A novel radio resource management technique for interference management in lte-a heterogeneous networks

Abstract

Yeni nesil kablosuz ağların ortaya çıkmasıyla birlikte, kablosuz abonelerin sayısı ve bu sistemlerin sağladığı yüksek veri hızının yanında farklı servislere olan ilgi her geçen gün katlanarak artmaktadır. Bununla birlikte, böylesi bir artış bu ağlardaki bilhassa LTE-A kablosuz ağların hedef özelliklerinden birisi olan Heterojen Ağlardaki (HetNet) radyo kaynaklarının verimli bir şekilde kullanılmasını gerektirir. HetNet, makro hücreler, mikro hücreler, piko hücreler, ve femto hücreleri barındıran çok katmanlı bir hücresel kablosuz ağdır. Bir HetNet'de ağ trafiği bazı optimizasyon kriterlerine, politikalara, vb. kriterlere göre bu farklı hücreler tarafından paylaşılır. Öte yandan, HetNet'ler için kritik zorluklardan birisi böylesi parazit sınırlı bir ortamda radyo kaynaklarının verimli bir şekilde kullanılmasıdır. Yakın zamanda, Parçalı Frekans Tekrar Kullanımı (FFR) LTE-A HetNet ağlarda eş-katman ve çapraz-katman parazitleriyle başa çıkmak ve sistem başarımını arttırmak için ön plana çıkan radyo kaynak yönetim tekniklerinden birisi olarak ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte, radyo kaynaklarını daha verimli kullanmak, daha yüksek başarım ve daha iyi spektral verimlilik elde etmek için, LTE-A HetNet'lere yönelik yeni RRM tekniklerine hala ihtiyaç bulunmaktadır.Bu tezde, üç sektörlü ve üç katmanlı FFR (FFR-3SL) olarak adlandırdığımız, LTE-A HetNet'ler için yenilikçi bir RRM tekniği önermekteyiz. Önerilen FFR-3SL yönteminde, tüm makro hücre kapsama bölgesi merkez, orta, ve dış katmanlar olarak üç katmana ve ayrıca üç sektöre ayrıştırılmaktadır. Öte yandan, toplam mevcut bantgenişliği A, B, C, D, E, F ve G olarak yedi alt banta bölünmektedir. Alt bant 'G' yalnızca merkez katmandaki makro kullanıcılara tahsis edilirken, kalan altı alt bant ise makro kullanıcılar ve femto kullanıcılar tarafından kendilerine ayrılan bölgelerde paylaştırılmaktadır. Sonuçta, eş-katman ve çapraz-katman parazitleri ile öncelik durumuna göre başa çıkılmaktadır.FFR-3SL yönteminin performansını, sistem başarımı, spektral verimlilik, kullanıcı memnuniyeti, vb. ölçütler açısından değerlendirmek için bilgisayar benzetimleri yapılmıştır. Önerilen FFR-3SL yönteminin performansı aynı zamanda literatürdeki mevcut FFR yöntemleri ile karşılaştırılmaktadır. Sonuçlar, önerilen yöntem ile mevcut yöntemlere göre daha yüksek başarım ve daha iyi spektral verimlilik elde edildiğini göstermektedir. Buna ilave olarak, sistem verimliliği sinyalin parazit ve gürültüye oranı (SINR) değerleri açısından kullanıcı memnuniyetine göre iyileştirilmektedir. Bu tezde, aynı zamanda kullanıcı konum dağılımının (ULD) ve merkez, orta, ve dış katmanlardaki kullanıcı yoğunluklarının FFR-3SL yöntemine olan etkileri incelenmektedir. Bu koşulların etkisini dikkate alan güncellenmiş FFR-3SL yöntemi sunulmaktadır.

With the emergence of new generation wireless networks, the number of wireless subscribers and demand for different services along with high data rates provided by them are increasing exponentially each day. Such an increase, however, requires efficient utilization of radio resources in these networks, especially in Heterogeneous Networks (HetNets) which is one of the target specifications of Long Term Evolution Advanced (LTE-A) wireless networks. A HetNet is a multi-tier cellular wireless network including macrocells, microcells, picocells, and femtocells, and the network traffic is shared by these cells according to some optimization criteria, policy, etc. Though, one of the critical challenges for HetNets is the efficient utilization of radio resources in such an interference limited environment. Recently, Fractional Frequency Reuse (FFR) methods have appeared as one of the prominent Radio Resource Management (RRM) techniques for LTE-A HetNets to mitigate co-tier and cross-tier interferences and to increase system throughput. However, in order to efficiently use radio resources and to achieve higher throughput and better spectral efficiency in LTE-A HetNets, there is still a need for new RRM techniques.In this thesis, we propose a novel RRM technique for LTE-A HetNets, referred to as FFR with Three Sectors and Three Layers (FFR-3SL). In the proposed FFR-3SL method, the entire macrocell coverage area is split into three layers as central, middle and outer layers and three sectors. On the other hand, the total available bandwidth is divided into seven subbands such as A, B, C, D, E, F, and G. The subband 'G' is allocated to the macro users in the zones of central layer while the remaining six subbands are shared among the macro users and femto users in their respective zones. As a result, co-tier and cross-tier interferences are managed on a prior basis.Simulations are performed to evaluate the performance of the FFR-3SL method in terms of system throughput, spectral efficiency, and user satisfaction, etc. The performance of the proposed FFR-3SL method is also compared with the existing FFR methods in the literature. The results show that the proposed method achieves higher throughput and better spectral efficiency as compared to existing methods. Furthermore, the efficiency of the system is improved with regard to user satisfaction in terms of signal to interference and noise ratio (SINR) values. In this thesis, the effects of user location distribution (ULD) and the user densities in central, middle and outer layers on FFR-3SL method are also investigated. Modified FFR-3SL method is presented under these conditions.