Abstract

This thesis aims to evaluate networking aspects of autonomous packets access systems when dynamically and adaptively performing resource and network management. In this context, Quality of Service (QoS)-aware solutions for resource sharing and control (e.g., channel access, load control, interference management and routing techniques among others) in large-scale wireless networks are envisaged. We propose and investigate distributed coordination mechanisms for controlling the co-channel interference generated in multi-tier coexistence scenarios consisting of macrocells underlaid with short-range small cells. The rationale behind employing such mechanism is to opportunistically reuse resources without compromising ongoing transmissions on the overlaid macrocells, while still guaranteeing QoS in both tiers. To mitigate the resulting co-channel interference, the underlaid tiers of small cells use distributed mechanism that relies on minimal signaling exchange, e.g., the Time Division Duplexing (TDD)-underlay approach which is based on regular busy tones. Herein, stochastic geometry is used to model network deployments, while higherorder statistics through the cumulants concept is utilized to characterize the probability distribution of the aggregate interference at the tagged receiver. To conduct our studies, we consider a shadowed fading channel model incorporating log-normal shadowing and Nakagami-m fading. In addition, various network algorithms, such as power control and frequency (re)allocation, are included in the analytical framework. To evaluate the performance of the proposed solutions, we also derive closed-form expressions for the outage probability and average spectral efficiency with respect to the receiver of interest under various channel conditions and network configurations. Results show that the analytical framework matches well with numerical results obtained from Monte Carlo simulations, and that the coordination mechanisms substantially improve the performance of overlaid macrocell networks, while also benefiting small cells. In contrast to the uncoordinated Frequency Division Duplexing mode, the coordinated TDD-underlay solution shows a reduction in the outage probability, while the average spectral efficiency increases at high loads. Although more elaborated interference control techniques such as, downlink bitmap and distributed antennas systems become needed, when the density of uncoordinated small cells in the underlaid tier gets high.

Tiivistelmä

Tämä väitöskirja pyrkii arvioimaan autonomisia pakettikytkentäisiä järjestelmiä verkon näkökulmasta, kun resurssien ja verkon hallinta tapahtuu dynaamisesti ja adaptiivisesti. Tässä yhteydessä suunnitellaan QoS-tietoisia ratkaisuja resurssien jakamiseen ja hallintaan (esim. kanavan allokointi, kuorman hallinta, häiriön käsittely ja reititystekniikat) suuren skaalan langattomiin verkkoihin. Ehdotamme ja tutkimme hajautettuja koordinointimekanismeja monikanavien häiriöiden hallintaan monitasoisissa skenaarioissa, jotka koostuvat lyhyen kantaman soluista makrosoluissa. Peruste näille mekanismeille on resurssien opportunistinen uudelleenkäyttö tinkimättä käynnissä olevista lähetyksistä suuremmissa makrosoluissa, samalla kun QoS taataan molemman tason lähetyksissä. Pienentääkseen aiheutuvaa monikanavahäiriöitä, alemman tason pienet solut käyttävät hajautettua mekanismia, kuten esimerkiksi säännöllisiin varattu-ääniin perustuvaa Time Division Duplexing (TDD) -mekanismia, vähällä signaalien vaihdon määrällä. Stokastista geometriaa käytetään mallintamaan verkkoja, kun taas korkeamman tason tilastollista laskentaa kumulanttimenetelmän käsitteen kautta käytetään kuvaamaan kokonaishäiriön todennäköisyysjakaumaa merkityssä vastaanottimessa. Käsittelemme varjostuvaa ja häipyvää kanavamallia sisältäen log-normaalin varjostumisen ja Nakagamim häipymisen. Lisäksi sisällytämme analyyttiseen työhön monenlaisia verkkoalgoritmeja tehohallintaan ja taajuuden (uudelleen)allokointiin. Ehdotettujen ratkaisujen tehokkuuden arvioimiseksi johdamme myös suljetut muodot katkosten todennäköisyyksille ja keskimääräiselle spektrin käytön tehokkuudelle halutun vastaanottimen suhteen monissa kanavatiloissa ja verkon kokoonpanoissa. Tulokset osoittavat, että analyyttisen työn tulokset vastaavat hyvin Monte Carlo -simulaatioilla saatujen numeeristen tulosten kanssa ja että koordinointimekanismit parantavat makrosoluverkkojen tehokkuutta merkittävästi, samalla kun myös pienet solut hyötyvät. Toisin kuin koordinoimaton Frequency Division Duplexing -toimintatila, koordinoitu TDD-toimintatila pienentää katkosten todennäköisyyttä samalla kun keskimääräinen spektrin käytön tehokkuus kasvaa suurella kuormalla. Toisaalta kehittyneemät häiriönhallintatekniikat, kuten alalinkki bittikartta sekä hajautetut antennijärjestelmät, tulevat tarpeelliseksi, kun pienten koordinoimattomattomien solujen tiheys kasvaa alemmalla tasolla.