Dimensioning, cell site planning, and self-organization of 4G radio networks

Engels, Alexander; Mathar, Rudolf

doi:999910327929

Dimensioning, cell site planning, and self-organization of 4G radio networks = Dimensionierung, Zellplanung und Selbstorganisation von Mobilfunknetzen der vierten Generation

Engels, Alexander (Author)

2013

VerantwortlichkeitsangabeAlexander Engels

ImpressumAachen : Shaker 2013

UmfangVI, 135 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBerichte aus der Kommunikationstechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mathar, Rudolf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-09-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47924
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/228689/files/4792.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Theoretische Informationstechnik (613410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zellulares Mobilfunksystem (Genormte SW) ; Kombinatorische Optimierung (Genormte SW) ; Selbstorganisation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Zellplanung (frei) ; Interferenzmodellierung (frei) ; self-organizing networks (frei) ; cell site planning (frei) ; combinatorial optimization (frei) ; interference modeling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZN 6560

Kurzfassung
Die Beiträge dieser Arbeit sind an den verschiedenen Stufen des typischen Lebenszyklus breitbandiger Funknetze ausgerichtet. Es werden neuartige Konzepte, Modelle und Algorithmen vorgestellt, mit denen sich moderne Funknetze der vierten Generation dimensionieren, im Detail planen und selbstorganisierend betreiben lassen. Zunächst werden Bausteine und Werkzeuge zur geeigneten Modellierung der technischen Systeme vorgestellt. Dazu gehören unter anderem Kanalmodelle zur Beschreibung der Signalstärkeverteilung in realen Umgebungen sowie die Ratenleistungsfunktion, mit der sich auf Basis der Signalstärkeverteilung die zur Erfüllung der Ratenanforderung notwendige Übertragungsbandbreite bestimmen lässt. In den betrachteten OFDMA Multizell-Netzen nutzen alle Funkzellen das gleiche Frequenzspektrum, das in seiner Größe strikt limitiert ist. Diese Eigenschaften führen in den entwickelten Optimierungsmodellen zu einem Rucksackproblem, wenn die berücksichtigten Nutzer im System bestimmte Mindestanforderungen an die Datenrate haben und die Kapazität einzelner Funkzellen bereits ausgeschöpft ist. Das erste vorgestellte Optimierungsmodell dient der Infrastrukturdimensionierung von WiMAX-Funknetzen, die Multihop-Übertragung unterstützen. Dabei berücksichtigt das zugehörige gemischt-ganzzahlige lineare Programm die zu erwartende Nutzer- und Ratenverteilung anhand von räumlich und zeitlich zusammengefassten Verkehrspunkten. Im Zuge des Dimensionierungsproblems wird ein Ansatz vorgestellt, mit dem sich die Harmonisierung der wechselseitig widersprüchlichen Zielgrößen Netzabdeckung, Kapazität und Aufbau- bzw. Betriebskosten in einer gemeinsamen skalaren Zielfunktion erzielen lässt. Nicht alle Vereinfachungen, die bei der Netzdimensionierung zum Einsatz kommen, erfüllen die erhöhten Präzisionsanforderungen an die Optimierungsmodelle, die zur detaillierten Planung und Konfiguration von LTE-Funknetzen entwickelt werden. Das betrifft insbesondere die Berücksichtigung von Interferenz zwischen Funkzellen. Es wird ein Approximationsmodell geringer Komplexität vorgestellt, mit dem sich der insgesamt erforderliche Bandbreitenbedarf in heterogenen LTE-Funknetzen hinreichend genau nähern lässt. Das gilt auch und insbesondere dann, wenn Interferenzeffekte zwischen Funkzellen, die in unterschiedlichen Zellschichten des heterogenen Netzes angesiedelt sind, auftreten. Für den Einsatz im laufenden Betrieb kann das Approximationsmodell hinsichtlich der dynamischen Änderungen im Netz geeignet kalibriert werden. Das entwickelte Optimierungsmodell zur Planung und Initialkonfiguration von heterogenen LTE-Funknetzen berücksichtigt sowohl Makrozellen als auch nutzerbetriebene Femtozellen, die nicht notwendigerweise permanent im Netz zur Verfügung stehen. Ziel des Planungsschrittes ist es, eine geeignete Menge auszubauender Makrozellen auszuwählen, sodass den Nutzern im resultierenden Gesamtnetz flächendeckend mobile Dienste zur Verfügung stehen. Dabei ist der Umfang der selektierten Ausbaumenge möglichst klein zu halten, um überflüssige Kosten und Interferenz zu vermeiden. Als Beitrag zum abschließenden Schritt im Lebenszyklus wird ein integrierter Ansatz zur selbstorganisierenden Optimierung von Netzabdeckung und Kapazität in zeitvarianten heterogenen LTE-Funknetzen vorgestellt. Die hierfür entwickelten Algorithmen folgen einem Ampelprinzip, das die konkrete Modifikation von Systemparametern wie Zellaktivität, Sendeleistung und Antennenausrichtung vom jeweiligen Betriebszustand des Netzes abhängig macht. Der entwickelte Ansatz bestimmt Pareto-optimale Lösungen für die gemeinsame Optimierung von Netzabdeckung und Kapazität. Falls der Leistungsindikator einer oder beider Zielgrößen signifikant abfällt, kommt eine hierarchische Optimierungsstrategie zum Einsatz. Hierbei wird der maximal zulässige Leistungsabfall beider Zielgrößen beschränkt. Simulative Auswertungen belegen das Verbesserungspotenzial, das mit dem entwickelten Ansatz gehoben werden kann, wenn das heterogene Funknetz mit räumlich konzentrierten Bedarfsspitzen, Abdeckungsproblemen und Konfliktsituationen zwischen den Leistungsindikatoren zu kämpfen hat.

