Scheduling and Power Allocation in Full-Duplex Wireless Networks - Archive ouverte HAL
Thèse Année : 2019

Scheduling and Power Allocation in Full-Duplex Wireless Networks

Ordonnancement et allocation de puissance dans les réseaux sans fil en duplex intégral

Hassan Fawaz

Résumé

With over 5.7 billion global mobile users, and an excess of 12 billion mobile-ready devices expected by the year 2022 [1], the availability of reliable and fast wireless connectivity is more necessary than ever before. Today, in order to satisfy the need for bidirectional wireless communications, networks implement either time division duplexing (TDD) or frequency division duplexing (FDD). In TDD, the transmitted and received signals at a wireless device are sent on the same frequency but at different times. In FDD, the transmitted and received signals at a wireless device are sent at the same time but on different frequencies. This separation, whether in the time or the frequency domain, has always been deemed necessary. If a wireless device were to transmit and receive, at the same time and on the same radio resource i.e., operate in full-duplex, the transmitted signal–which is typically multiple times stronger at the device–would interfere on the signal being received making its proper reception and decoding infeasible. This is known as self-interference. For decades of wireless communications, it was believed to be a permanent obstacle in the face of full-duplex wireless transmissions. At the turn of the decade, self-interference cancellation (SIC) technologies came into effect. SIC defines a set of analog and digital cancellation techniques that enable the mitigation of self-interference at a full-duplex node. The existence and continuous development of these technologies have made full-duplex wireless communications possible. With the capability of simultaneously transmitting and receiving on the same radio resources, a theoretical doubling of the bandwidth efficiency can be achieved. This could count for more connected users and higher connection speeds. Nonetheless, self-interference is not the only interference problem facing full-duplex wireless communications. With users utilizing the same radio resources within the same cell, intra-cell co-channel interference becomes a serious issue. Co-channel interference defines the interference from a transmitting user on a receiving one using the same radio resource. In order to mitigate this interference, it is up to the scheduler to ensure that the users operating on the same radio resources interfere the least upon each other. In our work, we consider a wireless network comprised of a full-duplex base station and half-duplex user equipment (UEs). We assume that such a separation of full-duplex capabilities is necessary as to not burden the UEs with the power exhaustive task of selfinterference cancellation. In this network scenario, the base station will allocate the available resources to pairs of uplink-downlink UEs. As such, on an allocated radio resource, one UE will be transmitting, one UE will be receiving and the base station–being the full-duplex node–will be concurrently transmitting and receiving. In such a network, self-interference is exhibited at the base station and it degrades the performance of uplink UEs. Intra-cell co-channel interference is experienced at downlink UEs, who are interfered upon by their paired uplink UEs. Our work in this thesis is focused on devising scheduling and power allocation algorithms for full-duplex wireless networks. Starting with the scheduling task, we devise a global optimal formulation for scheduling in full-duplex and hybrid full-duplex/half-duplex wireless networks. We vary the objective of the global problem to obtain both greedy and fair scheduling algorithms. Furthermore, to avoid the added complexities of optimization, we propose heuristic algorithms with the same objectives. We show that these algorithms can achieve near optimal results, and that lucrative gains are possible with respect to current half-duplex wireless networks. In order to properly assess the effects of intra-cell co-channel interference, full-duplex networks need information on the channel states in between all the UEs in a network. Inter- UE channel state information (CSI) is a new requirement for full-duplex wireless networks. No current wireless protocols count for the estimation or relaying of such information. As such, in our work