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Type: Tese
Title: Interference management for 4G cellular networks and beyond
Authors: Guimarães, Francisco Rafael Vasconcelos
Advisor: Freitas Júnior, Walter da Cruz
Keywords: Teleinformática;Sistemas de transmissão de dados;Telefonia celular;Interference management;Beamforming
Issue Date: 2018
Citation: GUIMARÃES, F. R. V. Interference management for 4G cellular networks and beyond. 2018. 113 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Brazilian Portuguese: Um dos requisitos para os sistemas de quinta geração (5G) é o aumento da capacidade de transmissão em até 1000 vezes ao longo da próxima década. Para atingir esse objetivo, as redes celulares devem se tornar mais densas (relays,picocells, femtocells) e menores (diminuição da área de cobertura), o que pode provocar um aumento da interferência entre células, diminuindo o ganho de taxa esperado. Outra característica presente em redes da próxima geração é o aumento da largura de banda das sub-portadoras, o que abre espaço para o uso da duplexação por divisão temporal (TDD) devido à sua flexibilidade no uso do espectro. Desta forma, o TDD dinâmico é a escolha mais natural, pois cada base pode escolher sua configuração baseada em seu próprio tráfego, adaptando-se às necessidades de seus usuários em cada célula. Entretanto, caso duas células transmitam em direções distintas, além das interferências intra e intercelular, dois outros tipos de interferência ocorrem: downlink (DL)-uplink, entre bases, e UL-DL, entre usuários. Desta forma, deve existir algum tipo de gerência de interferência para que a performance do sistema não seja degradada. Neste contexto, esta tese aborda as técnicas de beamforming (BF), controle de potência (CP) e alocação de streams para gerenciamento de interferência em redes celulares na busca de responder aos seguintes questionamentos: “Como gerenciar a interferência em redes com TDD dinâmico de forma distribuída?”, “Para sistemas com múltiplas antenas, como determinar a melhor alocação de streams para cada usuário?”. Para que estas perguntas sejam respondidas, este trabalho é dividido em três partes. A primeira parte se refere a um estudo do estado da arte em que algoritmos clássicos de BF e CP são comparados a algoritmos existentes na literatura através de simulações computacionais a fim de motivar o uso de soluções distribuídas e mais efetivas para gerência de interferência. Já a segunda parte deste trabalho aborda redes que operam com TDD dinâmico, em que são propostos dois novos algoritmos de BF distribuídos baseados na abordagem de preço (pricing). Os algoritmos são comparados com as abordagens clássicas descritas na primeira parte da tese para usuários com uma antena (MISO) ou múltiplas antenas (MIMO). Também é apresentada uma análise de sinalização, convergência e complexidade para os algoritmos propostos. Por fim, a última parte aborda redes MIMO em que um novo algoritmo baseado na abordagem gananciosa (greedy) para resolver o problema de alocação de streams é proposto. É mostrado através de simulações que o algoritmo proposto é melhor do que qualquer esquema fixo de seleção e apresenta um desempenho muito próximo da solução ótima, possuindo menor complexidade.
Abstract: The next fifth generation (5G) systems expect a traffic volume around 1,000 times greater than fourth generation (4G) systems. In order to reach this requirement, the cellular networks need to be denser and smaller which can lead to a high intercell interference, reducing the expected performance gains. Another feature for next generation networks is the increasing of sub-carriers bandwidth , which motivates the use of time division duplexing (TDD) approach due the flexibility in the use of the available spectrum. Therefore, the dynamic TDD is a natural choice for such networks due the capability of each base station (BS) to choose its own transmission direction adapting to users’ traffic fluctuations. However, if two BSs transmit in opposite directions in addition of intra and intercell interference there will be downlink (DL)- uplink(UL) interference, between BSs, and UL-DL interference between users. Thus, it must exist some kind of interference management to prevent the system performance loss due the presence of interference. In this context, this thesis considers the beamforming (BF), power control (PC) and stream allocation techniques for interference management in order to answer the following questions “How to manage with the interference in dynamic TDD networks?”, “How to determine the best stream allocation for multiple-input multiple-output (MIMO) systems?”. To answer these questions we divided this works in three parts. The first part studies the BF state of art where we compare the classical BF and PC algorithms with some approaches existing in literature in order to motivate the usage of distributed solutions for interference management. The second part addresses the interference problem for dynamic TDD networks, where we propose two novel distributed algorithms based on pricing approach. We compare our proposed algorithms with the classical BF approaches for multiple-input single-output (MISO) and MIMO systems. We also present an analysis regarding to signalization, convergence and complexity aspects. The last part addresses the stream allocation problem for MIMO networks where we present a novel greedy based algorithm which finds the best stream allocation that outperforms any fixed scheme and has a small performance gap when compared to the optimum solution, with less complexity.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/32899
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