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Doctor's Theses (authored and supervised):

M. Taranetz:
"System Level Modeling and Evaluation of Heterogeneous Cellular Networks";
Supervisor, Reviewer: M. Rupp, R. W. Heath; Institute of Telecommunications, E389, 2015; oral examination: 06-03-2015.



English abstract:
The cumulative impact of co-channel interferers, commonly referred to as aggregate network interference, is one of the main performance limiting factors in today´s mobile cellular networks. Thus, its careful statistical description is decisive for system analysis and design. A system model for interference analysis is required to capture essential network variation effects, such as base station deployment- and signal propagation characteristics. Furthermore it should be simple and tractable so as to enable first-order insights on design fundamentals and rapid exchange of new ideas. Interference modeling has posed a challenge ever since the establishment of traditional macro-cellular deployments. The recent emergence of heterogeneous network topologies complicates matters by contesting many established aspects of time-honored approaches. This thesis presents user-centric system models that enable to investigate scenarios with an asymmetric interference impact. The first approach simplifies the interference analysis in a hexagonal grid setup by distributing the power of the interfering base stations uniformly along a circle. Aggregate interference is modeled by a single Gamma random variable. Its shape- and scale parameter are determined by the network geometry and the fading. The second model extends the circular concept by non-uniform power profiles along the circles. It enables to map substantially large heterogeneous out-of-cell interferer deployments on a well-defined circular structure of nodes. Thereby it considerably reduces complexity while preserving the original interference statistics. The model is complemented by a new finite sum representation for the sum of Gamma random variables with integer-valued shape parameter that allows to identify candidate base stations for user-centric base station collaboration schemes as well as to predict the corresponding rate performance. The third approach applies stochastic geometry to model two-tier heterogeneous cellular networks with respect to the topology of an urban environment. It tackles the asymmetric interference impact by a virtual building approximation and introduces a new signal propagation model that directly relates to the topology characteristics such as building density and -size, which can straightforwardly be extracted from real world data. In the last part of the thesis, the applicability of the introduced models is validated against simulations with the Vienna LTE-Advanced Downlink System Level Simulator. For this purpose, the analytical models are calibrated against results from LTE-Advanced link level simulations. This part also complements the hitherto user-centric investigations with a system-wide performance evaluation, addressing the impact of user clustering as well as small cell density- and isolation. Particular focus is laid on a systematic and reproducible simulation methodology as well as appropriate performance metrics, since conventional figures of merit tend to conceal performance imbalances among users.

German abstract:
Der kumulative Einfluss von Gleichkanalstörern - häufig auch als aggregierte Interferenz bezeichnet - ist einer der wesentlichen leistungsbegrenzenden Faktoren heutiger zellulärer Mobilfunktnetze. Seine sorgfältige statistische Beschreibung ist demnach ausschlaggebend für die Systemanalyse und den Systementwurf. Von einem Systemmodell zur Interferenz-Analyse wird verlangt, grundlegende Auswirkungen von Veränderungen im Netzwerk, wie etwa die Stationierung der Basisstationen und die Charakteristiken der Signalausbreitung, abzubilden. Darüber hinaus sollte es unkompliziert und flexibel sein, um einen ersten Einblick auf Entwurfsgrundlagen zu gewähren und den raschen Austausch von Ideen zu ermöglichen. Die Modellierung von Interferenz stellt bereits seit der Errichtung traditioneller makro-zellulärer Netzwerke eine Herausforderung dar. Mit dem jüngsten Aufkommen heterogener Netzwerk-Topologien wird die Situation zusätzlich erschwert, da viele der wohletablierten Aspekte herkömmlicher Methoden in Frage gestellt werden. In dieser Dissertation werden benutzerzentrische System-Modelle vorgestellt, welche es ermöglichen, Szenarien mit asymmetrischer Interferenz Einwirkung zu untersuchen. Der erste Ansatz vereinfacht die Interferenz-Analyse in einem hexagonalen Rastermodell, indem die Leistung der störenden Basisstationen gleichmäßig entlang eines Kreises verteilt wird. Die aggregierte Interferenz wird durch eine einzige gammaverteilte Zufallsvariable modelliert. Ihre Form- und Skalierungsparameter werden dabei über die Geometrie des Netzwerks sowie über den Schwund ermittelt. Das zweite Modell erweitert das zirkuläre Konzept um ungleichmäßige Leistungsprofile entlang der Kreise. Es ermöglicht die Abbildung beträchtlich großer Verteilungen von heterogenen Störern außerhalb der Zelle auf eine wohldefinierte, zirkuläre Anordnung von Netzelementen. Dabei reduziert es die Komplexizität erheblich, während die ursprüngliche Interferenz-Verteilung erhalten bleibt. Das Modell wird durch eine neue finite Summen- Repräsentation für Gamma Zufallsvariablen mit ganzzahligem Formparameter ergänzt, welche es erlaubt, unter den Basisstationen Kandidaten für benutzerzentrische Basisstations-Kollaborationsschemen zu identifizieren und die dazu entsprechenden Durchsatzraten vorauszusagen. Der dritte Ansatz bedient sich stochastischer Geometrie um zweischichtige, heterogene Netzwerke unter Bezugnahme auf die Topologie einer urbanen Umgebung zu modellieren. Er löst die Problematik asymmetrischer Interferenz durch eine Näherung mittels eines virtuellen Gebäudes und stellt darüber hinaus ein neues Signalausbreitungs-Modell vor, das einen direkten Zusammenhang zu den Charakteristiken der Topologie wie etwa Gebäudedichte und Gebäudegröße herstellt, welche mühelos aus realen Daten extrahiert werden können. Im letzten Teil der Dissertation wird die Verwendbarkeit der vorgestellten Modelle mittels Simulationen mit dem Vienna LTE-Advanced Dowlink System Level Simulator validiert. Dazu werden die analytischen Modelle mit Resultaten von LTE-Advanced Link Level Simulationen kalibriert. Dieser Abschnitt ergänzt zudem die bis hierhin auf den Benutzer fixierten Betrachtungen mit systemumfassenden Leistungsevaluierungen und behandelt insbesondere den Einfluss räumlicher Benutzer-Anhäufungen sowie der Dichte und Abschottung von Femtozellen. Der Fokus wird dabei besonders auf eine systematische und reproduzierbare Simulations-Methodik sowie geeigneten Leistungsmetriken gelegt, da konventionelle Leistungszahlen dazu neigen, Ungleichgewichte zwischen Benutzern zu verbergen.

Keywords:
System Level Modeling, Heterogeneous Networks, Network Modeling, Stochastic Geometry, System Level Simulations, LTE-Advanced, Femtocells, Small Cells


Electronic version of the publication:
http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_239149.pdf



Related Projects:
Project Head Markus Rupp:
Mobile Access Research 2015


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