Τεχνικές διαχείρισης ραδιοπόρων στα ασύρματα ραδιοδίκτυα νέας γενιάς με κριτήρια αξιοπιστίας και δικαιοσύνης

Abstract

Future wireless communication networks and systems are expected to reliably provide data services with data rate requirements ranging from a few kbps up to some Mbps and, due to the high costs of frequency spectrum, these systems also need to be extremely efficient in terms of the spectrum usage. In particular, the application of transmission schemes based on OFDMA and on MIMO is considered as a promising solution to meet these requirements. On the one hand, MIMO-OFDMA systems are flexible and spectrally efficient but the considerably large number of subcarriers and the inclusion of the space dimension make the RRA in such systems very complex. In fact, the optimum RRA that maximizes the sum of the users' data rates is often too complex for practical application. Consequently, suboptimal rather efficient and low-complexity RRA strategies are required in order to allocate the frequency, power, and space radio resources of the system to the users of the system. This doctoral thesis deals with RRA strategies in the downlink and uplink of OFDMA systems, the downlink of MISO-OFDMA systems, and the downlink of MIMO-OFDMA systems aiming at the maximization of the sum of the users' data rates guaranteeing proportional data rates or minimum data rates among users. In order to solve the problem of maximizing the sum of the users' data rates with affordable complexity in each one of the aforementioned cases, new suboptimal algorithms are proposed. In the SISO downlink the objective is to maximize the sum of the users' data rates subject to constraints on the total available power and proportional data rates among users. The proposed method, which is also complexity effective, consists of three algorithms; an algorithm that determines the number of subcarriers for each user, a subcarrier allocation algorithm by dividing the users in two groups and the water-filling algorithm. The first two algorithms assign the available subcarriers to the users of the system and the third one allocates the available power optimally in order to maximize the sum of the users' data rates. In the SISO uplink the objective is to maximize the sum of the users' data rates subject to constraints on per user power and minimum data rates among users. The proposed scheme, which is also complexity effective, consists of three algorithms; an algorithm that determines the number of subcarriers for each user, a subcarrier allocation algorithm by dividing the users in two groups and the water-filling algorithm. The first two algorithms assign the available subcarriers to the users of the system and the third one allocates the available power. In the MISO downlink three user selection and resource allocation algorithms for multiuser downlink systems are developed that are less complex than other approaches and incorporate fairness. In the first two algorithms proportional constraints among the users' data rates are imposed and in the third algorithm minimum data rate constraints are taken into account. The proposed algorithm that maximizes the sum of the users' data rates with proportional data rate constraints is also applied to DAS and subcarriers are grouped to chunks. Simulation results sustain their effectiveness in distributing the sum data rate fairly and flexibly among users and that in DAS higher sum of the users' data rates are obtained. Finally, in the MIMO downlink the problem is formulated in order to maximize the sum of the users' data rates subject to total available power constraint with controllable bandwidth introducing system parameter α. Since this optimization should be performed in real time, an efficient, suboptimal and complexity effective algorithm is proposed which shows reasonable loss with respect to the unconstrained case where the only target is the maximization of the sum data rate and impressive profit compared to static TDMA scheme. Apart from the theoretical analysis of the above algorithms, simulation code, which was created based on realistic assumptions and simplifications, gave us results which measure the sum of the users' data rates that provide each one of the aforementioned algorithms and examine the possible appropriateness for use in specific environments. The final concluding results are that MIMO-OFDMA systems are able to offer real broadband services over the wireless communication channel.

