User-association and resource-allocation in multi-cell virtualized wireless networks

The unprecedented growth in the number of wireless devices and applications, along with the advent of machine-type communication devices, has constrained current wireless networks. Virtualized wireless network (VWN) has been recently envisaged to allow multiple service providers to efficiently share the physical wireless communications infrastructure from the network operator. In a VWN, each service provider expects to have its allocated slice of wireless communications resources of the various infrastructure components (e.g., base-stations) in order to supportits own end-users with different Quality-of-Service (QoS) requirements. VWN, therefore, presents unique challenges specifically related to user association, dynamic resource allocation, slice isolation and resource utility that must be addressed to make it practically effective. The overall objectives of this work are to study and develop computationally efficient algorithms for user-association (UA) and resource-allocation (RA) in multi-cell VWNs. To improve the network spectral efficiency, we study and formulate a joint UA and RA problem that assigns users to base-stations (BSs) and allocates power and sub-carriers to users for sum-rate maximization, while satisfying the minimum rate reserved for each service provider (slice). By employing successive convex approximation (SCA) and complementary geometric programming (CGP), we convert this non-convex problem into the convex form, and develop a computationally efficient solution. We also study and develop an efficient solution for UA and RA in a multi-cell VWN with the aim of maximizing the transmit power efficiency, while still preserving the slice isolation requirements. Simulation results demonstrate the performance improvement of the developed solutions as compared to the conventional approach of associating users to BS based on the received signal-to-interference-plus-noise power ratio (SINR). We further explore the resource allocation in a VWN with massive-MIMO BS to assign antennas and pilot duration to users in addition to sub-carriers and power for sum-rate maximization while maintaining slice isolation. Simulation results verify that the proposed scheme significantly improves the feasibility of the VWN leading to a higher spectral efficiency. Dynamic resource allocation algorithms in a VWN require knowledge of the channel state information for all users across all slices and base stations which effectively requires co-ordination among the base stations. One potential solution to address the need for the co-ordination is the use of a cloud radio access network (C-RAN). A resource allocation scheme is developed for a C-RAN-based VWN that jointly assigns users to remote radio heads and baseband units, and allocates power and antennas with the aim of maximizing the total sum-rate. Numerical results compare the performance of the VWN in terms of the spectral efficiency in both perfect and imperfect channel estimation scenarios with the proposed scheme. Finally, in order to maximize the power efficiency of the VWN, non-orthogonal multiple access (NOMA) is considered. Specifically, we study and develop a resource allocation scheme that allocates power coefficients to users in all slices with the aim of minimizing the total transmit power while satisfying the rate reservations of the slices. Through numerical results, it is shown that the proposed NOMA-based scheme provides a significant improvement in power efficiency, as compared to the OFDMA based scheme.La croissance sans précédent du nombre d'appareils et applications sans fil, avec l'ascension des machines communicantes, a façonné les réseaux sans fil actuels. De ce fait, les réseaux sans fil de nouvelle génération doivent augmenter leur capacité et maintenir une latence réduite et une grande efficacité énergétique pour supporter l'augmentation des appareils à fort débit de transmission et à puissance réduite. La virtualisation sans fil est l'une des architectures clé envisagée pour les réseaux de nouvelle génération afin de répondre à ces exigences. Un réseau sans fil virtualisé (VWN) présente des challenges uniques spécifiquement liés à l'association des utilisateurs, l'allocation dynamique des ressources et L'efficacité énergétique qui doivent être adressés avant que tel réseau ne devient pratique. L'objective de cette thèse est d'étudier et de proposer des schémas d'allocation de ressources qui répondent a ces défis dans un VWN. Dans le but demaximiser l'efficacité spectrale du réseau, un schéma d'association d'utilisateurs et d'allocation de ressource est développé pour une VWN multicellulaires basée sur l'OFDMA qui assigne les utilisateurs aux BSs et alloue la puissance et les sous-porteuses afin de maximiser le débit atteint par l'ensemble des utilisateurs, tout en assurant la réservation du débit minimal pour chaque fournisseur de services. Un algorithme est présenté qui emploie des approximations convexes successives et la programmation géométrique complémentaire pour convertir le problème non-convexe à une forme convexe. De plus, afin d'améliorer la faisabilité du VWN, un schéma a allocation de ressource pour une VWN a MIMO massif est proposé qui alloue les sous-porteuses, la puissance, les antennes et la durée des pilotes aux utilisateurs dans le but de maximiser l'efficacité spectrale. Les résultats numériques vérifient qui les schémas proposés améliorent signifiâmes la faisabilité du VWN conduisant à une meilleur efficacité spectrale. Les algorithmes d'allocation dynamique des ressources dans un VWN exigent la connaissance de l'état du canal pour tous les utilisateurs dans toutes les tranches et les stations de base. Une possible solution pour répondre à la nécessité de maintenir efficacement la coordination entre les BSs est l'utilisation d'un réseau d'accès de cloud. Un schéma d'allocation de ressource est développé qui affecte jointement les utilisateurs aux stations radio et aux unités de bande de base, et alloue la puissance et les antennes dans le but de maximiser le débit total. Les résultats numériques comparent les performances du VWN en termes d'efficacité spectrale dans les deux cas d'estimation parfaite et imparfaite du canal utilisant le schéma proposé. Finalement, afin de maximiser l'efficacité en termes de puissance du VWN, un schéma d'accès multiple non orthogonal est appliqué. Précisément, un schéma d'allocation des ressources est développé qui alloue les coefficients de puissance aux utilisateurs and toutes les tranches dans le but de minimiser la puissance de transmission totale tout en satisfaisant le débit réservé aux tranches. A travers des résultats numériques, il est démontré que le schéma proposé offre une amélioration significative en termes d'efficacité énergétique, comparé au schéma OFDMA