Power-efficient base station (BS) operation is one of the important issues in future green cellular networks. Previously well-known BS operation schemes, the cell zooming scheme and the cell wilting and blossoming scheme, require tight cooperation between cells in cellular networks. With the previous schemes, the non-cooperative BSs of a serving cell and neighboring cells could cause coverage holes between the cells, thereby seriously degrading the quality of service as well as the power saving efficiency of the cellular networks. In this paper, we propose a novel power-efficient BS operation scheme for green downlink heterogeneous cellular networks, in which the networks virtually adjust the coverage of a serving macrocell (SM) and neighboring macrocells (NMs) without adjusting the transmission power of the BSs when the SM is lightly loaded, and the networks turn off the BS of the SM when none of active users are associated with the SM. Simulation results show that our proposed scheme significantly improves the power saving efficiency without degrading the quality of service (e.g., system throughput) of a downlink heterogeneous LTE network and outperforms the previous schemes in terms of system throughput and power saving efficiency. In particular, with the proposed scheme, macrocells are able to operate independently without the cooperation of a SM and NMs for green heterogeneous cellular networks.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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제13권5호
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pp.2243-2257
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2019
A heterogeneous cellular network (HCN) is useful to increase the spectral and energy efficiency of wireless networks and to reduce the traffic load from the macro cell. The performance of the secondary user equipment (SUE) is affected by interference from the eNodeB (eNB) in a macro cell. To decrease the interference between the macro cell and the small cell, allocating resources properly is essential to an HCN. This study considers the scenario of a software-defined heterogeneous cellular network and performs the resource allocation process. First, we show the system model of HCN and formulate the optimization problem. The optimization problem is a complex process including power and frequency resource allocation, which imposes an extremely high complexity to the HCN. Therefore, a hierarchical resource allocation scheme is proposed, which including subchannel selection and a particle swarm optimization (PSO)-based power allocation algorithm. Simulation results show that the proposed hierarchical scheme is effective in improving the system capacity and energy efficiency.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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제9권11호
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pp.4405-4418
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2015
Different network provides different service. To maximize the profit, heterogeneous networks form a whole, which may either compete or cooperate with each other. In this paper, the healthcare monitor network architecture is introduced to build the competitive and cooperative mechanisms of heterogeneous networks which contain three networks, namely, cellular network, WLAN and WMAN. This paper considers the natural growth rate of the network with competitive and cooperative effects. Then, the stability of the proposed model and its equilibrium points are analyzed by the ordinary differential principle. Finally, simulation results show that the natural growth rate cannot increase the profit of the network, but effective cooperative among heterogeneous networks can increase the profit of each network, and competitive may decrease the profit of each network.
Abdulkafi, Ayad A.;Kiong, Tiong S.;Sileh, Ibrahim K.;Chieng, David;Ghaleb, Abdulaziz
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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제10권2호
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pp.462-483
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2016
The research on optimization of cellular network's energy efficiency (EE) towards environmental and economic sustainability has attracted increasing attention recently. In this survey, we discuss the opportunities, trends and challenges of this challenging topic. Two major contributions are presented namely 1) survey of proposed energy efficiency metrics; 2) survey of proposed energy efficient solutions. We provide a broad overview of the state of-the-art energy efficient methods covering base station (BS) hardware design, network planning and deployment, and network management and operation stages. In order to further understand how EE is assessed and improved through the heterogeneous network (HetNet), BS's energy-awareness and several typical HetNet deployment scenarios such as macrocell-microcell and macrocell-picocell are presented. The analysis of different HetNet deployment scenarios gives insights towards a successful deployment of energy efficient cellular networks.
