Exploiting cognition for energy and spectrum efficient wireless networks

The main objective of this thesis is to propose and evaluate medium access layer algorithms, that will exploit different types of cognition to provide energy and spectrum efficiency enhancement. In particular, two main research directions are followed: i) the first focuses on spectrum-awareness in cognitive radio (CR) networks inspired by the pioneering work conducted by Mitola in 1999, and ii) the second on the context-aware self-adaptation of cellular heterogeneous networks (HetNets) (i.e., self-organizing networks, SONs). In both contexts, the exploitation of the available information plays a key role on providing sustainable wireless networks. However, given the different needs and features that characterize each of these networks, they are studied separately. Hence, the first part of this thesis focuses on the coexistence of secondary networks (SNs) that share the same primary user (PU) resources. A coexistence scheme is proposed as well as a novel energy-efficient contention-aware channel selection algorithm, which: i) exploits cooperative spectrum sensing to detect the free from PU activity licensed channels, ii) for each one of them, it estimates the probability of collision, and iii) selects the less contended (i.e., with the lowest probability of collision) to access first. An analytical model for the throughput and the energy efficiency of the SN under study is provided, which is validated by means of simulation. The proposed channel selection algorithm is shown to outperform its counterparts both in terms of throughput and energy efficiency. The proposed SN coexistence scheme is also shown to achieve throughput and energy efficiency gains, while maintaining fairness among the coexisting SNs. The second part of the thesis focuses on cognitive HetNets with multi-hop small cell (SC) backhaul (BH) links. The multi-hop BH is a promising solution since i) not all SCs are expected to have a direct connection to the core network and consequently they are likely to forward their traffic to the neighboring SCs to reach it and ii) the expected short length of BH links enables the use of millimeter wave (mmWave) frequencies to provide high capacity BH. In this context, this thesis studies the role of BH aiming to answer to whether or not it could constitute an energy bottleneck for the HetNet. In particular, the BH energy impact is compared to the access network (AN), i.e., the links between the users and their serving cells, under different traffic distribution scenarios and BH technologies. Moreover, the user association problem is studied aiming at the joint maximization of energy and spectrum efficiency of the network, without compromising the user equipment (UE) quality of service (QoS) requirements. To that end, analytical user association frameworks are provided, which can be used as benchmarks for the performance evaluation of different user association solutions. Given the need for low complexity solutions, we also propose efficient heuristic algorithms which exploit context-aware information (i.e., UE measurements and requirements, the HetNet architecture knowledge and the available spectrum resources of each base station (BS)) to associate the UEs in an energy and spectrum efficient way, while considering both the AN and BH energy consumption. The proposed algorithms as well as the derived optimal solutions are compared with reference approaches for different BH technologies and traffic distribution scenarios. Insights are gained into the energy and spectrum efficiency trade-off. Furthermore, our results indicate that i) mmWave BH is a promising solution to provide low consumption high capacity BH, and ii) that the proposed algorithms can achieve notable performance gains compared to the state-of-the-art, while achieving near-optimal performance. El objetivo principal de esta tesis es proponer y evaluar algoritmos de la capa de acceso al medio que exploten distintos tipos de cognición para ofrecer mejoras en la eficiencia espectral y eléctrica. En concreto, se han seguido dos direcciones de investigación principales: i) la primera se centra en redes de radio cognitiva inspiradas en el trabajo pionero desarrollado por Mitola, y ii) la segunda se dedica al estudio de la adaptación dinámica de las redes celulares heterogéneas en función del contexto. En ambos contextos, la utilización de la información disponible juega un papel crucial en la provisión de redes inalámbricas sostenibles. A pesar de ello, debido a las diferentes necesidades y características de cada una de las redes, se estudian por separado. La primera parte de la tesis se centra en la coexistencia de redes secundarias (SNs) que comparten los recursos de los usuarios primarios (PUs). Se propone un esquema que permite dicha coexistencia, así como un nuevo algoritmo de selección de canal energéticamente eficiente basado en la detección de congestión que: i) explota el concepto de cooperative sensing para detectar los canales sin actividad de PUs, ii) para cada uno de ellos, estima la probabilidad de colisión, y finalmente iii) prioriza el acceso a aquellos canales que tiene menor contención (es decir, que tienen la menor probabilidad de colisión). Se desarrolla un modelo analítico tanto para el throughput como para la eficiencia energética de la SN, que posteriormente se valida mediante simulaciones. El algoritmo de selección de canal propuesto mejora el comportamiento del estado del arte en términos de throughput y de eficiencia energética. Asimismo, el esquema de coexistencia propuesto también ofrece mejoras de throughput y de eficiencia energética y, a su vez, mantiene la equidad entre las SNs que coexisten. La segunda parte de la tesis se centra en las redes heterogéneas cognitivas (cognitive HetNets) con un backhaul (BH) formado por enlaces multi-hop entre small cells (SC). El multi-hop BH es una solución prometedora debido a que i) se prevé que no todas las SCs tengan conexión directa con la core network y, por consiguiente, deberán encaminar el tráfico a través de las SCs vecinas, y ii) la corta distancia de los enlaces del BH permitirán el uso de las bandas milimétricas (mmWave) para ofrecer un BH de alta capacidad. En este contexto, la tesis tiene el objetivo de responder si el BH puede suponer un cuello de botella para las HetNets. Concretamente, se compara el impacto del BH respecto a la red de acceso (los enlaces entre los usuarios y sus serving cells) en términos de energía para distintas distribuciones de usuarios y tecnologías de BH. Además, se estudia la user association como un problema de maximización conjunta de la eficiencia espectral y energética de la red, siempre sin comprometer los requisitos de Calidad de Servicio (QoS) de los usuarios. Con ese fin, se desarrolla un marco analítico para el problema de user association, que supone un benchmark para el análisis del comportamiento de distintas soluciones. Debido a la necesidad de soluciones de baja complejidad, la tesis también propone algoritmos heurísticos eficientes que utilizan la información de contexto disponible para asociar los usuarios de un modo eficiente espectral y energéticamente, siempre teniendo en cuenta el consumo energético del BH y de la red de acceso. Los algoritmos propuestos, así como las soluciones óptimas derivadas, son comparados para distintas distribuciones de usuarios y tecnologías de BH. Ello permite comprender el compromiso existente entre eficiencia espectral y eficiencia energética. Los resultados obtenidos muestran que i) las ondas milimétricas son una solución prometedora para conseguir un BH de bajo consumo de energía y alta capacidad, y ii) que los algoritmos propuestos permiten obtener mejoras notables en comparación con el estado del arte, así como conseguir soluciones cuasi-óptimas.