NETWORK-CODED MACROCELL OFFLOADING FOR FEMTOCACHING-ASSISTED CELLULAR NETWORKS

NETWORK-CODED MACROCELL OFFLOADING FOR FEMTOCACHING-ASSISTED CELLULAR NETWORKS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
ThesisFinal.pdf
Restricted to Repository staff only until 24 February 2021.

Download (13MB)

Arabic Abstract

الاسم: يوسف نايف شنيور عنوان الدراسة: توفير إمكانات شبكة الاتصالات الخلوية باستخدام أجهزة البث المزودة بسعة تخزين و التشفير الانتهازي على مستوى الشبكة التخصص: الهندسة الكهربائية (الاتصالات) تاريخ التخرج: ديسمبر 2019 سرعة البيانات المرتفعة أصبحت مطلبا عالميا و شبكات البيانات الحالية لايمكنها تغطية الطلب على البيانات خاصة بينات الشبكات الخليوية. العمل المقترح في هذه الرسالة مبني على إضافة سعة تخزين لأجهزة الخدمة الصغيرة المساعدة (Femtocaches) و استخدام تشفير البيانات الانتهازي على مستوى الشبكة (Opportunistic Network Coding) من أجل خدمة أكبر عدد ممكن من العملاء و توفير مصادر الشبكة لتحسين خدمة الاتصالات الخليوية. العمل المقترح في هذه الأطروحة يتكون من ثلاثة أقسام رئيسية. في القسم الأول، تمت دراسة المشكلة الأساسية المتعلقة بتقليل الضغط على الخادم الرئيسي (Macrocell Base Station)، حيث تم تحليل المشكلة و ابتكار حل لها باستخدام نظرية المخططات (Graph Theory). في القسمين الثاني و الثالث من هذا العمل، تمت دراسة تطبيقين مختلفين في مجال استخدام تشفير البيانات الانتهازي لتحسين مستوى الخدمة. لكلا التطبيقين، تم تحليل المشكلة و اقتراح حلول فعالة مبنية على نظرية المخططات لتحسين جودة الخدمة لمستخدمي الاتصالات الخليوية. بعد تحليل الحلول المقترحة رياضيا و تجريبيا، فقد تبين أن الحلول المقترحة تقدم تحسينا ملحوظا في مستوى الخدمة المقدمة و توفيرا كبيرا لمصادر الشبكات الخلوية مقارنة بالحلول السابقة.

English Abstract

NAME: Yousef N. Shnaiwer TITLE OF STUDY: Network-Coded Macrocell O�oading for Femtocaching- Assisted Cellular Networks MAJOR FIELD: Electrical Engineering DATE OF DEGREE: October 2019 Femtocaching is a new technique that has been proposed to improve macrocell o�oading in future wireless networks. In this work, we investigate the potential of utilizing Instantly Decodable Opportunistic Network Coding (IDONC) to improve the macrocell o�oading capabilities of femtocaches (FCs). This work is divided into three main parts. The �rst part introduces the basic macrocell o�oading problem, which can be used as the basic block for any future research in this area. The basic macrocell o�oading problem is formulated as an optimization problem over an IDONC graph, and is proved to be NP-hard. Thus, a two-step greedy scheme is proposed to solve the problem by �rst choosing the best coded/uncoded �le schedule for every FC and then �nding the minimum number of required transmissions by the Macrocell Base Station (MBS). Theproposed greedy scheme is shown to be asymptotically optimal and its macrocell o�oading performance is analyzed using random graph theory. Simulations are used to compare the derived theory with the performance of the heuristics used to implement the greedy scheme. Simulation results for a small network setting showed that the proposed heuristic can achieve a very close performance to that achieved by the optimal IDONC-Broadcast (IDONC-B) scheme. Furthermore, simulations for a large network setting showed an improvement of 2%-50% in the o�oading gain when using the proposed augmented graph for o�oading as compared to the benchmark separated graph, depending on the number of clients in the network and the FCs' coverage radius. The second part of this work introduces an interesting application of utilizing femtocaching and IDONC to improve cell o�oading, namely, the Fog Radio Access Network (FRAN) architecture. Similar to the �rst part, the cloud o�oading problem is formulated as an optimization problem over an IDONC graph, its NPhardness is proven, a heuristic solution is proposed to solve the problem, and random graph theory is used to analyze the proposed solution. Simulations for a large network setting showed an improvement of at least 5% in the o�oading performance when heterogeneous FRANs as compared to homogeneous FRANs. The third and the last part of this dissertation discusses yet another interesting application of IDONC-assisted femtocaching, namely, rate-aware cloud o�oading in FRANs. The cloud o�oading problem is formulated as a completion time minimization problem, and is shown to be intractable. Thence, a two-step rate-aware IDONC solution is proposed and is tested using Matlab simulations. Simulations showed that the proposed Improved Schedule-Assign (ISA) scheme with Two- Interferers Channel Assignment (TICA) achieves the best o�oading-completion time trade-o� when compared to benchmark schemes.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Electrical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor: Al-Ghadhban, Dr. Samir
Committee Members: Zerguine, Prof. Azzedine and Muqaibel, Dr. Ali and Mahmoud, Dr. Ashraf
Depositing User: YOUSEF NAIEF SHNAIWER (g201204420)
Date Deposited: 27 Feb 2020 11:51
Last Modified: 27 Feb 2020 11:51
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141468