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Cooperative Resource Allocation in Wireless Communication Networks

Ramos-Cantor, Oscar D. :
Cooperative Resource Allocation in Wireless Communication Networks.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6644]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6644

Kurzbeschreibung (Abstract)

The concept of cooperation where two or more parties work together to pursue a common goal, is applicable in almost every aspect of today's life. For instance, in the upcoming car-to-car communications, the vehicles exchange information regarding their current status and potential threats on the road in order to avoid accidents. With the evolution of the wireless communication systems and the advent of new services and devices with more capabilities, the demand for higher data rates is ever increasing.

In cellular networks, the achievable data rates of the users are limited by the inter-cell interference, which is caused by the simultaneous utilization of the time/frequency resources. Especially, the data rates of the users located at the vicinity of neighboring base stations is affected by the inter-cell interference. Hence, in this dissertation, cooperation in cellular communication downlink networks is investigated, where the base stations coordinate their operation in order to mitigate the impact of co-channel inter-cell interference. Thus, the constantly increasing user demand can be satisfied. Cooperative resource allocation schemes are derived, where practical conditions and side constraints regarding the available channel state information at the base stations are taken into account.

Cooperation in the form of power control and joint time/frequency scheduling is mainly studied. In the former type of cooperation, the base stations dynamically adjust their own transmit powers to cause less inter-cell interference to the users connected to neighboring base stations. In the case of cooperative scheduling, the available time/frequency resources are jointly allocated by the base stations in order to trade off user throughput and inter-cell interference. The cooperative scheduling schemes apply two special cases of the power control approach, where the base stations either serve their connected users with maximum transmit power, or abstain from transmitting data, i.e., muting, in order to reduce the interference caused to users served by neighboring base stations. One major contribution of this work is the formulation of the cooperative resource allocation problems by considering the availability of channel state information at the transmitter in form of data rate measurement reports, which follows standard compliant procedures of current mobile networks such as LTE and LTE-Advanced.

From a system perspective, two parameters are considered throughout this dissertation in order to derive the proposed cooperative schemes. These parameters are the cooperation architecture and the traffic model characterizing the demand of the connected users. In the case of the cooperation architecture, centralized and decentralized schemes are studied. In the former, a central controller performs the cooperative schemes based on global knowledge of the channel state information, and in the latter, the cooperative decisions are carried out independently per base station based on local information exchanged with adjacent base stations. It is expected that the centralized architecture provides the best performance, however, the gap with respect to the decentralized approaches reduces significantly under practical network assumptions, as demonstrated in this work based on numerical simulations. With respect to the traffic model, the user demand is characterized by full-buffer and non-full-buffer models. The first model is applied in order to assess the performance of the proposed cooperative schemes from a capacity enhancement perspective, where all users constantly demand as much data as possible. On the other hand, the non-full-buffer model represents a more practical network scenario with a dynamic utilization of the network resources. In the non-full-buffer model case, the proposed schemes are derived in order to improve the link adaptation procedures at the base stations serving users with bursty traffic. These link adaptation procedures, establish the transmission parameters used per serving link, e.g., the transmit power, the modulation and the coding schemes.

Specifically, a cooperative power control scheme with closed-form solution is derived, where base stations dynamically control their own transmit powers to satisfy the data rate requirements of the users connected to neighboring base stations. Moreover, centralized and decentralized coordinated scheduling with muting is studied to improve the user throughput. For the centralized case, an integer linear problem formulation is proposed which is solved optimally by using commercial solvers. The optimal solution is used as a benchmark to evaluate heuristic algorithms. In the case of decentralized coordinated scheduling with muting, a heuristic approach is derived which requires a low number of messages exchanged between the base stations in order to coordinate the cooperation. Finally, an integer linear problem is formulated to improve the link adaptation procedures of networks with user demand characterized by bursty traffic. This improvement results in a reduction of the transmission error rates and an increase of the experienced data rates. With respect to non-cooperative approaches and state-of-the-art solutions, significant performance improvement of the achievable user throughput is obtained as the result of applying the proposed cooperative schemes, especially for the users experiencing severe inter-cell interference.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Ramos-Cantor, Oscar D.
Titel: Cooperative Resource Allocation in Wireless Communication Networks
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

The concept of cooperation where two or more parties work together to pursue a common goal, is applicable in almost every aspect of today's life. For instance, in the upcoming car-to-car communications, the vehicles exchange information regarding their current status and potential threats on the road in order to avoid accidents. With the evolution of the wireless communication systems and the advent of new services and devices with more capabilities, the demand for higher data rates is ever increasing.

In cellular networks, the achievable data rates of the users are limited by the inter-cell interference, which is caused by the simultaneous utilization of the time/frequency resources. Especially, the data rates of the users located at the vicinity of neighboring base stations is affected by the inter-cell interference. Hence, in this dissertation, cooperation in cellular communication downlink networks is investigated, where the base stations coordinate their operation in order to mitigate the impact of co-channel inter-cell interference. Thus, the constantly increasing user demand can be satisfied. Cooperative resource allocation schemes are derived, where practical conditions and side constraints regarding the available channel state information at the base stations are taken into account.