Τα μελλοντικά ασύρματα δίκτυα και συστήματα επικοινωνιών αναμένεται να παρέχουν αξιόπιστα υπηρεσίες δεδομένων με απαιτήσεις ρυθμού μετάδοσης δεδομένων οι οποίες κυμαίνονται από λίγα kbps μέχρι μερικά Mbps και εξαιτίας του υψηλού κόστους του φάσματος συχνοτήτων, αυτά τα συστήματα χρειάζεται να είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά όσον αφορά στη χρησιμοποίηση του φάσματος. Συγκεκριμένα, η εφαρμογή τεχνικών μετάδοσης δεδομένων οι οποίες βασίζονται σε MIMO και OFDMA θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη λύση για να ικανοποιήσει αυτές τις απαιτήσεις. Από την άλλη μεριά, τα συστήματα MIMO-OFDMA είναι εύκαμπτα και φασματικά αποτελεσματικά αλλά ο αξιοσημείωτα μεγάλος αριθμός υποφορέων και ο συνυπολογισμός της διάστασης χώρου καθιστούν την κατανομή ραδιοπόρων πολύ πολύπλοκη. Στην πραγματικότητα, η βέλτιστη κατανομή ραδιοπόρων η οποία μεγιστοποιεί το συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των χρηστών είναι συχνά πάρα πολύ πολύπλοκη για πρακτικές εφαρμογές. Συνεπώς, απαιτούνται υποβέλτιστες σχετικά αποτελεσματικές και χαμηλής πολυπλοκότητας στρατηγικές κατανομής ραδιοπόρων ώστε να κατανείμουν τους ραδιοπόρους συχνότητας, ισχύος και χώρου του συστήματος στους χρήστες του συστήματος. Η παρούσα ΔΔ διαπραγματεύεται στρατηγικές κατανομής ραδιοπόρων στην κατερχόμενη και στην ανερχόμενη ζεύξη συστημάτων OFDMA, στην κατερχόμενη ζεύξη συστημάτων MISO-OFDMA και στην κατερχόμενη ζεύξη συστημάτων MIMO-OFDMA στοχεύοντας στη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών εγγυώντας οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων των χρηστών να τηρούν μια προκαθορισμένη αναλογία μεταξύ τους ή να ξεπερνούν προκαθορισμένους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Στο πλαίσιο της επίλυσης του προβλήματος της μεγιστοποίησης του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με ανεκτή πολυπλοκότητα για κάθε μία από τις προαναφερθείσες περιπτώσεις, προτείνονται νέοι υποβέλτιστοι αλγόριθμοι. Στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων SISO, στόχος είναι η μεγιστοποίση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στη συνολική διαθέσιμη ισχύ και με αναλογικούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μεταξύ των χρηστών. Η προτεινόμενη μέθοδος, η οποία είναι αποτελεσματική όσον αφορά στην πολυπλοκότητα, αποτελείται από τρεις αλγόριθμους: έναν αλγόριθμο ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των υποφορέων για κάθε χρήστη, έναν αλγόριθμο κατανομής υποφορέων διαιρώντας τους χρήστες σε δύο ομάδες και τον αλγόριθμο water-filling. Οι πρώτοι δύο αλγόριθμοι αναθέτουν τους διαθέσιμους υποφορείς στους χρήστες του συστήματος και ο τρίτος αλγόριθμος κατανέμει τη διαθέσιμη ισχύ με βέλτιστο τρόπο για μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Στην ανερχόμενη ζεύξη των συστημάτων SISO, στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στην ισχύ κάθε χρήστη και σε ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μεταξύ των χρηστών. Η προτεινόμενη τεχνική, η οποία είναι αποτελεσματική όσον αφορά στην πολυπλοκότητα, αποτελείται από τρεις αλγόριθμους: έναν αλγόριθμο ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των υποφορέων για κάθε χρήστη, έναν αλγόριθμο κατανομής υποφορέων διαιρώντας τους χρήστες σε δύο ομάδες και τον αλγόριθμο water-filling. Οι πρώτοι δύο αλγόριθμοι αναθέτουν τους διαθέσιμους υποφορείς στους χρήστες του συστήματος και ο τρίτος αλγόριθμος κατανέμει τη διαθέσιμη ισχύ. Στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων MISO αναπτύσσονται τρεις αλγόριθμοι επιλογής χρηστών και κατανομής πόρων για πολυχρηστικά συστήματα κατερχόμενης ζεύξης οι οποίοι είναι λιγότερο πολύπλοκοι από άλλες προσεγγίσεις και ενσωματώνουν τη δικαιοσύνη. Στους πρώτους δύο αλγόριθμους επιβάλλονται αναλογικοί περιορισμοί μεταξύ των ρυθμών μετάδοσης δεδομένων των χρηστών και στον τρίτο αλγόριθμο περιορισμοί στους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων λαμβάνονται υπόψη. Επίσης, πραγματοποιείται επέκταση του αλγόριθμου μεγιστοποίησης του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με αναλογικούς περιορισμούς δικαιοσύνης σε ΣΚΚ και για μείωση της πολυπλοκότητας οι υποφορείς ομαδοποιούνται σε τεμάχια. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα τους στη διανομή του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων δίκαια μεταξύ των χρηστών αλλά και ότι σε ΣΚΚ επιτυγχάνονται μεγαλύτεροι συνολικοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων. Τέλος, στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων MIMO, το πρόβλημα διατυπώνεται με στόχο τη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στη συνολική διαθέσιμη ισχύ και ελέγξιμο εύρος ζώνης στο σύστημα εισάγοντας την παράμετρο α. Αφού αυτό το πρόβλημα βελτιστοποίησης πρέπει να εκτελεστεί σε πραγματικό χρόνο, προτείνεται ένας αλγόριθμος αποδοτικός, υποβέλτιστος και αποτελεματικός όσον αφορά στην πολυπλοκότητα ο οποίος παρουσιάζει λογική απώλεια όσον αφορά στην περίπτωση χωρίς περιορισμούς όπου ο μόνος στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων και εντυπωσιακό όφελος συγκρινόμενος με τη στατική τεχνική TDMA. Πέραν της θεωρητικής ανάλυσης των παραπάνω αλγόριθμων, ο προσομοιωτικός κώδικας που δημιουργήθηκε βασισμένος σε ρεαλιστικές υποθέσεις και απλουστεύσεις, μάς έδωσε τα αποτελέσματα εκείνα τα οποία μετρούν το συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των χρηστών ο οποίος παρέχεται από κάθε έναν από τους προαναφερθέντες αλγόριθμους και εξετάζουν την πιθανή καταλληλότητα για χρήση τους σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα. Τα τελικά συμπεράσματα είναι ότι τα συστήματα MIMO-OFDMA είναι ικανά να προσφέρουν πραγματικές ευρυζωνικές υπηρεσίες πάνω από το ασύρματο κανάλι επικοινωνίας.