Optimal and practical handover decision algorithms in heteregeneous macro-femto cellular networks

Abstract

Akıllı telefon/tablet devriminin etkisi ve yüksek bantgenişliğine ihtiyaç duyan bulut bilişim ve duraksız video gibi uygulamaların yaygınlaşmasıyla beraber yüksek hızlı kablosuz iletişime duyulan talep yıldan yıla ciddi oranda artmaktadır. Abonelerden gelen bu talep artışını karşılamak için kablosuz şebeke operatörleri klasik makro erişim sistemlerini microcell, dağıtık antenler ve atlama noktaları gibi ilave ekipmanlarla zenginleştirme yoluna gitmektedir. Düşük maliyetli, alternatif bir şebeke genişletme aracı ise iç mekanlardaki erişim kapasitesi ve kapsamasını iyileştiren, son kullanıcı tarafından kurulan femtocell yapılarıdır. Femtocell'ler düşük yayın gücüne sahip, dar kapsama alanlı (100 metreye kadar) ve operat?örün lisanslı bandını kullanan hücresel kablosuz erişim noktalarıdır. Femtocell erişim noktaları son kullanıcıya fiziksel yakınlıkları sayesinde daha üst seviyede servis kalitesi ve uzamsal tayf geri kullanımı sağlamaktadırlar. Ayrıca sözkonusu sistemler, makro hücresel şebekesinin çağrı/oturum iletme yükünü hafifletmek ve operasyonel/yatırım maliyetlerini azaltmak noktasında da faydalı olmaktadır.Femtocell'ler makro düğümlerden oluşan standart hücresel şebekeyle aynı ortamda ve etkileşim halinde çalışmaktadır. Oluşan kombine yapıda yüksek sayıda femtocell erişim noktası (FAP) makro baz istasyonlarının kapsama alanında rasgele denilebilecek şekilde devreye alınmaktadır. Bununla birlikte makro-femto birleşik yapısının kaynak ve hareketlilik yönetimi açısından halen çözülmeyi bekleyen sorunlara yolaçtığı gözlenmiştir. FAP cihazlarının merkezi kontrol/planlama olmadan devreye alınması ile makro-femto şebekeleri arasındaki asimetrik şekilde yapılanmış radyo haberleşmesi ve çağrı işleme yetenekleri bu sorunların başlıca nedenleridir. FAP sistemlerinin kapalı mekana özel olarak ve makro hücresel yapıyla koordine olmadan yayın yapması kaynak/hareketlilik yönetimi yapıları tarafından yönetilmesi gereken ciddi girişim sorunları ortaya çıkarmaktadır. Ayrıca hareketlilik yönetimi kararlarının femtocell'lerdeki kaynak kısıtlarını ve aktif son kullanıcıların hareketlilik durumunu dikkate alması gerekmektedir. Bahsedilen faktörlerin ihmal edilmesi, makro-femto birleşik şebekesindeki geçiş (handover) olaylarının iyi yönetilmemesine, sinyalleşme trafiğinin gecikmesine ve çağrı/bağlantı kalitesinin düşmesine neden olacak, dolayısıyla müşteri tatmininde azalmaya yolaçacaktır.Yukarıda bahsedilen potansiyel sorunları çözmek için makro-femto şebekelerindeki geçiş karar yapısı, çok-hedefli doğrusal olmayan bir eniyileme problemi olarak formüle edilmiştir. Sözkonusu problemin bilinen bir analitik çözümü bulunmadığından, kolay gerçeklenebilen MKS (Markov Karar Süreci) bazlı bir buluşsal yöntem (heuristic), pratik ve eniyilenmiş geçiş karar yapısı olarak önerilmiştir. Bu buluşsal yöntem döngülü şekilde güncellenmiş ve iyileştirilmiş ayrıca buluşsal yöntemin bazı bileşenlerini kullanan bir dinamik SON algoritması tarafından da desteklenmiştir. Benzetimle elde edilen deneysel sonuçlar MKS bazlı algoritmaya dayanan geçis kararlarının makro şebekesinin yükünü azaltmakta ve istenmeyen şebeke olaylarını en aza indirmede literatürde mevcut geçiş karar algoritmalarına göre belirgin şekilde daha başarılı olduğunu göstermektedir.

Driven by the smart tablet/phone revolution and the proliferation of bandwidth hungry applications such as cloud computing and streaming video, the demand for high data rate wireless communication is increasing tremendously. In order to meet the increasing demand from subscribers, wireless operators are in the process of augmenting their macrocell network with supplemental infrastructure such as microcells, distributed antennas and relays. An alternative with lower upfront costs is to improve indoor coverage and capacity by using end-consumer installed femtocells. A femtocell is a low power, short range (up to 100 meters coverage radius) cellular wireless access point (AP), functioning in service provider owned licensed spectrum. Due to the proximity of end users to the femtocell access points, APs are able to provide higher end-user QoE and better spatial reuse of limited spectrum. Femtocells are useful in offloading the macro-cellular network as well as reducing the operating and capital expenditure costs for operators.Femtocells coexist with legacy cellular networks consisting of macrocells. In this emerging combined architecture, large number of Femtocell Application Point (FAPs) is randomly deployed in the coverage area of macro BSs. However, several problems related to MM (mobility management) and RM (resource management) in this combined architecture still remain to be solved. The ad hoc deployment of FAPs and asymmetric radio communication and call processing capabilities between macro-femto networks are the primary causes of these problems. Uncoordinated deployment of FAPs providing indoor oriented wireless access service within the macro coverage may cause severe interference problems that need to be mitigated and handled by RM/MM schemes. The MM decisions should take into account the resource constraints and UE mobility in order to prevent unnecessary or undesirable handovers towards femtocells. Ignoring these factors in MM decisions may lead to low customer satisfaction due to mismanagement of handover events in the combined macro-femto network, delayed signaling traffic and unsatisfactory call/connection quality.In order to address all of the aforementioned issues, the handover decision problem in combined femto-macro networks has been formulated as a multi-objective non-linear optimization problem. Since there are no known analytical solution to this problem, an MDP (Markov Decision Process) based heuristic has been proposed as a practical and optimal HO (handover) decision making scheme. This heuristic has been updated and improved in an iterative manner and has also been supported by a dynamic SON (Self Organizing Networks) algorithms that is based on heuristic's components. The performance results show that the final version of MDP based heuristic has significantly superior performance in terms offloading the macro network, minimizing the undesirable network events (e.g. outage and admission rejection) when compared to state-of-art handover algorithms.