Cooperation in the form of power control and joint time/frequency scheduling is mainly studied. In the former type of cooperation, the base stations dynamically adjust their own transmit powers to cause less inter-cell interference to the users connected to neighboring base stations. In the case of cooperative scheduling, the available time/frequency resources are jointly allocated by the base stations in order to trade off user throughput and inter-cell interference. The cooperative scheduling schemes apply two special cases of the power control approach, where the base stations either serve their connected users with maximum transmit power, or abstain from transmitting data, i.e., muting, in order to reduce the interference caused to users served by neighboring base stations. One major contribution of this work is the formulation of the cooperative resource allocation problems by considering the availability of channel state information at the transmitter in form of data rate measurement reports, which follows standard compliant procedures of current mobile networks such as LTE and LTE-Advanced.

From a system perspective, two parameters are considered throughout this dissertation in order to derive the proposed cooperative schemes. These parameters are the cooperation architecture and the traffic model characterizing the demand of the connected users. In the case of the cooperation architecture, centralized and decentralized schemes are studied. In the former, a central controller performs the cooperative schemes based on global knowledge of the channel state information, and in the latter, the cooperative decisions are carried out independently per base station based on local information exchanged with adjacent base stations. It is expected that the centralized architecture provides the best performance, however, the gap with respect to the decentralized approaches reduces significantly under practical network assumptions, as demonstrated in this work based on numerical simulations. With respect to the traffic model, the user demand is characterized by full-buffer and non-full-buffer models. The first model is applied in order to assess the performance of the proposed cooperative schemes from a capacity enhancement perspective, where all users constantly demand as much data as possible. On the other hand, the non-full-buffer model represents a more practical network scenario with a dynamic utilization of the network resources. In the non-full-buffer model case, the proposed schemes are derived in order to improve the link adaptation procedures at the base stations serving users with bursty traffic. These link adaptation procedures, establish the transmission parameters used per serving link, e.g., the transmit power, the modulation and the coding schemes.

