Analysis and design of ultra-dense wireless networks

Abstract

The proliferation of wireless devices and the introduction of novel applications and services towards the realization of the internet of things (IoT) impose serious challenges for the cellular network operation. It is widely recognized that addressing these challenges will require a revolutionary (rather than evolutionary) upgrade of current cellular networks. The major enabler of this upgrade will be ultra dense networking, i.e., operation under extreme infrastructure densification levels, motivated by the need for an aggressive spatial frequency reuse towards providing the high quality of service requested by an extremely large number of user devices. At the same time, this extreme density of devices strongly motivates the introduction of new channel access methods (modes), in addition to the traditional uplink/downlink transmissions, with the most prominent example being that of direct device-to-device (D2D) communications. These two features of the future network (densification and new access methods), although, in principle, able to provide performance benefits, also introduce significant challenges that were not present in the previous cellular network generations.This thesis investigates various aspects of the operation of future ultra dense cellular networks using analytical tools from stochastic geometry. Regarding conventional downlink transmissions, the impact of an increasing infrastructure density on user performance is investigated. It is shown that infrastructure densification alone is able to provide considerable gains, however, when supported by a carefully designed intra-cell resource allocation (scheduling) scheme. Even though performance is monotonically increasing with increasing infrastructure density, densification beyond the level where the number of access points is comparable to the number of users provides only moderate gains and, therefore, may not be of interest in practice. The potential of D2D communications as a technique that is beneficial to the overall system performance is investigated based on the new notion of operational region of D2D communications, which identifies the range of system conditions (in terms of parameters such as density of access points and user devices) where D2D communications are beneficial. The operational region is identified in closed form for various combinations of mode selection, spectrum sharing, and channel access schemes. Analysis reveals that the introduction of D2D communications enhances the performance of the conventional (non-D2D-enabled) cellular network under all operational conditions as long as a distance-based mode selection scheme is adopted and D2D transmissions are performed on the same bandwidth as cellular transmissions with appropriate power control. The critical issue for future cellular networks of characterization of cross-mode interference, i.e. interference experienced by a receiver operating on a certain access mode (e.g., cellular downlink) due to transmissions corresponding to other modes (e.g., D2D) is examined. By adopting a general system model, a characterization of inter-cell cross-mode interference statistics is analytically obtained that is applicable for many operational scenarios of interest, ranging from conventional uplink/downlink to cross-cell D2D transmissions, with interference generated by transmissions of different mode(s). The analysis allows for an efficient computation of performance measures of interest such as coverage probability and can serve as an analytical baseline for sophisticated design of, e.g., resource allocation algorithms. As the extreme infrastructure densification motivates the management of the network by multiple competing operators, a techno-economic investigation of the system is performed under the assumption of network partitioning over multiple operators offering their services to self-interested users. By combining tools from stochastic geometry and game theory, it is shown, among others, that users enjoy maximum quality of experience in a market where multiple operators are competing with comparable networks in terms of density and transmission technology. Although increasing infrastructure density is always beneficial from an engineering perspective (e.g., higher user rates), it is shown for the tractable case of two competing operators that stable market conditions cannot be achieved above a certain density threshold, suggesting a different market model (e.g., based on partial cooperation among operators)

