Femtocell desing for data communications in mobile networks

Abstract

Gelişmekte olan akıllı telefon teknolojisi ve uygulamaları, kullanıcıların daha fazla veriye daha hızlı ulaşma ihtiyacına sevk etmektedir. Kullanıcıların sosyal paylaşım sitelerine olan ilgisi, bu siteler aracılığı ile fotoğraf ve video paylaşımı, başkaları tarafından paylaşılmış fotoğraf ve yüksek çözünürlükteki videoların mobil aygıtlarda görüntülenmek istenmesi ve bütün bunların çok kısa sürede olup kullanılan aygıtın pil ömrünün uzun olması beklenmektedir. Literatürde yapılmış araştırmalar ve telekomünikasyon servis sağlayıcılarının raporlarına göre, bu isteklerin büyük çoğunluğu kapalı yaşam alanları olan ev, ofis, restoran vb. yerlerde gerçekleşmektedir. Sinyal gücünün zayıf olduğu bu alanlarda kullanıcılara yüksek hızlarda veri sağlayabilmek için operatörler kapsama alanlarını ve kapasitelerini arttırmaya yönelik çalışmalar yapmaktadırlar. Bu çalışmaların başlıca olanı kullanıcı mobil istasyonu ile bağlı olduğu operatöre ait baz istasyonu arasındaki mesafeyi azaltarak veri hızını, baz istasyonu sayısının artmasıyla da mevcut kapasiteyi attırarak kullanıcıya istediği düzeyde hizmet sağlamaktır. Femto hücre olarak adlandırılan ve aynı zamanda ev baz istasyonu olarak da bilinen teknoloji, belirli sayıdaki kapalı alan kullanıcılarına yüksek hızlarda veri transferi ve operatöre daha iyi kapsama alanı sağlamaktadır. Spektrum kıtlığından dolayı operatörler bu teknolojiyi var olan spektrumları ile paylaşımlı olarak kullanırken, mevcut sistemleri ile girişimini iyi yönetmek zorundadır. Bunun için kullanılan girişim yönetimi tekniklerinden başlıca olanı güç kontrol tekniğidir. Güç kontrol tekniğinde, femto hücreye bağlı kullanıcılar kendi gücünü ağda bulunan diğer femto hücre kullanıcılarına ve makro baz istasyonlarına girişim yapmamak için belli bir eşik seviyesinde tutmalıdır. Bu çalışmada sinyal gücünün girişim ve gürültü gücüne oranı (SGGO) esaslı, makro hücre kapsama alanı içerisinde rastgele aktif olan femto hücre mobil istasyonları arasındaki girişimi aza indirmek amacıyla oyun teorisi kullanılan fayda fonksiyonu baz alınmış uyarlanabilir güç kontrol algoritması iki farklı açıdan incelenmiştir. İlk durumda, makro baz istasyonu tarafından femto kullanıcılarına rastgele olarak atanmış girişim eşik değerlerini ve ikinci durumda makro baz istasyonu için belirlenmiş toplam girişim eşik değerini sağlayacak olan femto hücre kullanıcılarının güçleri uyarlanabilir algoritma ile elde edilmek istenmiştir. Ayrıca femto hücre kullanıcılarının güçlerini güncellemeleri için gerekli girişim eder değerleri merkezi ve merkezi olmayan duyuru şemaları uygulanmıştır. Bunlara ek olarak frekans bölüşümlü çoklu erişim (FBÇE) ile kod (CBÇE) sistemleri karşılaştırılmıştır. Her bir aktif femto kullanıcısı kendisine atanmış SGGO eşik değerine tekrarlı güç güncellemesiyle, makro hücre de kendisine atanmış SGGO eşik değerini güç kontrolü ve kullanıcı çıkarma algoritması ile ulaşmıştır.

Developing smart phone technologies and their applications cause increasing demand on high data rates. Users interest with social network platforms and they would like to share photos and videos. According to researches and telecom company reports about usage area of mobile data transfers, voice and data traffic are generated at indoor like home, office, restaurant etc. Mobile operators work out for supplying high data rates and increase their capacity and coverage area for indoor users who encountered with weak signal power. The one of the main works about that is decreasing the distance of mobile station and base station. Due to the decreasing of this distance, users have high data rate and in spite of the increasing number of base stations, operators have better coverage area and increase their capacity. Femtocell technology, which is also called home base stations, provides high data transfer rates and better coverage area for limited number of subscribers at indoor. Resulting of spectrum scarcity, operators have to share their spectrum with femtocells and they have to manage interference of existent systems and femtocells. The most important interference management approach is power control. In power control technique, transmit power consumption from mobile stations are arranged for mitigation of interference. In this thesis, game theoretic utility-based adaptive power control algorithm for uplink of femtocell networks is performed for mitigation of interference in two different ways. The first one is allocation of femtocell interference threshold in randomly activated femtocell base stations in a known macrocell coverage area and the second one is adaptation of the power of the femtocell users for mitigating total interference from femtocell users at the macrocell base station. Accordingly, we consider two different pricing schemes which are centralized pricing and de-centralized pricing for updating the power level at mobile station. In addition, we examined two different technologies which are frequency division multiple access (FDMA) and code DMA (CDMA). The results show that each active user at network could reach the given signal to interference plus noise ratio (SINR) threshold value with iterative power control algorithm and macrocell base station encountered with given interference threshold value with power control and user removal algorithms.