Flexible Cognitive Small-cells for Next Generation Two-tiered Networks

Nell'ultimo decennio, le reti cellulari sono state caratterizzate da una crescita costante della richiesta di dati da parte degli utenti. Unito all'inefficienza delle politiche di gestione dello spettro adottate e all'obsolescenza delle infrastrutture di rete, questo ha generato una crescente necessità di maggiore capacità e copertura di rete. Lo sviluppo di più efficienti politiche di gestione dello spettro radio e di nuove tecnologie è un passo necessario per far fronte a queste problematiche. In questo senso, i vantaggi apportati da nuovi e flessibili schemi di gestione dello spettro, come il cosiddetto dynamic spectrum access (DSA) e gli approcci di tipo cognitive radio (CR), sono stati largamente studiati sin dagli inizi del secolo. Nuove basi per le reti cellulari di prossima generazione sono state poste anche dai più recenti standard, le cui innovazioni tecnologiche promettono un sostanziale aumento di capacità rispetto alle reti esistenti. Oltre alle innovazioni puramente tecniche, le soluzioni proposte per strutturare reti cellulari evolute, in grado di fornire elevate performance e soddisfare le richieste degli utenti, prevedono nuovi paradigmi che ne guidino la progettazione. In questo senso, approcci gerarchici al network planning, risultanti in reti a due livelli, in cui un livello di stazioni di base di tipo macro (MBS) viene affiancato da un livello di stazioni di base di tipo small (SBS), sono considerati estremamente promettenti. Queste nuove reti a due livelli potranno aumentare la capacità delle reti attuali in molti modi, grazie a minori attenuazioni medie nei canali tra i dispositivi, un uso più efficiente della risorsa spettrale e una miglior copertura di rete. Il lavoro presentato in questa tesi è concentrato sulla coesistenza tra i due livelli di rete, quando questi adottano la stessa banda in trasmissione per raggiungere un uso più efficiente della risorsa spettrale. In questo caso, se l'interferenza mutualmente generata dai trasmettitori attivi nei due livelli di rete non viene attenuata o eliminata da adeguati meccanismi per la gestione dell'interferenza, la coesistenza può risultare problematica, quando non impossibile. Questa tesi è suddivisa in tre parti e propone un ampia analisi che porta allo sviluppo di una nuova tecnica di tipo DSA, partendo dalle basi teoriche e arrivando allo sviluppo di un proof-of-concept. Il primo caso studiato è dato da una rete a due livelli semplificata, ottenuta considerando la presenza di una sola SBS all'interno del raggio di copertura di una MBS preesistente. Per garantire la compatibilità delle soluzioni proposte con le operazioni di una classica rete a singolo livello, si impone che la tecnologia di strato fisico adottata dalla MBS, i.e., orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), non debba prevedere alcuna modifica. Di conseguenza, le relazioni tra i due livelli di rete vengono strutturate secondo il modello CR, e viene proposta una nuova tecnica per realizzare la coesistenza dei due livelli chiamata cognitive interference alignment (CIA), adottata unicamente dalla SBS. In seguito, l'analisi viene estesa ad una rete multi-utente, considerando la presenza di più di una SBS all'interno del raggio di copertura della MBS preesistente. La fattibilità e l'efficacia di CIA viene analizzata in questo contesto. Di conseguenza, vengono proposte strategie centralizzate e distribuite per la gestione dell'interferenza multi-utente, causata dalla presenza di più SBS all'interno del secondo livello di rete. L'analisi delle prestazioni della rete a due livelli viene effettuata per entrambi gli approcci, in caso di disponibilità di stime di canale al trasmettitore sia perfette sia imperfette (perfect e imperfect CSIT). Questa parte si conclude identificando le problematiche e i meriti principali legati all'implementazione pratica degli approcci proposti, sia centralizzati che distribuiti, e discutendone possibili soluzioni. Nell'ultima parte della tesi, l'analisi si sposta gradualmente da un approccio di tipo teorico ad uno di tipo pratico, portando allo sviluppo di un transceiver ibrido basato sulla tecnica proposta in precedenza, come proof-of-concept. Particolare attenzione viene dedicata nel mostrare come CIA sia applicabile non solo in caso di scenari di tipo CR, ma possa anche essere utilizzata in modo flessibile per incrementare le prestazioni di una generica stazione di base di tipo femto (FBS) utilizzante OFDM, tipico esempio di dispositivo a bassa potenza adottato nelle attuali reti a più livelli. Viene mostrato come un aumento dell'efficienza energetica del dispositivo sia possibile, grazie all'utilizzo di CIA. Inoltre, viene studiato l'impatto dell'allocazione di potenza effettuata dalla FBS su questo risultato viene studiato, considerando la presenza di canali caratterizzati da varie descrizioni statistiche. La tesi si conclude con la progettazione di un transceiver riconfigurabile, realizzato utilizzando un approccio di tipo software defined radio (SDR), al fine di ottenere uno strumento flessibile per realizzare esperimenti pratici che possano convalidare i precedenti risultati teorici. L'architettura proposta, in grado di trasmettere/ricevere segnali di tipo OFDM/CIA (o combinazioni di entrambi), viene infine utilizzata per testare l'efficacia di CIA nell'aumentare l'efficienza energetica di una classica trasmissione OFDM, con risultati positivi.