Heterojen hücresel ağlarda küçük hücre keşif performansı
Small cell discovery search performance in heterogenous mobile networks
Yazar: CANSU GENÇOĞLU
Danışman: PROF. DR. EMRE AKTAŞ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz iletişim cihazlarının gelişimi ile kablosuz iletişim sistemlerindeki trafik talebi son yıllarda büyük bir artış göstermiş ve bu talep her gün daha da yüksek seviyelere çıkmaktadır. Aynı zamanda hem mobil kullanıcıların kısa pil ömrü hem de mobil ağların enerji tüketim problemi ortaya çıkmıştır. Spektral verimlilikteki gelişmeler de teorik değerlere yaklaştığından, yeni nesil teknolojiler alan başına düşen spektral verimliliği artırmaya yönelik gerçekleşmektedir. Bunu gerçekleştirebilmek için heterojen ağ mimarisi hem kapasite problemini çözmek hem de enerji verimliliği açısından iyi bir çözüm olarak görülmektedir.

Heterojen ağ kullanmanın performansa etkilerini incelemek için gölgeleme, yol kaybı, girişim, gürültü gücü gibi etkilerin de var olduğu farklı senaryolar incelenmiş ve üç temel kurulum senaryosu ele alınmıştır. Bunlar; rastgele dağılımlı küçük hücrelerde girişim olmadığı kurulum senaryosu, eşit dağılımlı küçük hücrelerde hücreler arası girişim olduğu kurulum senaryosu, makro hücre ve eşit dağılımlı küçük hücrelerde hücrelerarası girişim olduğu kurulum senaryosudur. Senaryolarda mobil kullanıcı 1 $km^2$'lik alanda sabit hızla hareket etmektedir. Bu senaryolarda tarama periyodu, hücre çıkış gücü, mobil kullanıcı hızı ve küçük hücre yoğunluğu parametrelerinin perfromansa etkileri üzerinde çalışılmıştır.  

Mobil kullanıcının aldığı güç her üç senaryoda da incelendiğinde küçük hücre yoğunluk artışının mobil kullanıcının aldığı gücü her zaman artırdığı görülmüştür. Ancak küçük hücre yoğunluğunu çok fazla artırmanın girişim sebebiyle çok da avantajlı olmadığı SINR incelemelerinde ortaya çıkmıştır. Çok fazla küçük hücre kullanılması hem spektral verimlilik açısından hem de enerji verimliliği açısından olumsuzdur. Bu sebeple küçük hücre konumlandırmaları çok dikkatli belirlenmelidir. Makro hücrenin yeterli olmadığı durumlarda veya veri ihtiyacının çok olduğu alanlara küçük hücreleri konuşlandırmak faydalı olabilir.

Yine tüm senaryolar için tarama periyodunun arttırılması alınan sinyal kalitesini düşürmektedir. Ancak tarama periyodunun kısa tutulması mobil kullanıcının pil ömrünü kısaltmaktadır. Bu sebeple sinyal kalitesi göz önünde bulundurularak tarama periyodu mobil kullanıcıya fayda sağlayacak şekilde düzenlenebilir.

Gölgeleme durumunu incelediğimizde ise gölgelemenin negatif etkilerinden mümkün olduğunca uzak durabilmek için küçük hücre yoğunluğu artırılabilir veya tarama periyodu düşürülebilir.

Küçük hücreden gönderilen güç değerini incelediğimizde ise makro hücre olmadığı durumda mobil kullanıcının aldığı sinyal kalitesi girişim sebebiyle yalnızca mikro boyutlarda değişim göstermektedir. Aynı zamanda mobil kullanıcının iletim gücü de mikro boyutlarda değişim gösterdiği için küçük hücre gönderilen güç değerlerindeki artış gereksiz yere faaliyet giderlerini artırmaktadır. Bir diğer yandan makro hücrenin de var olduğu senaryoda yüksek ilk çıkış gücü mobil kullanıcının aldığı sinyal gücüne olumlu etki etmektedir.

Abstract:
In the recent years, development of wireless communication devices lead to high demand of wireless communication system traffic and this demand is steadily rising day by day. At the same time, energy consumption problem arose in both mobile network's and mobile users' battery life time. Since the fact that development of spectral efficiency has been approaching to theoretical limits, new generation technologies are developed regarding to develop spectral efficiency. To achieve that, heterogonous network architecture is seen as best practice to solve both capacity and energy efficiency problem.

To assess the effects of heterogeneous network usage to performance, scenarios such as shadowing, path loss, interference and noise power are examined and three essential setup configuration are took into consideration. Those are; non-interference setup scenario with randomly distributed small cells, interference setup scenario between formally distributed small cells, and interference setup scenario between macro cells and formally distributed small cells. In these scenarios, mobile user moves at constant speed in the area of 1 $km^2$. In this thesis, the performance effect of scanning period, cell power output, mobile user speed and small cell density parameters are examined.

According to the results collected in each three scenarios, it is seen that increase of small cell density resulted with gain in power received by mobile users. However, it is also seen that excessive increase in small cell density is not much advantageous because of interference which is revealed during SINR observation. Excessive amount of small cell usage is unfavorable in terms of spectral efficiency and energy efficiency. For this reason, small cells have to be placed very carefully. In case of lack of macro cells or areas where data is highly demanded, setup of small cells could be useful.

Again, in all these scenarios it is seen that increase of scanning period resulted with decrease in signal quality. However, setting scanning period very low drains mobile users' battery life quickly. For this reason, scanning period should be rebalanced according to mobile users' benefit by taking into consideration signal quality.

When examining shadowing scenarios, to avoid negative effects of shadowing, small cell density can be increased or scanning period can be decreased.

In case of there is no macro base station, signal quality received by mobile user is changed in micro scales. At the same time, since the fact that mobile users' transmission power changes in micro scales, increased value of small cell transmit power is resulted with redundantly increased activity cost. On the other hand, in scenarios where macro cells are present, high power output is resulted with positive effect on signal received by mobile users.