Optimizing cell selection in cooperative load-coupled heterogeneous cellular networks : algorithm design and performance study

The wireless data traffic grows with the number of user devices and as the type of traffic shifts towards multimedia applications. The amount of resources are limited because of physical and economical reasons. This growth and the limit push us to use the available resources even more efficiently each day. With the huge number of user devices, in modern multiple-input multiple-output (MIMO) systems the inter user interference is the dominant impairment over the received signal. In order to suppress the interference and the other channel impairments (multipath etc.) to improve the spectral efficiency and meet the requirements of LTE-Advanced, there are several solutions proposed through out the years. We consider the scenario namely, Heterogeneous Networks (HetNets) where low powered nodes (referred as small cells) are deployed in the traffic hotspots to ease the load the numerous user equipments are causing to the high powered nodes (referred as macro cells). The macro cells are the base stations in the classical multi cell scenario which define the cell area. Here the load refers to the amount of resources used by the user devices while communicating with the specific node. We employ the load coupling model to define the load, where the cells interfere with each other in a recursive manner. To further improve the spectral efficiency (especially for cell edge users), we use one of the coordinated multi point (CoMP) techniques namely, joint transmission (JT), in which an user may be simultaneously served by multiple nodes. In this thesis we study the system performance in terms of total load after optimizing the association between the user equipment (UE) and the cells and compare the results of classical single association (Non-JT) with the one from JT. Additionally, we implement cell specific offsets to the small cells (SCs) to adjust their cell ranges for a more realistic attempt in optimizing the total load.

Il traffico di dati wireless cresce con il numero di dispositivi di utente e quando il tipo di traffico si sposta verso le applicazioni multimediali. La quantità di risorse é limitata per ragioni fisiche ed economiche. Questa crescita e tale limite ci spingono ad utilizzare le risorse disponibili in modo ancora più efficiente ogni giorno. Con l'enorme numero di dispositivi-utente, nei sistemi moderni multiple-input multiple-output (MIMO) l'interferenza tra gli utenti é il maggior disturbo sul segnale ricevuto. Per eliminare l'interferenza e gli altri disturbi di canale (multipath etc.) per migliorare l'efficienza spettrale e soddisfare i requisiti del protocollo LTE-Advanced sono state proposte diverse soluzioni nel corso degli anni. Consideriamo lo scenario delle Heterogeneous Networks (HetNets) in cui i nodi a bassa potenza (indicati come "small cells") sono distribuiti negli hotspot di traffico per facilitare il traffico che i numerosi user device generano nei nodi ad alta potenza (chiamati "macro cells"). Le macro cells sono le stazioni base nel classico scenario a celle multiple che definisce l'area delle celle. Qui il carico si riferisce alla quantità di risorse utilizzate dai dispositivi utente durante la comunicazione con il nodo specifico. Per definire il carico impieghiamo il modello di accoppiamento carico, in cui le celle interferiscono tra loro in modo ricorsivo. Per migliorare ulteriormente l'efficienza spettrale (soprattutto per gli utenti dei bordi delle celle), usiamo una delle tecniche di tipo "coordinated multi point" (CoMP), nello specifico la trasmissione congiunta (JT), in cui un utente può essere contemporaneamente servito da più nodi. In questa tesi si studiano le prestazioni del sistema in termini di carico totale dopo avere ottimizzato l'associazione tra il dispositivo utente (UE) e le celle e si confrontano i risultati della singola associazione classica (Non-JT) con quelli dell'approccio JT. Sono state inoltre implementate compensazioni specifiche tra le celle e le "small cell" (SC) per regolarne le distanze al fine di una più realistica ottimizzazione del carico totale.