Η ραγδαία αύξηση ασυρμάτων συσκευών καθώς και η εισαγωγή νέων ασύρματων εφαρμογών με στόχο την υλοποίηση του “δικτύου των πραγμάτων” εισάγουν σημαντικές προκλήσεις στην λειτουργία του κυψελλωτού δικτύου. Είναι ευρέως αποδεκτό ότι η αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων απαιτεί ραγδαίες αλλαγές στην λειτουργία του δικτύου όπως το γνωρίζουμε σήμερα. Η πιο σημαντική αλλαγή αφορά την δημιουργία δικτύων πυκνής δόμησης με στόχο την μεγαλύτερη χωρική επαναχρησιμοποίηση φάσματος και, εν τέλει, την εξυπηρέτηση του τεραστίου αριθμού συσκευών που αναμένεται να υπάρχει στο μέλλον. Ταυτόχρονα, αυτός ο μεγάλος αριθμός ασυρμάτων συσκευών ενθαρρύνει την εισαγωγή νέων μεθόδων πρόσβασης στο δίκτυο - επιπλέον των παραδοσιακών ανοδικών/καθοδικών ζεύξεων - με τις συσκευές να είναι σε θέση να επικοινωνήσουν απευθείας χωρίς την διαμεσολάβηση ενός ή περισσοτέρων σταθμών βάσης. Αυτά τα νέα χαρακτηριστικά του μελλοντικού δικτύου, αν και θεωρητικά προσφέρουν την ζητούμενη αύξηση των επιδόσεων, στην πράξη εισάγουν σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν και οι οποίες δεν ήταν παρούσες στα δίκτυα προηγούμενων γενεών.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται διάφορα χαρακτηριστικά της λειτουργίας μελλοντικών, πυκνά δομημένων κυψελλωτών δικτύων με χρήση εργαλείων στοχαστικής γεωμετρίας. Στο Κεφάλαιο 2 μελετάται η επίδραση που έχει η ολοένα αυξανόμενη πυκνότητα σταθμών βάσης στην ποιότητα υπηρεσιών που αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Αποδεικνύεται ότι η αύξηση της πυκνότητας, αν και είναι σε θέση από μόνη της να αυξήσει τις επιδόσεις, πρέπει απαραίτητα να συνοδεύεται και από ένα προσεκτικά σχεδιασμό μηχανισμό κατανομής πόρων μεταξύ των χρηστών της κάθε κυψέλης. Αν και η επίδοση αυξάνει μονοτονικά με την αύξηση της πυκνότητας, αύξηση πέραν του σημείου όπου είναι συγκρίσιμη με την πυκνότητα των συσκευών παρέχει λίγα οφέλη και, συνεπώς, δεν έχει πρακτικό ενδιαφέρον.Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζεται κατά πόσο η απευθείας επικοινωνία μεταξύ συσκευών (device-to-device/D2D επικοινωνία) είναι ωφέλιμη για την συνολική λειτουργία του δικτύου. Για αυτόν τον σκοπό εισάγεται η έννοια της “περιοχής λειτουργίας” που καθορίζει τα σημεία λειτουργίας του δικτύου (χαρακτηριζόμενα από παραμέτρους όπως πυκνότητα σταθμών βάσης και χρηστών) για τα οποία η εισαγωγή D2D επικοινωνίας ωφελεί. Υπό παραδοχές, η περιοχή λειτουργίας προσδιορίζεται σε απλές κλειστές μορφές για διάφορες εναλλακτικές όσων αφορά την μέθοδο επιλογής μεθόδου πρόσβασης και τον τρόπο πρόσβασης στο κανάλι. Από την ανάλυση προκύπτει ότι με επιλογή μεθόδου πρόσβασης βασιζόμενη στην απόσταση των συσκευών, η εισαγωγή D2D επικοινωνιών είναι ωφέλιμη για όλα τα δυνατά σημεία λειτουργίας. Επιπλέον, η εγκαθίδρυση D2D ζεύξεων δεν είναι απαραίτητο να περιορίζεται σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ των συσκευών, μιας και, υπό συνθήκες, D2D ζεύξεις απόστασης της τάξης της απόστασης από τον κοντινότερο σταθμό βάσης είναι ωφέλιμες.Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται χαρακτηρισμός της στατιστικής της παρεμβολής που προέρχεται από μεταδόσεις διαφορετικής μεθόδου πρόσβασης. Ένα τέτοιο παράδειγμα παρεμβολής είναι αυτή που αντιλαμβάνεται ένας δέκτης που λαμβάνει δεδομένα από ένα σταθμό βάσης λόγω μεταδόσεων άλλων συσκευών (και όχι σταθμών βάσης) που βρίσκονται σε D2D επικοινωνία. Κάνοντας χρήση ενός γενικευμένου μοντέλου συστήματος η στατιστική περιγραφή της παρεμβολής προσδιορίστηκε σε απλές προσεγγιστικές εκφράσεις, οι οποίες έχουν εφαρμογή σε πολλαπλά σενάρια λειτουργίας, όπως οι D2D επικοινωνίες μεταξύ συσκευών που ενδεχομένως να βρίσκονται σε διαφορετικές κυψέλες.Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται μία τεχνο-οικονομική μελέτη της λειτουργίας του δικτύου υπό την υπόθεση ότι η διαχείρισή του γίνεται από πολλούς ανταγωνιστικούς παρόχους. Μία τέτοια ανάλυση έχει ενδιαφέρον μιας και η μεγάλη πυκνότητα του μελλοντικού δικτύου καθώς και η ευκολία δημιουργίας υπο-δικτύων μεσω λογισμικού, ενθαρρύνουν την είσοδο νέων παρόχων. Με συνδυασμό εργαλείων στοχαστικής γεωμετρίας και θεωρίας παιγνίων προτάθηκε ένα απλό μοντέλο της αλληλεπίδρασης παρόχων και χρηστών. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δείχνουν ότι ο μέσος χρήστης ωφελείται από την παρουσία πολλαπλών ανταγωνιστικών παρόχων της ίδιας αγοραστικής δύναμης, με την τελευταία να προσδιορίζεται από την πυκνότητα και την τεχνολογία των δικτύων. Εν γένει, η παρουσία παρόχων που έχουν στην κατοχή του πυκνά δομημένα δίκτυα ή/και προσφέρουν τις υπηρεσίες του σε χαμηλές τιμές είναι ωφέλιμη για τον μέσο χρήστη. Η ανάλυση επιπλέον δείχνει ότι η αύξηση της πυκνότητας σταθμών βάσης από ένα σημείο και μετά ενδέχεται να μην οδηγεί την αγορά σε σταθερή κατάσταση, ενθαρρύνοντας έτσι την χρησιμοποίηση άλλων, π.χ., συνεργατικών, μοντέλων αλληλεπίδρασης μεταξύ των παρόχων.