we study the effects of incomplete CSI on the performance of full-duplex networks. We show that significant losses in performance could occur as a result. In order to circumvent the necessity of inter-UE CSI, we propose a reinforcement learning based scheduling algorithm for full-duplex wireless networks. This algorithm learns how to best allocate the resources, relying only on traditional feedback from the UEs to the base station. We show that our algorithm can match the performance of scheduling with complete CSI. Moving on to the power allocation task, we present both centralized and distributed power allocation approaches. For the centralized approach, we propose a joint scheduling and power allocation algorithm aimed at improving UE radio conditions whilst maintaining fairness in the network. For the distributed approach, we propose a set of game theoretic based algorithms with varying objectives aimed at improving UE SINR values and curbing the network interferences. Via simulations, we comment on the importance, as well as limitations, of implementing power allocation algorithms alongside scheduling in full-duplex wireless networks. Finally, in the context of multi-cellular networks, we study the impact on inter-cell interferences on the performances of full-duplex wireless networks, and discuss the importance of cell cooperation on extracting gains from such networks. We consider both indoor and outdoor deployment scenarios and show via simulations that the gains from full-duplex wireless communications in multi-cellular networks are tied to the inter-cell interference mitigation provided by the deployment scenario.
Avec plus de 5,7 milliards d’utilisateurs mobiles dans le monde et plus de 12 milliards de terminaux connectés d’ici 2022 [1], le besoin d’une connectivité sans-fil fiable et rapide est plus que jamais nécessaire. Aujourd’hui, pour répondre au besoin des communications sans-fil bidirectionnelles, les réseaux mettent en oeuvre soit le duplexage par répartition en temps (TDD) ou le duplexage par répartition en fréquence (FDD). Dans le TDD, les signaux transmis et reçus par un terminal sans-fil sont envoyés sur la même fréquence mais à des instants différents. Dans le FDD, les signaux émis et reçus par un terminal sans-fil sont envoyés en même temps, mais sur des fréquences différentes. Cette séparation, que ce soit dans le domaine temporel ou fréquentiel, a toujours été jugée nécessaire. Si un terminal sans-fil devait émettre et recevoir, en même temps et sur la même ressource radio, c’est-à-dire fonctionner en full-duplex, le signal transmis, qui est généralement plusieurs fois plus fort sur le terminal, interférerait sur le signal reçu, ce qui rendrait sa réception et son décodage irréalisables. C’est ce qu’on appelle l’auto-interférence, et pendant des décennies de communications sans-fil, on a cru que c’était un obstacle permanent face aux communications sans-fil full-duplex. Au tournant de la décennie, les technologies d’annulation d’auto-interférence (SIC) sont entrées en vigueur. SIC définit un ensemble de techniques d’annulation analogiques et numériques qui permettent d’atténuer l’auto-interférence au niveau d’un équipement fullduplex. L’existence et le développement continu de ces technologies ont rendu possible les communications sans-fil full-duplex. Avec la capacité d’émettre et de recevoir simultanément sur les mêmes ressources radio, un doublement théorique de l’efficacité spectrale peut être atteint. Cela pourrait impliquer un plus grand nombre d’utilisateurs connectés et à des débits de connexion plus élevés. Néanmoins, l’auto-interférence n’est pas le seul problème d’interférence auquel font face les communications sans-fil full-duplex. Avec deux utilisateurs utilisant les mêmes ressources radio dans la même cellule, l’interférence co-canal intra-cellulaire devient un problème grave. L’interférence co-canal définit le brouillage causé par un utilisateur émetteur sur un utilisateur récepteur utilisant la même ressource radio. Il n’y a pas d’aspects technologiques au traitement de l’interférence co-canal intra-cellulaire. C’est à l’ordonnanceur de s’assurer que les utilisateurs opérant sur les mêmes ressources radio s’interfèrent le moins possible entre eux. Dans notre travail, nous considérons un réseau sans-fil composé d’une station de base full-duplex et de terminaux half-duplex. Nous partons du principe qu’une telle séparation des capacités full-duplex