Many-objective problems optimization focused on energy efficiency applied to 5G heterogeneous cellular networks using the small cell switch-off framework

Abstract

This Ph.D. dissertation addresses the Many-Objective Optimization Problem (MaOP) study to reduce the inter-cell interference and the power consumption for realistic Centralized, Collaborative, Cloud, and Clean Radio Access Networks (C-RANs). It uses the Cell Switch-Off (CSO) scheme to switch-off/on Remote Radio Units (RRUs) and the Coordinated Scheduling (CS) technique to allocate resource blocks smartly. The EF1-NSGA-III (It is a variation of the NSGA-III algorithm that uses the front 1 to find extreme points at the normalization procedure extended in this thesis) algorithm is employed to solve a proposed Many-Objective Optimization Problem (MaOP). It is composed of four objective functions, four constraints, and two decision variables. However, the above problem is redefined to have three objective functions to see the performance comparison between the NSGA-II and EF1-NSGA-III algorithms. The OpenAirInterface (OAI) platform is used to evaluate and validate the performance of an indoor coverage system because most of the user-end equipment of next-generation cellular networks will be in an indoor environment. It constitutes the fastest growing 5G open-source platform that implements 3GPP technology on general-purpose computers, fast Ethernet transport ports, and Commercial-Off-The-Shelf (COTS) software-defined radio hardware. This document is composed of five contributions. The first one is a survey about testbed, emulators, and simulators for 4G/5G cellular networks. The second one is the extension of the KanGAL's NSGA-II code to implement the EF1-NSGA-III, adaptive EF1-NSGA-III (A-EF1-NSGA-III), and efficient adaptive EF1-NSGA-III (A$^2$-EF1-NSGA-III). They support up to 10 objective functions, manage real, integer, and binary decision variables, and many constraints. The above algorithms outperform other works in terms of the Inverted Generational Distance (IGD) metric. The third contribution is the implementation of real-time emulation methodologies for C-RANs using a frequency domain representation in OAI. It improves the average computation time 10-fold compared to the time domain without using Radio Frequency hardware and avoids their uncertainties. The fourth one is the implementation of the Coordination Scheduling (CS) technique as a proof-of-concept to validate the advantages of frequency domain methodologies and to allocate resource blocks dynamically among RRUs. Finally, a many-objective optimization problem is defined and solved with evolutionary algorithms where diversity is managed based on crowded-distance and reference points to reduce the power consumption for C-RANs. The solutions obtained are considered to control the scheduling task at the Radio Cloud Center (RCC) and to switch RRUs.

Este disertación aborda el estudio del problema de optimización de varios objetivos (MaOP) para reducir la interferencia entre células y el consumo de energía para redes de acceso de radio en tiempo real, colaborativas, en la nube y limpias (C-RAN). Utiliza el esquema de conmutacion de celdas (CSO) para apagar / encender unidades de radio remotas (RRU) y la técnica de programación coordinada (CS) para asignar bloques de recursos de manera inteligente. El algoritmo EF1-NSGA-III (es una variación del algoritmo NSGA-III que usa el primer frente de pareto para encontrar puntos extremos en el procedimiento de normalización extendido en esta tesis) se utiliza para resolver un problema de optimización de varios objetivos (MaOP) propuesto. Se compone de cuatro funciones objetivos, cuatro restricciones y dos variables de decisión. Sin embargo, el problema anterior se redefine para tener tres funciones objetivas para ver la comparación de rendimiento entre los algoritmos NSGA-II y EF1-NSGA-III. La plataforma OpenAirInterface (OAI) se utiliza para evaluar y validar el rendimiento de un sistema de cobertura en interiores porque la mayoría del equipos móviles de las redes celulares de próxima generación estarán en un entorno interior. Ella constituye la plataforma de código abierto 5G de más rápido crecimiento que implementa la tecnología 3GPP en computadoras de uso general, puertos de transporte Ethernet rápidos y hardware de radio definido por software comercial (COTS). Este documento se compone de cinco contribuciones. La primera es una estudio sobre banco de pruebas, emuladores y simuladores para redes celulares 4G / 5G. El segundo es la extensión del código NSGA-II de KanGAL para implementar EF1-NSGA-III, EF1-NSGA-III adaptativo (A-EF1-NSGA-III) y EF1-NSGA-III adaptativo eficiente (A $ ^ 2 $ -EF1-NSGA-III). Admiten hasta 10 funciones objetivas, gestionan variables de decisión reales, enteras y binarias, y muchas restricciones. Los algoritmos anteriores superan a otros trabajos en términos de la métrica de distancia generacional invertida (IGD). La tercera contribución es la implementación de metodologías de emulación en tiempo real para C-RAN utilizando una representación de dominio de frecuencia en OAI. Mejora el tiempo de cálculo promedio 10 veces en comparación con el dominio del tiempo sin usar hardware de radiofrecuencia y evita sus incertidumbres. El cuarto es la implementación de la técnica de Programación de Coordinación (CS) como prueba de concepto para validar las ventajas de las metodologías de dominio de frecuencia y asignar bloques de recursos dinámicamente entre las RRU. Finalmente, un problema de optimización de muchos objetivos se define y resuelve con algoritmos evolutivos en los que la diversidad se gestiona en función de la distancia de crouding y los puntos de referencia para reducir el consumo de energía de las C-RAN. Las soluciones obtenidas controlan la tarea de programación en Radio Cloud Center (RCC) y conmutan las RRU.