Joint frequency allocation and power control for minimum downlink interference in femtocellular networks

Abstract

Due to the fact that the most of data services and more than half of calls are requested indoors, it has been dramatically important and even a must for cellular operators to provide more than adequate indoor coverage. Instead of expensive traditional approach which is to use outdoor macrocell base stations to provide good indoor coverage, indoor systems for the cases of small offices and homes are found more convenient and efficient. Femtocell is one of the developing technologies as a recent solution to aforementioned problems. They offer to improve the indoor coverage and reduce the cellular network load. However, in case of the most feasable solution, co-channel deployment of the femtocell network over the existing macrocell network, a closed access approach could result in serious co-channel interference problems. In this thesis, improvements to the performances of both femtocell and indoor macrocellular users in terms of average achieved data rates are considered. A joint spectrum and power control algorithm is proposed to mitigate the co-tier and cross-tier interferences. The algorithm aims to save the indoor macrocell subscribers from the violation of femtocells whilst providing throughput to femtocell subscribers as higher as possible. Simulations including physical layer and system level are conducted to determine the performance of the proposed method. Results reveal that an algorithm that combines the management of two important resources, spectrum and power, performs really well in two-tier networks, even better than the techniques managing only one resource, in terms of overall system performance.

Günümüzde veri servislerinin çoğunun ve aramaların da yarıdan fazlasının bina içlerinde talep edildiği gerçeği göz önüne alındığında, hücresel operatörlerin kabul edilebilir seviyenin çok daha üzerinde bina içi kapsama sağlamaları oldukça önemli olmuş, hatta bir zorunluluk haline gelmiştir. Iyi seviyede bina içi kapsamanın sağlanması için bına dışı makrohücre baz istasyonlarını kullanmayı öneren geleneksel fakat pahalı yaklaşım yerine küçük ofis ve evler için daha ucuz ve uygun bina içi sistemler kullanılması son dönemlerin önemli araştırma konusudur. Söz konusu sorunlara çözüm olarak gelişmekte olan teknolojilerden biri ev baz istasyonu olarak da bilinen femtohücrelerdir. Femtohücreler bina içi kapsamayı iyileştirir ve hücresel ağ yükünü azaltırlar. Femtohücre ağının var olan makrohücre ağı üzerine ortak kanal kullanımlı yerleşimi en uygulanabilir çözüm olarak görülmektedir. Ancak böyle bir kurulum durumunda, femtohücrelerde uygulanması en olası olan kapalı erişim yaklaşımı ciddi ortak-kanal girişim problemlerine yol açacaktır. Bu tezde hem femtohücre hem de bina içlerinde bulunan makrohücre abonelerinin ulaşılan ortalama veri hızları açısından başarımları dikkate alınmıştır. Katman içi ve katmanlar arası girişimi azaltmak için bir ortak spektrum ve güç kontrolü algoritması önerilmiştir. Önerilen algoritmanın ve dolayısıyla tezin amacı, bina içi makrohücre abonelerinin femtohücre ihlalinden kurtarılması ve veri hızı başarımlarının femtohücre katmanının başarımında mümkün olan en az kötüleşme ile artırılmasıdır. Önerilen metodun başarımını ölçmek için fiziksel katman ve sistem seviyesini kapsayan benzetimler yapılmıştır. İki-katmanlı hücresel ağlarda iki önemli kaynak olan spektrum ve gücün yönetimini birleştiren bir algoritmanın toplam sistem başarımı açısından oldukça iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Sonuçlar algoritmanın sadece tek kaynak yönetimi yapan yöntemlerden daha iyi sistem başarımı sağladığını ortaya koymuştur.