Cooperation strategies for inter-cell interference mitigation in OFDMA systems

Les stratégies de coopération inter-cellules pour l'atténuation des interférences dans les systèmes OFDMA

• Auteur / Autrice : Reben Kurda
• Direction : Lila Boukhatem, Tara Ali Yahiya
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/03/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Informatique de Paris-Sud
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Rougier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lila Boukhatem, Tara Ali Yahiya, Jean-Louis Rougier, Thi-Mai-Trang Nguyen, Anne Wei-Liu, André-Luc Beylot, Véronique Vèque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thi-Mai-Trang Nguyen, Anne Wei-Liu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique mobile

GSM (radiotéléphonie)

LTE (norme)

Mots clés libres

LTE-A

Hetnet

Ajustement de puissance

Prédiction de la mobilité

Qualité de service

Atténuation des interférences

LTE-A

HetNet

Power adjustment

Mobility prediction

Quality of Service

Quality of Service

Résumé

Récemment, l'utilisation des réseaux cellulaires a radicalement changé avec l’émergence de la quatrième génération (4G) de systèmes de télécommunications mobiles LTE/LTE-A (Long Term Evolution-Advanced). Les réseaux de générations précédentes (3G), initialement conçus pour le transport de la voix et les données à faible et moyen débits, ont du mal à faire face à l’augmentation accrue du trafic de données multimédia tout en répondant à leurs fortes exigences et contraintes en termes de qualité de service (QdS). Pour mieux répondre à ces besoins, les réseaux 4G ont introduit le paradigme des Réseaux Hétérogènes (HetNet).Les réseaux HetNet introduisent une nouvelle notion d’hétérogénéité pour les réseaux cellulaires en introduisant le concept des smalls cells (petites cellules) qui met en place des antennes à faible puissance d’émission. Ainsi, le réseau est composé de plusieurs couches (tiers) qui se chevauchent incluant la couverture traditionnelle macro-cellulaire, les pico-cellules, les femto-cellules, et les relais. Outre les améliorations des couvertures radio en environnements intérieurs, les smalls cells permettent d’augmenter la capacité du système par une meilleure utilisation du spectre et en rapprochant l’utilisateur de son point d’accès au réseau. Une des conséquences directes de cette densification cellulaire est l’interférence générée entre les différentes cellules des diverses couches quand ces dernières réutilisent les mêmes fréquences. Aussi, la définition de solutions efficaces de gestion des interférences dans ce type de systèmes constitue un de leurs défis majeurs. Cette thèse s’intéresse au problème de gestion des interférences dans les systèmes hétérogènes LTE-A. Notre objectif est d’apporter des solutions efficaces et originales au problème d’interférence dans ce contexte via des mécanismes d’ajustement de puissance des petites cellules. Nous avons pour cela distingués deux cas d’étude à savoir un déploiement à deux couches macro-femtocellules et macro-picocellules. Dans la première partie dédiée à un déploiement femtocellule et macrocellule, nous concevons une stratégie d'ajustement de puissance des femtocellules assisté par la macrocellule et qui prend en compte les performances des utilisateurs des femtocells tout en atténuant l'interférence causée aux utilisateurs des macrocellules sur leurs liens montants. Cette solution offre l’avantage de la prise en compte de paramètres contextuels locaux aux femtocellules (tels que le nombre d’utilisateurs en situation de outage) tout en considérant des scénarios de mobilité réalistes. Nous avons montré par simulation que les interférences sur les utilisateurs des macrocellules sont sensiblement réduites et que les femtocellules sont en mesure de dynamiquement ajuster leur puissance d'émission pour atteindre les objectifs fixés en termes d’équilibre entre performance des utilisateurs des macrocellules et celle de leurs propres utilisateurs. Dans la seconde partie de la thèse, nous considérons le déploiement de picocellules sous l'égide de la macrocellule. Nous nous sommes intéressés ici aux solutions d’extension de l’aire picocellulaire qui permettent une meilleure association utilisateur/cellule permettant de réduire l’interférence mais aussi offrir une meilleure efficacité spectrale. Nous proposons donc une approche basée sur un modèle de prédiction de la mobilité des utilisateurs qui permet de mieux ajuster la proportion de bande passante à partager entre la macrocellule et la picocellule en fonction de la durée de séjour estimée de ces utilisateurs ainsi que de leur demandes en bande passante. Notre solution a permis d’offrir un bon compromis entre les débits réalisables de la Macro et des picocellules.

Recently the use of modern cellular networks has drastically changed with the emerging Long Term Evolution Advanced (LTE-A) technology. Homogeneous networks which were initially designed for voice-centric and low data rates face unprecedented challenges for meeting the increasing traffic demands of high data-driven applications and their important quality of service requirements. Therefore, these networks are moving towards the so called Heterogeneous Networks (HetNets). HetNets represent a new paradigm for cellular networks as their nodes have different characteristics such as transmission power and radio frequency coverage area. Consequently, a HetNet shows completely different interference characteristics compared to homogeneous deployment and attention must be paid to these disparities when different tiers are collocated together. This is mostly due to the potential spectrum frequency reuse by the involved tiers in the HetNets. Hence, efficient inter-cell interference mitigation solutions in co-channel deployments of HetNets remain a challenge for both industry and academic researchers. This thesis focuses on LTE-A HetNet systems which are based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) modulation. Our aim is to investigate the aggressive interference issue that appears when different types of base stations are jointly deployed together and especially in two cases, namely Macro-Femtocells and Macro-Picocells co-existence. We propose new practical power adjustment solutions for managing inter-cell interference dynamically for both cases. In the first part dedicated to Femtocells and Macrocell coexistence, we design a MBS-assisted femtocell power adjustment strategy which takes into account femtocells users performance while mitigating the inter-cell interference on victim macrocell users. Further, we propose a new cooperative and context-aware interference mitigation method which is derived for realistic scenarios involving mobility of users and their varying locations. We proved numerically that the Femtocells are able to maintain their interference under a desirable threshold by adjusting their transmission power. Our strategies provide an efficient means for achieving the desired level of macrocell/femtocell throughput trade-off. In the second part of the studies where Picocells are deployed under the umbrella of the Macrocell, we paid a special attention and efforts to the interference management in the situation where Picocells are configured to set up a cell range expansion. We suggest a MBS-assisted collaborative scheme powered by an analytical model to predict the mobility of Macrocell users passing through the cell range expansion area of the picocell. Our goal is to adapt the muting ratio ruling the frequency resource partitioning between both tiers according to the mobility behavior of the range-expanded users, thereby providing an efficient trade-off between Macrocell and Picocell achievable throughputs.