New network paradigms for future multihop cellular systems

• Main Author: Lorenzo Veiga, B. (Beatriz)
• Other Authors: Glisic, S. (Savo)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2012
• Subjects: cooperative diversity; dynamic traffic distribution; intercell interference; multicast; multihop cellular network; network optimization; reuse factor; routing; scheduling; topology control; dynaaminen liikenteen jakauma; kooperatiivinen diversiteetti; monihyppyinen matkapuhelinverkko; monilähetys; reititys; topologiakontrolli; uudelleenkäyttökerroin; verkon optimointi
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789514298554; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789514298554

Abstract The high increase in traffic and data rate for future generations of mobile communication systems, with simultaneous requirement for reduced power consumption, makes Multihop Cellular Networks (MCNs) an attractive technology. To exploit the potentials of MCNs a number of new network paradigms are proposed in this thesis. First, a new algorithm for efficient relaying topology control is presented to jointly optimize the relaying topology, routing and scheduling resulting in a two dimensional or space time routing protocol. The algorithm is aware of intercell interference (ICI), and requires coordinated action between the cells to jointly choose the relaying topology and scheduling to minimize the system performance degradation due to ICI. This framework is extended to include the optimization of power control. Both conventional and cooperative relaying schemes are considered. In addition, a novel sequential genetic algorithm (SGA) is proposed as a heuristic approximation to reconfigure the optimum relaying topology as the network traffic changes. Network coding is used to combine the uplink and downlink transmissions, and incorporate it into the optimum bidirectional relaying with ICI awareness. Seeking for a more tractable network model to effectively use context awareness and relying on the latest results on network information theory, we apply a hexagonal tessellation for inner partition of the cell into smaller subcells of radius r. By using only one single topology control parameter (r), we jointly optimize routing, scheduling and power control to obtain the optimum trade-off between throughput, delay and power consumption in multicast MCNs. This model enables high resolution optimization and motivates the further study of network protocols for MCNs. A new concept for route discovery protocols is developed and the trade-off between cooperative diversity and spatial reuse is analyzed by using this model. Finally, a new architecture for MCN is considered where multihop transmissions are performed by a Delay Tolerant Network, and new solutions to enhance the performance of multicast applications for multimedia content delivery are presented. Numerical results have shown that the algorithms suggested in this thesis provide significant improvement with respect to the existing results, and are expected to have significant impact in the analysis and design of future cellular networks. === Tiivistelmä Tiedonsiirron ja tiedonsiirtonopeuksien suuri kasvu sekä tehonkulutuksen pieneneminen tulevien sukupolvien matkapuhelinjärjestelmissä tekevät monihyppyiset matkapuhelinverkot houkutteleviksi vaihtoehdoiksi. Tässä työssä esitetään uusia tiedonsiirtoverkkojen paradigmoja monihyppyisten matkapuhelinverkkojen hyödyntämiseksi. Työssä esitellään uusi algoritmi tehokkaaseen releointitopologian hallintaan, joka optimoi yhtäaikaisesti topologian, reitityksen sekä lähetyshetkien ajoituksen ja mahdollistaa tila-aika-reititysprotokollan toteutuksen. Esitetty algoritmi huomioi solujen keskinäishäiriön ja vaaditulla solujen välisellä koordinoidulla hallinnalla saadaan yhdessä valittua topologia ja ajoitus, jotka minimoivat solujen keskinäisistä häiriöistä johtuvan suorituskyvyn heikentymisen. Myöhemmin tätä viitekehystä on laajennettu lisäämällä siihen tehonsäädön optimointi. Työssä on tutkittu sekä perinteisiä että kooperatiivisia releointimenetelmiä. Lisäksi työssä esitetään uusi geneettinen algoritmi heuristiseksi approksimaatioksi verkon liikenteen muutoksen vaatimaan releointitopologian uudelleen järjestelyyn. Työssä tarkastellaan lisäksi verkkokoodausta ylä- ja alasuuntaan tapahtuvan tiedonsiirron yhdistämiseksi sisällyttämällä se solujen keskinäishäiriön huomioivaan kahdensuuntaiseen releointiin. Etsittäessä paremmin mukautuvaa ja kontekstitietoisuutta hyödyntävää verkkomallia, joka käyttää hyväkseen viimeisimpiä verkkojen informaatioteoreettisia tuloksia, voidaan verkon solut pilkkoa pienempiin kuusikulmaisiin alisoluihin. Käyttämällä ainoastaan näiden alisolujen sädettä r voidaan puolestaan verkon reititys, ajoitus ja tehon säätö optimoida yhtäaikaisesti saavuttaen paras mahdollinen kompromissi verkon läpäisyn, viiveen ja tehonkulutuksen välillä. Kehitetty malli mahdollistaa korkean resoluution optimoinnin ja motivoi uusien verkkoprotokollien kehitystä monihyppyisissä matkapuhelinverkoissa. Tätä mallia käyttäen esitellään myös uusi konsepti reitinetsintäprotokollille sekä analysoidaan kooperatiivisen diversiteetin ja tila-avaruudessa tapahtuvan uudelleenkäytön välistä kompromissiratkaisua. Lopuksi työssä tarkastellaan monihyppyisen matkapuhelinverkon uutta arkkitehtuuria, jossa monihyppylähetykset suoritetaan viivesietoisella verkolla ja esitetään uusia ratkaisuja multimediasisällön monilähetysten tehokkuuden parantamiseksi. Työssä saadut tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit parantavat järjestelmien suorituskykyä verrattuna aiemmin tiedossa olleisiin tuloksiin. Työn tuloksilla voidaan olettaa myös olevan suuri vaikutus tulevaisuuden matkapuhelinverkkojen analysointiin ja suunnitteluun.