Efficient Spectrum Management as an Enabler Towards 5G Cellular Systems

I futuri sistemi di comunicazione cellulare dovranno affrontare nei prossimi anni un rapido aumento della domanda di traffico dati mobile rendendo necessario l’utilizzo di avanzate tecniche di condivisione dello spettro e gestione delle risorse. Sara` quindi fonda- mentale lo sviluppo di nuove tecnologie che dovranno considerare aspetti quali la disponi- bilita` di risorse spettrali, i costi di realizzazione ed il consumo di energia. La chiave per lo sviluppo della quinta generazione di sistemi cellulari (5G), sara` quindi la ricerca di un uso piu` efficiente delle risorse wireless, sfruttando nello stesso tempo le piu` avanzate tecniche a livello fisico e la coordinazione tra gli operatori. In questa tesi, vengono analizzati i problemi relativi alla gestione delle risorse spettrali nelle reti cellulari di nuova generazione propo- nendo nuovi algoritmi per la condivisione dello spettro e la gestione delle interferenze. Nella prima parte di questa tesi vengono analizzate tematiche relative alla condivisione dello spettro tra operatori. In primo luogo e` stata implementata un’estensione del simulatore di rete ns3, basata sullo standard Long Term Evolution (LTE) al fine di supportare l’analisi di sistemi multi antenna (MIMO) e di avanzate tecniche di beamforming. E` stata quindi effettuata un’analisi matematica delle performance ottenibili dalla condivisione di spettro non ortogonale connessa direttamente al comportamento statistico del canale radio. Sono stati quindi sviluppati alcuni algoritmi di condivisione dello spettro considerando diversi aspetti della coesistenza tra operatori. L’analisi e` stata quindi estesa alla valutazione di tec- niche di beamforming digitale sviluppate in uno scenario multi-input-single-output (MISO) e atte a realizzare un equilibrio di Pareto tra gli operatori. Al termine di questa sezione sono inoltre stati analizzati alcuni scenari di condivisione ortogonale delle risorse, al fine di studi- are l’impatto delle dinamiche degli utenti sulla implementazione delle tecniche di gestione delle risorse spettrali. Nella seconda parte di questa tesi il concetto di gestione delle risorse e` stato esteso a due ulteriori scenari. Nel primo scenario, si e` considerata la coordinazione tra celle diverse (CoMP). Nello specifico, grazie all’uso di tecniche di beamforming digitale, e` stato ideato un nuovo algoritmo di clustering delle celle capace di adattare la configurazione dei clusters in relazione alla distribuzione degli utenti e alla dimensione dei cluster stessi. Nel secondo scenario, il concetto di condivisione di spettro e` stato esteso alla coesistenza tra diversi sis- temi di comunicazione, al fine di fornire uno studio di fattibilita` sullo sviluppo dei sistemi cellulari all’interno dello spettro delle onde millimetriche. In particolare, e` stato analizzato l’impatto delle nuove reti cellulari su sistemi satellitari fissi (FSS). Nell’ultima parte delle tesi vengono invece trattati aspetti riguardanti la gestione della mobilita` degli utenti all’interno delle reti eterogenee. Inizialmente, sono state analizzate le performance ottenute da un utente mobile nell’attraversare una pico/femto cella in funzione dei parametri di handover, al fine di fornire un espressione della capacita` di Shannon media dell’utente. E’ stato quindi proposto un modello basato su una catena dI Markov atto a studiare lo stato dell’utente durante il processo di handover e, sfruttando tale modello, e` stato derivato un criterio di handover ottimale basato sulle condizioni del contesto.