθμος βάσει του οποίου σε ένα τέτοιο σύστημα, επιλέγονται κάποια femtocells να λειτουργήσουν σε sleep mode, αναδιανέμοντας τους χρήστες τους με τρόπο που θα είναι προς το συμφέρον των χρηστών (εγγεγραμμένων και μη), και του δικτύου, οδηγώντας σε μείωση παρεμβολών, εξυπνότερη κατανομή των χρηστών, βελτιωμένους ρυθμούς μετάδοσης και καλύτερη ενεργειακή απόδοση. Εξερευνώντας διαφορετικές πολιτικές όσο αφορά την επιλογή των σταθμών βάσης που θα απενεργοποιηθούν αλλά και το πότε ο μηχανισμός ενεργοποιείται, υπολογίζεται για όλες τις περιπτώσεις και για διάφορα σενάρια πυκνότητας των εγκαταστημένων femtocells η βελτίωση στην επίδοση όλων των εμπλεκομένων χρηστών και στην ενεργειακή απόδοση του δικτύου.
Mobile communications have become an everyday commodity. During the last decades, they evolved from being regarded as an expensive technology for a few to the current systems that are used worldwide and by the majority of the world's population. This creates high expectations by the wireless access technologies, especially regarding their capabilities for data transmission rates, delay and capacity. But as the data rate per link in the latest generation networks approaches the theoretical limit, the next performance leap in wireless networks is expected to come from the advanced utilization of available resources. The concept of heterogeneous networks in mobile networks aims to the improvement of the spectral efficiency per unit area, using a mix of macrocell, picocell, femtocell base stations and relay stations. Heterogeneous networks allow flexible and low-cost deployment and provide a homogeneous broadband experience to users regardless of their location in the network.
While macrocell base stations location in a network is determined by careful planning, the placement of small cells may be more or less ad hoc, based on a limited knowledge of the issues of coverage and density of traffic on the network. Such heterogeneous systems will be considerably more complex in their development than the current networks and therefore require simple, customizable and robust development strategies compared with deployments of conventional mobile network infrastructures, and advanced coordination and transmission techniques will be needed in order to enhance the efficiency and export the maximum benefits by these networks.
Since future fourth and fifth-generation networks are expected to comprise of dense small cells deployments that will be mostly installed by ordinary users, setting transmission parameters to achieve optimal performance without affecting the adjacent networks, emerges as a critical factor. At the same time, and as the number of users and base stations is increasing exponentially, the energy efficiency of these networks is emerging as a critical factor.
Considering the above, the aim of this thesis is to study the transmission mechanisms and the development of techniques in heterogeneous next generation mobile communications networks as well as the introduction of new methods/mechanisms for their optimization. More specifically, our goal is towards intelligent coordination between base stations, better strategies for station selection and effective methods for interference cancellation aimed to harvest significant benefits in user performance and experience and network capacity and energy consumption.
This thesis specially focuses on femtocells, which are the lowest rank in small cells in radius and power, thus strongly affected by their 'problematic' characteristics: dense ad hoc deployments per unit area, user installation rather than by a network administrator hence lack of central coordination, and exclusive access to owners and therefore high interference phenomena towards other users. Taking advantage of hybrid access mode of femtocells, which allows the imposition of policies with regard to which users (registered or not) will be served and the allocation of available resources, and the flexibility of 4G systems (LTE-Advanced) in spectrum management we first develop and evaluate a mechanism which defines the transmission parameters and the resource management of these femtocells in order to reduce interference and impose fairer distribution of these resources.
More specifically we developed an algorithm for dense femtocells deployments (clusters) which determines the amount of spectrum to be assigned by the stations to unregistered users. The ultimate aim of the mechanism is based on minimizing the negative impact of femtocells to macrocell users and trying to recreate the performance of the latter to levels enjoyed before femtocell installation. So when a proximal femtocell causes severe interference to a user, the base station enters hybrid mode and the spectrum allocation is determined based on the previous measurements of the user throughput. Registered users always retain priority to the base station’s resources, thus the mechanism does not guarantee other users' past performance, however, the convergence brought by the mechanism was found to be almost complete in dense scenarios.
In addition, following the above mechanism in clusters, we developed a mechanism to balance the performance drop in registered users due to the transition from restricted access to hybrid mode. The mechanism is based on power control between base stations in order to mitigate the decline in hybrid mode femtocells (which thus suffer by the spectrum allocation), reducing transmission power in adjacent stations to reduce interference to the former. It is a distributed collaboration between the stations, with the ultimate goal to spread the burden of non-registered users over all the neighboring femtocells. Thus, instead of some of them suffering a large reduction, all members of the cluster undergo small decrease. The benefits of the mechanism are multiple. First, in multiple femtocells installations, the accumulated interference can strangle an unregistered user. Controlled hybrid operation provides the necessary resources in those users while respecting rightfully prioritized owners, and it flexibly adapts to situations compared to the fixed allocation approach. Second, the power control in clusters offers homogeneity and smaller swings in performance of registered users. Thirdly, since the power control always happens downwards, and as a result the total interference is reduced.
Then, a new algorithm was developed, again with a view to allocating resources in femtocells clusters, which however, is based on the creation and prioritization of user groups. The groups consist of registered and non-registered users and registered users to a neighboring femtocell. The introduction of the third class of users in this thesis can be seen as an extension of the basic idea of the hybrid access, intended for scenarios where there is high mobility of users within a region, and which is defined by a common interest, such as employees in a building of a company. This allows stations to exchange users depending on their location and also to protect users who suffer from high interference. The algorithm achieves an increase of the overall capacity offered by the members of the cluster to their users, increases the number of served users and protects the subscribers of femtocells respecting their priority of access to available resources.
Finally, exploring ways for better energy efficiency we adopt the known practice of disabling macrocell base stations (sleep mode) in femtocells layer. Sleep mode is a medium state of low power, where femtocells have turned off only some of their components. Based on the idea that with every new deployment of a closed access femtocell, large interference appears on nearby users who they may find the solution of poor service to a closed access femtocell of their own. This will lead to a great number of femtocells deployed in a small area, where their number will reflect the exclusivity of usage by the users and not their demands on capacity. In this light, we developed an algorithm for such a case, where some femtocells are selected to operate in sleep mode, redistributing their users in a way that would be in the interests of users (registered or not), and the network, leading to reduced interference, smarter user allocation, improved data rates and better energy efficiency. Exploring different policies regarding which base stations will be disabled and when the transition will take place, we evaluate for all cases and for different density scenarios the improvement in the performance of all involved users and the energy savings of the network.
