Die vierte Generation der Mobilkommunikationsnetze hat flächendeckende Verbreitung erreicht, und die kommende fünfte Generation (5G) bildet einen signifikanten Anteil der aktuellen Forschung. 5G Netzwerke sind darauf ausgelegt, in mehreren Aspekten höhere Leistung zu erreichen, und neuartige Services zu unterstützen. Je nach Anwendungsgebiet sind hierbei eine hohe Datenrate, geringe Latenz, hohe Zuverlässigkeit oder die Unterstützung einer sehr hohen Anzahl verbundener Geräte nötig. Da die erreichte Datenrate einer einfachen Punkt-zu-Punkt Verbindung bereits nahe an ihrem theoretischen Optimum liegt, müssen in 5G mehr Ressourcen aufgewendet werden um eine weitere Leistungssteigerung des Netzwerks zu erreichen. Mögliche Technologien für zukünftige Mobilkommunikationsnetze sind unter anderem die Nutzung von sehr großen Antennenarrays mit hunderten Antennenelementen oder eine Erweiterung des verwendeten Frequenzbandes in den Millimeterwellenbereich. Diese und andere Technologien verlangen signifikante Modifikationen der Netzwerkarchitektur, und damit hohe Investitionen des Netzwerkbetreibers. Eine bereits etablierte Technologie um die Leistungsfähigkeit eines Mobilkommunikationsnetzes zu erhöhen ist eine räumliche Verdichtung der Mobilfunkzellen. Dies wird erreicht indem die existierenden Zellen mit hoher Sendeleistung durch eine größere Zahl kleiner Zellen unterstützt werden, was in einem sogenannten "Heterogenen Netzwerk" (HetNet) resultiert. Dieser Ansatz erweitert die bereits existierende Architektur des Netzes und unterstützt die beschriebenen weiterführenden Technologien, welche komplexere Hardware benötigen. Heterogene Netze sind daher eine gute Übergangstechnologie für 5G und zukünftige Generationen von Mobilkommunikationsnetzen.
Die signifikanteste Herausforderung von HetNets ist dass die Verdichtung des Netzwerks für dessen Leistungsfähigkeit nur bis zu einem bestimmten Level förderlich ist. Die erreichten Datenraten sind begrenzt durch die räumlich sehr nahen benachbarten Zellen, und der ökonomische Betrieb des Netzwerks wird eingeschränkt durch den hohen Energieverbrauch und Hardwarekosten, die durch eine große Anzahl an Zellen entstehen. Diese Dissertation behandelt die Herausforderung, durch eine Verdichtung des Netzwerks zuverlässige Leistungssteigerung zu erzielen und gleichzeitig die Servicequalität und den ökonomischen Betrieb sicherzustellen.
Dieses grundlegende Problem wird auf mehreren Ebenen adressiert, die sich unterscheiden im Bezug auf den Zeithorizont in dem Maßnahmen zur Netzwerkoptimierung eingeleitet, die nötigen Informationen gesammelt, und die Optimierungen durchgeführt werden. Diese Zeithorizonte werden unterschieden in die Phasen der Planung, Konfiguration und Operation. Optimierungsverfahren für die Energie- und Ressourceneffizienz des Netzwerks werden hauptsächlich entwickelt für die Konfigurationsphase. Da ein Netzwerk mit gleichmäßiger Lastverteilung als Basis für weitere Optimierungen dient, werden für die Planungs- und Operationsphase Verfahren entwickelt um diese zu erreichen und dauerhaft sicherzustellen.
Für die Planungsphase werden die Standorte neuer Zellen in einem existierenden Netzwerk optimiert, und die Aktivitätsphasen der Zellen geplant anhand der zu erwartenden Auslastung. Es wird gezeigt, dass eine gemeinsame Optimierung der Standorte mehrerer Zellen einer konsekutiven Aufstellung im Bezug auf die Lastverteilung des HetNets überlegen ist. Der Zeitplan für die Zellaktivität und die Länge der jeweiligen Zeitphasen werden gemeinsam optimiert. Durch dieses, aus der Verfahrenstechnik übernommene Konzept, erreicht die Planung der Aktivitätsphasen der Zellen die beste Lastverteilung. Simulationsergebnisse zeigen dass die Auslastung von überladenen Zellen effektiv verringert werden kann durch eine Optimierung der Aufstellungsorte und der Aktivität von Zellen.
Der Betrieb des Netzwerkes mit hoher Ressourceneffizienz und unter Sicherstellung der Servicequalität wird erreicht durch eine Optimierung in der Konfigurationsphase. Es wird ein Optimierungsproblem entwickelt um den Ressourcenverbrauchs des Netzwerks zu optimieren mittels mehrerer Subnetze, die orthogonal zueinander mit unterschiedlichen Ressourcen operieren. Für dieses Problem, welches für größere Netzwerke sehr hohe Komplexität aufweist, wird eine lineare innere Approximation gebildet, welche fast optimale Ressourceneffizienz erreicht. Die Interferenzen werden während der Optimierung dynamisch modelliert, wodurch im Vergleich zu gängigen Verfahren die Auslastung von Zellen genauer approximiert werden kann.
Um den höheren Energieverbrauch, welcher durch ein dichteres Netzwerk entsteht, zu verringern, wird die Sendeleistung und die Aktivität der Zellen im Netzwerk gleichzeitig optimiert. Für das sich ergebende Optimierungsproblem wird eine vereinfachte innere Approximation gebildet. Mehrere Verfahren zur Optimierung des Energieverbrauchs werden in einem simulierten HetNet getestet. Die entwickelte Methode erreicht einen niedrigeren Energieverbrauch als gängige, heuristische Verfahren, und findet in schwierigen Szenarien mit höherer Wahrscheinlichkeit eine Konfiguration für das Netzwerk, die alle Bedingungen an die Servicequalität erfüllt.
Zuletzt wird das Problem adressiert, eine ausgeglichene Lastverteilung im Netzwerk während der Operationsphase zu erhalten. Ein Verfahren basierend auf einer Mehrklassen-Stützvektormethode wird genutzt um das Lastverteilungsproblem dezentral zu lösen. Etablierte Methoden basieren häufig auf umfangreicher Kommunikation zwischen Zellen um Optimierungsprobleme zentral zu lösen. Das entwickelte dezentrale Verfahren erreicht eine fast optimale Lastverteilung obwohl die durchgeführten Optimierungen von den Mobilfunkzellen und Nutzern nur mit lokal verfügbaren Informationen durchgeführt werden. | German |
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