Specifically, a cooperative power control scheme with closed-form solution is derived, where base stations dynamically control their own transmit powers to satisfy the data rate requirements of the users connected to neighboring base stations. Moreover, centralized and decentralized coordinated scheduling with muting is studied to improve the user throughput. For the centralized case, an integer linear problem formulation is proposed which is solved optimally by using commercial solvers. The optimal solution is used as a benchmark to evaluate heuristic algorithms. In the case of decentralized coordinated scheduling with muting, a heuristic approach is derived which requires a low number of messages exchanged between the base stations in order to coordinate the cooperation. Finally, an integer linear problem is formulated to improve the link adaptation procedures of networks with user demand characterized by bursty traffic. This improvement results in a reduction of the transmission error rates and an increase of the experienced data rates. With respect to non-cooperative approaches and state-of-the-art solutions, significant performance improvement of the achievable user throughput is obtained as the result of applying the proposed cooperative schemes, especially for the users experiencing severe inter-cell interference.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Nachrichtentechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Nachrichtentechnik > Nachrichtentechnische Systeme
Hinterlegungsdatum: 30 Jul 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6644
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-66441
Gutachter / Prüfer: Pesavento, Prof. Dr. Marius ; Papadias, Prof. Dr. Constantinos B.
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 18 Juli 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Das Konzept der Kooperation, in dem zwei oder mehr Parteien zusammenarbeiten, um ein gemeinsames Ziel zu verfolgen, ist auf fast jeden Aspekt des heutigen Lebens anwendbar. Zum Beispiel, in der kommenden Fahrzeug-zu-Fahrzeug (eng. car-to-car) Kommunikation Szenarien tauschen die Fahrzeuge Informationen über ihren aktuellen Status sowie potenzielle Bedrohungen auf der Straße aus, um Unfälle zu vermeiden. Mit der Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme, dem Aufkommen neuer Dienste sowie Geräten mit zusätzlichen Fähigkeiten steigt die Nachfrage nach höheren Datenraten an. In zellularen Mobilfunknetzen werden die erreichbaren Datenraten der Nutzer beschränkt durch die Inter-Zell-Interferenz, welche durch die gleichzeitige Nutzung von Zeit/Frequenz Ressourcen verursacht wird. Besonders die Datenraten derjenigen Nutzer werden beschränkt, die sich in der näheren Umgebung anderer Basisstationen befinden. Das ist der Ausgangspunkt dieser Arbeit, in der die Kooperation in zellularen Mobilfunknetzen für die Datenübertragung von Basis- zu Mobilstationen untersucht wird, insbesondere, um den Einfluss der Gleichkanal-Inter-Zell-Interferenz zu reduzieren, wodurch der ständig ansteigende Nutzerbedarf erfüllt werden kann. Kooperative Ressourcen-Zuteilungsverfahren werden hergeleitet, wobei praktische Gegebenheiten und Einschränkungen bezüglich der verfügbaren Kanalinformation an den Basisstationen berücksichtigt werden. Hauptsächlich wird dabei die Kooperation in der Form der Sendeleistungskontrolle und der gemeinsamen Zeit-/Frequenzplanung untersucht. In der ersten Art der Kooperation regeln die Basisstationen dynamisch ihre eigene Sendeleistung, um weniger Inter-Zell- Interferenz für Nutzer, die mit Nachbarbasisstationen verbunden sind, zu erzeugen. Im Fall der kooperativen Ressourcenzuweisung werden die Zeit-/Frequenzressourcen durch die Basisstationen gemeinsam zugeteilt um einen Kompromiss zwischen erreichbaren Nutzerdatenraten und Inter-Zell-Interferenzen zu erreichen. Die kooperativen Ressourcenzuweisungsverfahren wenden zwei Sonderfälle des Leistungskontrollverfahrens an. Hierbei bedienen die Basisstationen entweder ihre verbundenen Nutzer mit maximaler Sendeleistung, oder eine Datenübertragung wird unterdrückt (engl. muting), um die Interferenz für Nutzer, die durch benachbarte Basisstationen bedient werden, zu reduzieren. Ein Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die mathematische Formulierung der kooperativen Ressourcenzuteilungsprobleme unter Zuhilfenahme der verfügbaren Kanalinformation am Sender, in Form von Kontrollinformationen über die erreichbaren Datenraten, welche auf den Standardprozeduren der aktuellen Mobilfunkstandards wie LTE und LTE-Advanced basieren. Aus einer Systemperspektive werden in dieser Dissertation zwei Parameter betrachtet, um die vorgeschlagenen kooperativen Verfahren abzuleiten. Diese Parameter sind die Kooperationsarchitektur und das Verkehrsmodell zur Charakterisierung des Nutzerbedarfs. Im Falle der Kooperationsarchitektur werden zentralisierte und dezentralisierte Verfahren untersucht. In ersterer führt ein zentraler Controller die kooperativen Verfahren, basierend auf der Kenntnis der globalen Kanalinformation, aus und in letzterer werden die kooperativen Entscheidungen von den Basisstationen unabhängig gefällt, basierend auf lokalen Informationen, die mit den angrenzenden Basisstationen ausgetauscht werden. Es wird erwartet, dass eine zentralisierte Architektur die beste Leistungsfähigkeit bereitstellt, trotzdem reduziert sich der Unterschied signifikant in Bezug auf dezentralisierte Verfahren bei Berücksichtigung von Annahmen über praktische Netze, wie in dieser Arbeit basierend auf numerischen Simulationen gezeigt wird. Dabei wird der Nutzerbedarf durch Modelle mit voller und teilweiser Auslastung des Netzes charakterisiert. Das erste Modell wird angewandt, um die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen kooperativen Verfahrens aus Netzwerkkapazitätsperspektive einzuschätzen, wobei alle Nutzer gleichbleibend so viele Daten wie möglich anfordern. Im Gegensatz dazu repräsentieren die Modelle mit teilweiser, dynamischer Auslastung des Netzes ein eher realistisches Netzwerkszenario. Hier werden Verfahren abgeleitet, um die Linkanpassungsprozeduren durch die Basisstationen zu verbessern, die Nutzer mit ungleichmäßigem (engl. bursty) Verkehr bedienen. Die Linkanpassungsprozeduren konfigurieren die Übertragungsparameter pro bedientem Link, z. B. die Sendeleistung, die Modulationsverfahren und die Kodierungsverfahren. Im Detail wird ein kooperatives Leistungskontrollverfahren mit einer geschlossenen Form hergeleitet, wobei die Basisstationen ihre eigene Sendeleistung dynamisch anpassen, um die geforderten Datenraten der Nutzer, die mit den Nachbar-Basisstationen verbunden sind, zu erreichen. Außerdem wird zur Erhöhung der Datenraten der Nutzer eine zentralisierte und eine dezentralisierte koordinierte Ressourcenzuweisung inklusive möglicher Unterdrückung der Übertragung untersucht. Für den zentralisierten Fall wird die Formulierung eines ganzzahlig linearen Optimierungsproblems vorgeschlagen, welches durch die Benutzung kommerzieller Löser optimal gelöst wird. Die optimale Lösung wird als Maßstab zur Bewertung heuristischer Algorithmen genutzt. Im Fall der dezentralisierten koordinierten Planung mit möglicher Unterdrückung der Übertragung wird ein heuristisches Verfahren hergeleitet, welches nur einen geringen Nachrichtenaustausch zwischen den Basisstationen benötig, um die Kooperation zu koordinieren. Weiterhin wird ein ganzzahliges lineares Optimierungsproblem formuliert, um die Linkanpassungsprozeduren für Netzwerke mit dynamischem Verkehr zu verbessern. Das Ergebnis ist eine Reduzierung der fehlerhaft übertragenen Datenblöcke und ein Anstieg der von den Nutzern erfahrenen Datenraten. Im Vergleich zu unkoordinierten Systemen und Koordinationsverfahren nach dem Stand der Technik werden unter Anwendung des vorgeschlagenen kooperativen Verfahrens signifikante Verbesserungen der erreichbaren Datenraten der Nutzer erzielt, insbesondere für die Nutzer, die schwerwiegender Inter-Zell-Interferenz ausgesetzt sind.Deutsch
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