Advanced energy efficient coordinated multi-point transmission for OFDMA

Abstract

The ever-growing energy consumption in mobile networks stimulated by the expected growth in data tra ffic has provided the impetus for mobile operators to refocus network design, planning and deployment towards reducing the cost per bit, whilst at the same time providing a signifi cant step towards reducing their operational expenditure. As a step towards incorporating cost-eff ective mobile system, 3GPP LTE-Advanced has adopted the coordinated multi-point (CoMP) transmission technique due to its ability to mitigate and manage inter-cell interference (ICI). Using CoMP the cell average and cell edge throughput are boosted. However, there is room for reducing energy consumption further by exploiting the inherent exibility of dynamic resource allocation protocols. To this end packet scheduler plays the central role in determining the overall performance of the 3GPP longterm evolution (LTE) based on packet-switching operation and provide a potential research playground for optimizing energy consumption in future networks. In this thesis we investigate the baseline performance for down link CoMP using traditional scheduling approaches, and subsequently go beyond and propose novel energy e fficient scheduling (EES) strategies that can achieve power-e fficient transmission to the UEs whilst enabling both system energy effi ciency gain and fairness improvement. However, ICI can still be prominent when multiple nodes use common resources with di fferent power levels inside the cell, as in the so called heterogeneous networks (Het- Net) environment. HetNets are comprised of two or more tiers of cells. The rst, or higher tier, is a traditional deployment of cell sites, often referred to in this context as macrocells. The lower tiers are termed small cells, and can appear as microcell, picocells or femtocells. The HetNet has attracted signiffi cant interest by key manufacturers as one of the enablers for high speed data at low cost. Research until now has revealed several key hurdles that must be overcome before HetNets can achieve their full potential: bottlenecks in the backhaul must be alleviated, as well as their seamless interworking with CoMP. In this thesis we explore exactly the latter hurdle, and present innovative ideas on advancing CoMP to work in synergy with HetNet deployment, complemented by a novel resource allocation policy for HetNet tighter interference management. As system level simulator has been used to analyze the proposed algorithm/protocols, and results have concluded that up to 20% energy gain can be observed.

O aumento do consumo de energia nas TICs e em particular nas redes de comunicação móveis, estimulado por um crescimento esperado do tráfego de dados, tem servido de impulso aos operadores m oveis para reorientarem os seus projectos de rede, planeamento e implementa ção no sentido de reduzir o custo por bit, o que ao mesmo tempo possibilita um passo signicativo no sentido de reduzir as despesas operacionais. Como um passo no sentido de uma incorporação eficaz em termos destes custos, o sistema móvel 3GPP LTE-Advanced adoptou a técnica de transmissão Coordenação Multi-Ponto (identificada na literatura com a sigla CoMP) devido à sua capacidade de mitigar e gerir Interferência entre Células (sigla ICI na literatura). No entanto a ICI pode ainda ser mais proeminente quando v arios n os no interior da célula utilizam recursos comuns com diferentes níveis de energia, como acontece nos chamados ambientes de redes heterogéneas (sigla Het- Net na literatura). As HetNets são constituídas por duas ou mais camadas de células. A primeira, ou camada superiora, constitui uma implantação tradicional de sítios de célula, muitas vezes referidas neste contexto como macrocells. Os níveis mais baixos são designados por células pequenas, e podem aparecer como microcells, picocells ou femtocells. A HetNet tem atra do grande interesse por parte dos principais fabricantes como sendo facilitador para transmissões de dados de alta velocidade a baixo custo. A investigação tem revelado at e a data, vários dos principais obstáculos que devem ser superados para que as HetNets possam atingir todo o seu potencial: (i) os estrangulamentos no backhaul devem ser aliviados; (ii) bem como sua perfeita interoperabilidade com CoMP. Nesta tese exploramos este ultimo constrangimento e apresentamos ideias inovadoras em como a t ecnica CoMP poder a ser aperfeiçoada por forma a trabalhar em sinergia com a implementação da HetNet, complementado ainda com uma nova perspectiva na alocação de recursos rádio para um controlo e gestão mais apertado de interferência nas HetNets. Com recurso a simulação a níível de sistema para analisar o desempenho dos algoritmos e protocolos propostos, os resultados obtidos concluíram que ganhos at e a ordem dos 20% poderão ser atingidos em termos de eficiência energética.