In Long Term Evolution (LTE) cellular networks, the transmit power control (TPC) mechanism consists of two parts: the open loop (OL) and closed loop. Most cellular networks consider OL/TPC because of its simple implementation and low operation cost. The analysis of OL/TPC parameters is essential for efficient resource management from the cellular operator's viewpoint. In this work, the impact of the OL/TPC parameters is investigated for homogeneous small cells and heterogeneous small-cell/macrocell network environments. A mathematical model is derived to compute the transmit power at the user equipment, the received power at the eNodeB, the interference in the network, and the received signal-to-interference ratio. Using the analytical platform, the effects of the OL/TPC parameters on the system performance in LTE networks are investigated. Numerical results show that, in order to achieve the best performance, it is appropriate to choose ${\alpha}_{small}=1$ and $P_{o-small}=-100dBm$ in a homogenous small-cell network. Further, the selections of ${\alpha}_{small}=1$ and $P_{o-small}=-100dBm$ in the small cells and ${\alpha}_{macro}=0.8$ and $P_{o-macro}=-100dBm$ in the macrocells seem to be suitable for heterogeneous network deployment.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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제11권4호
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pp.1841-1865
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2017
This paper proposes a new interference mitigation scheme for device-to-device (D2D) communications underlaying a cellular network. The object of the proposed scheme is to determine the number of data streams, a precoding matrix, and a decoding matrix of D2D networks so as to maximize the system capacity given the number of data streams of a cellular network while satisfying the constraint of the inter-system interference from D2D networks to the cellular network. Unlike existing interference mitigation schemes based on the interference alignment technique, the proposed scheme operates properly regardless of the number of data streams of a cellular network and moreover it does not require changing the precoding and decoding matrices of a cellular network. The simulation results demonstrate that the proposed scheme significantly increases the system capacity by mitigating the intra- and inter-system interference.
이기종 셀룰러 네트워크에서는 셀 계층간 접속되는 사용자의 수가 크게 달라지고, 이로 인해 사용자와 기지국 연결을 최적화하는 로드 밸런싱(load balancing)이 필수적으로 요구되어진다. 그러나 로드 밸런싱을 위하여 셀의 크기를 조정하는 경우 간섭량이 증가하는 문제점이 발생한다. 본 논문에서는 이기종 셀룰러 시스템(heterogeneous cellular system)에서 다중 수신 안테나를 이용하여 인접 셀로부터 오는 간섭을 제거할 때, 사용자와 기지국 사이의 연결을 최적화하고 사용자들의 전송 용량 성능을 확인한다. 결과적으로 다중 안테나 간섭 제거 기법을 적용하면, 로드 밸런싱이 이루어진 이기종 셀룰러 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 모의실험 결과를 통해 보여준다.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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제15권7호
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pp.2650-2667
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2021
In this paper, we derive the expression of the cache hitting probability with random caching policy and propose the joint optimization algorithm based on difference of convex algorithm (DCA) in the three-tier caching heterogeneous cellular network assisted by macro base stations, helpers and users. Under the constraint of the caching capacity of caching devices, we establish the optimization problem to maximize the cache hitting probability of the network. In order to solve this problem, a convex function is introduced to convert the nonconvex problem to a difference of convex (DC) problem and then we utilize DCA to obtain the optimal caching probability of macro base stations, helpers and users for each content respectively. Simulation results show that when the density of caching devices is relatively low, popular contents should be cached to achieve a good performance. However, when the density of caching devices is relatively high, each content ought to be cached evenly. The algorithm proposed in this paper can achieve the higher cache hitting probability with the same density.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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제11권11호
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pp.5301-5323
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2017
Small cell deployment offers a low-cost solution for the boosted traffic demand in heterogeneous cellular networks (HCNs). Besides improved spatial spectrum efficiency and energy efficiency, future HCNs are also featured with the trend of network architecture convergence and feasibility for flexible mobile applications. To achieve these goals, dual connectivity (DC) is playing a more and more important role to support control/user-plane splitting, which enables maintaining fixed control channel connections for reliability. In this paper, we develop a tractable framework for the downlink SINR analysis of DC assisted HCN. Based on stochastic geometry model, the data-control joint coverage probabilities under multi-frequency and single-frequency tiering are derived, which involve quick integrals and admit simple closed-forms in special cases. Monte Carlo simulations confirm the accuracy of the expressions. It is observed that the increase in mobility robustness of DC is at the price of control channel SINR degradation. This degradation severely worsens the joint coverage performance under single-frequency tiering, proving multi-frequency tiering a more feasible networking scheme to utilize the advantage of DC effectively. Moreover, the joint coverage probability can be maximized by adjusting the density ratio of small cell and macro cell eNBs under multi-frequency tiering, though changing cell association bias has little impact on the level of the maximal coverage performance.
The paper analyzes the sum spectral efficiency (SE) for a heterogeneous cellular network (HetNet) which has the backhaul, provided with wireless full-duplex massive multiple-input multiple-out (MIMO) with hardware distortions. We derive approximate expressions to obtain the uplink/downlink sum SE of the backhaul. The analytic results have been shown to be exact when compared to Monte Carlo simulations. From the analysis, it is shown that the desired signal and the hardware distortion noise have the same order. The sum SE generally improves when the number of receive antennas increases but degrades when the hardware quality reduces. A sum SE performance ceiling is introduced by the hardware quality level.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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