est nécessaire afin de ne pas imposer aux terminaux la tâche fastidieuse de l’annulation de l’auto-interférence. Dans ce scénario de réseau, la station de base allouera les ressources disponibles à des paires des terminaux mobiles (User Equipment en anglais, UE) de liaison montante et descendante. Ainsi, sur une ressource radio attribuée, un terminal émettra, un autre recevra et la station de base étant le noeud full-duplex, émettra et recevra simultanément. Dans un tel réseau, l’auto-interférence se manifeste à la station de base et dégrade la performance des terminaux de liaison montante dans le réseau. L’interférence co-canal intra-cellulaire est subie par les terminaux de liaison descendante, qui sont perturbés par les terminaux appariés de liaison montante. Notre travail dans cette thèse s’est concentré sur la conception d’algorithmes d’ordonnancement et d’allocation de puissance pour les réseaux sans-fil full-duplex. En commençant par la tâche de d’ordonnancement, nous avons mis au point une formulation globale optimale pour la l’allocation des ressources dans les réseaux sans-fil full-duplex et hybrides half-duplex/fullduplex. Nous varions l’objectif de la formulation globale pour obtenir des algorithmes à la fois gloutons et équitables. De plus, pour éviter les complexités supplémentaires de l’optimisation, nous proposons des algorithmes heuristiques avec les mêmes objectifs. Nous montrons que ces algorithmes permettent d’obtenir des résultats quasi optimaux et que des gains substantiels peuvent être réalisés par rapport aux réseaux sans-fil half-duplex actuels. Afin d’évaluer correctement les effets de l’interférence co-canal intra-cellulaire, les réseaux full-duplex ont besoin d’informations sur les gains des canaux entre tous les terminaux d’un réseau. L’information des gains des canaux inter-UE (Channel State Information CSI, en anglais) est une nouvelle exigence pour les réseaux sans-fil. Aucun protocole sans-fil actuel ne s’intéresse à l’estimation ou le relayage de ces informations. Ainsi, dans notre travail, nous étudions les effets de l’estimation imparfaite du canal sur la performance des réseaux full-duplex. Nous montrons qu’il pourrait en résulter une perte de performance importante. Afin de contourner la nécessité d’estimer le canal entre UE, nous avons proposé un algorithme d’ordonnancement basé sur l’apprentissage par renforcement pour les réseaux sans-fil full-duplex. Cet algorithme apprend comment allouer au mieux les ressources, en se basant uniquement sur les rapports de mesures classiques des terminaux à la station de base. Nous montrons que notre algorithme peut égaler la performance de l’ordonnancement avec une estimation parfaite du canal. En ce qui concerne la tâche d’allocation de puissance, nous proposons des approches à la fois centralisées et distribuées d’allocation de puissance. Pour l’approche centralisée, nous avons proposé un algorithme conjoint d’ordonnancement et d’allocation de puissance visant à améliorer les conditions radio de l’UE tout en maintenant l’équité dans le réseau. Pour l’approche distribuée, nous avons proposé un ensemble d’algorithmes basés sur la théorie des jeux avec différents objectifs visant à améliorer les valeurs du SINR de l’UE et à réduire les interférences. Grâce à des simulations exhaustives, nous commentons l’importance, ainsi que les limites, de la mise en oeuvre d’algorithmes d’allocation de puissance parallèlement à l’ordonnancement dans les réseaux sans-fil full-duplex. Enfin, dans le contexte des réseaux multicellulaires, nous étudions l’impact des interférences intercellulaires sur les gains des réseaux sans-fil full-duplex et nous discutons de l’importance de la coordination cellulaire pour exploiter au mieux ces réseaux. Nous examinons des scénarios de déploiement à l’intérieur et à l’extérieur et montrons à l’aide de simulations que les avantages des scénarios multicellulaires full-duplex sont liés à l’atténuation de l’interférence intercellulaire fournie par le scénario de déploiement.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03133975 , version 1 (07-02-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03133975 , version 1

Citer

Hassan Fawaz. Scheduling and Power Allocation in Full-Duplex Wireless Networks. Engineering Sciences [physics]. Université Saint-Joseph de Beyrouth, 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03133975⟩

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