This thesis contributes to multiple stages along the typical lifecycle of broadband wireless networks by introducing novel concepts, models, and algorithms for the dimensioning, the planning, and the self-organized operation of 4G radio networks. First, the key components for wireless network modeling are introduced. Using path loss information as input, we show how the required bandwidth for data transmission can be computed via the discrete rate-power function that is given by the system link budget. Since the spectrum in OFDMA multi-cell networks is shared and limited, all developed optimization models are subject to an underlying multiple knapsack problem if the users expect a minimum quality-of-service and the corresponding rate demand exceeds the load limit of single cells. We consider multihop WiMAX networks and determine the infrastructure dimensioning with respect to the expected user distribution and rate demand. The related optimization problem is formalized as a mixed-integer linear program that covers all relevant technical system aspects. We show how an economical perspective can help to find a closed-form representation for conflicting objectives like the trade-off alignment between network coverage, network capacity, and deployment cost. Compared to the dimensioning approach, accurate cell site planning and network configuration require a higher precision, particularly in terms of the applied inter-cell interference model. For this purpose, a low-complexity interference approximation is developed that estimates the overall required bandwidth at eNBs and HeNBs subject to inter-cell and cross-tier interference. This approximate model serves as immanent component of the optimization models that we introduce for the planning and the self-organized operation of LTE HetNets. The interference approximation can be calibrated with respect to the dynamic changes in the network. For the optimal cell site planning of LTE HetNets, we consider macrocells and user-operated femtocells that are not necessarily active all the time. The objective of the corresponding optimization problem is to provide a minimum number of macrocells such that mobile services are area-wide guaranteed. On the other hand, it avoids dispensable cell sites for the sake of cost efficiency and low interference. Finally, we present an integrated approach for the self-optimization of coverage and capacity in time-variant LTE HetNets. The corresponding algorithms are designed according to a traffic light principle and they autonomously control site activity, transmission power, and antenna downtilt parameters. The presented approach finds Pareto optimal solutions for the joint optimization of coverage and capacity. It confines to a hierarchical constrained single target maximization in the case that a single performance metric predominates. Simulative evaluations demonstrate that our approach improves the overall performance when the HetNet has to cope with traffic hotspots, coverage shortage, and objective trade-off situations.

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