Καταστολή παρεμβολών με τεχνικές χωρικής απομόνωσης και ανάθεσης πόρων σε OFDMA συστήματα

Abstract

Nowadays, mobile environments are populated by devices, which use different standard based technologies (IEEE 802.xx), operating systems and have different resources demands. This diversity from the hardware or software perspective and the limited ubiquity of the wireless and mobile networks have jointly led to a significantly overpopulated spectrum. To this end, extensive research regarding 4G wireless systems adopts the multi-carrier OFDM access scheme and proposes to use efficient radio resource exploitation strategies (RRM). Due to its inherent characteristics, OFDMA not only can support resource management, but also is suitable to combat narrowband Co-Channel Interference. Both points are considered to be as the backbone of this PhD dissertation that is outlined hereby.In Section 1, the features of the key wireless system networks are concisely summarized. Emphasis is mainly given on their weaknesses, which have actually motivated our efforts throughout this PhD research. By the end of this short technology review, issues and ways to address them are flagged up.The fundamental characteristics of the OFDM scheme are given in Section 2, where the OFDM transceiver chain is described per functional block. After this, a Multi-User multicellular OFDM platform is developed to execute a suitable number of simulations (Monte Carlo simulations). During one simulation, the platform core functionalities take place: Sectorization, base station auction, subcarrier and power allocation (dynamic RRM). Due to the fact that the solution of the problem is multi-objective, time-consuming and therefore computationally cumbersome, we have developed a suboptimal algorithm that "decides" on the number of Monte Carlo simulations, leads to representative results (small error), is simple and adds low computational burden to the platform.Section 3 focuses on the literature relative to the resource allocation management and presents a few strategies. In detail, the strategies discussed in the manuscript are firstly grouped according to the way they handle co-channel interference. The ones which basically fall into our interest regard 4G and deal with the problem of the scarce spectrum through the graphic solution provided by the FFR schemes. In the same context, five radio resource allocation strategies (Round Robin, Interference Permutation, enhanced FFR, RAJSS, BAJSS/GRID) are presented, which do not require channel state information (no CSI), are proposed and evaluated. The last two strategies, that is to say RAJSS and BAJSS/GRID, are proactive and cooperative, for the base stations have to share a wish list through Χ2 protocol. For three scenarios (dense, scarce and heterogeneous cellular grid), the strategies are evaluated in terms of network capacity, power dissipation, algorithmic complexity, Jain's index and CCI mitigation. When the heterogeneous scenario (OFDMA Heterogeneous Network) is considered, an auxiliary OFDM network is added in each cell to support the backbone network and the simulation platform is updated accordingly.To fully take advantage of the spatial diversity at both ends of the wireless channel, in Section 4 the terminals (either fixed or mobile) are equipped with antenna arrays (MIMO). The platform developed in Section 2 is further upgraded in order to support Beamforming and Maximum Ratio Combining (MRC) at the transmitting and receiving side respectively. The next task to fulfil in this section is to perform Antenna Selection based on partial CSI and this way reduce the RF chains and, therefore, power dissipation and architecture complexity Alongside the RRM strategies named in the previous section, MSRN resource allocation strategy is presented and compared with them in terms of quality of service (QoS: BER) as well. The strategy takes advantage of the CSI (full CSI) and allows the mobile terminals to access the physical layer through the subcarriers with the best SINR. Finally, Section 5 concludes the manuscript. The main outcomes of this research are highlighted along with suggestions for future work regarding 5G mobile systems.

Τα σύγχρονα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα παρουσίασαν ταχεία εξέλιξη τις τελευταίες δεκαετίες και εξαιτίας τις διαφορετικότητάς τους σε επίπεδο λογισμικού, αρχιτεκτονικής, κόστους εγκατάστασης, φασματικών αναγκών, ζώνης λειτουργίας (τόσο αδειοδοτούμενης, όσο και μη-αδειοδοτούμενης), εμβέλειας, χωρητικότητας, ταχύτητας, ασφάλειας και ιδιωτικότητας, οδήγησαν γρήγορα στο συνωστισμό του διαθέσιμου ραδιοφάσματος. Στην παρούσα φάση, ένα από τα καίρια ζητήματα που χρήζουν άμεσης αντιμετώπισης από την επιστημονική κοινότητα είναι και η αποτελεσματικότερη αξιοποίηση των ασύρματων πόρων. Mε κεντρικό θέμα συζήτησης τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας 4G, οι προσπάθειες της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζονται προς την ίδια κατεύθυνση με τη βοήθεια της πολυτονικής τεχνολογίας πρόσβασης OFDMA, η οποία μεταξύ άλλων παρουσιάζει ατρωσία στις ομοδιαυλικές παρεμβολές στενής ζώνης (Co-Channel Interference) και ευνοεί τη διαχείριση ραδιοπόρων (RRM) με κατάλληλες τεχνικές. Ο άξονας της ερευνητικής δραστηριότητας όπως αυτή διαμορφώνεται στη διατριβή περιγράφεται στη συνέχεια. Αρχικά, στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται σύντομη ιστορική αναδρομή στις τεχνολογικές γενιές των ασύρματων τηλεπικοινωνιών, κατηγοριοποιούνται βάσει εμβέλειας τα κύρια επικοινωνιακά συστήματα και δίκτυα και συνοψίζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Από την παραπάνω ανασκόπηση εντοπίζονται οι αδυναμίες των υφιστάμενων συστημάτων και παρουσιάζονται τα κίνητρα, τα οποία εν ολίγοις αποτέλεσαν το έναυσμα της παρούσας διδακτορικής έρευνας.Στο επόμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 2), παρουσιάζεται το φυσικό στρώμα PHY της πολυτονικής ορθογωνικής διαμόρφωσης OFDM και περιγράφονται στο μέτρο του δυνατού οι κύριες βαθμίδες ενός OFDM πομποδέκτη. Υπό το πρίσμα του πομποδέκτη, η μελέτη ολοκληρώνεται με την υλοποίηση πλατφόρμας προσομοίωσης ενός πολυκυψελωτού δικτύου πολλαπλής πρόσβασης (Multi-User OFDM), στα πλαίσια της οποίας προβλέπεται η κυψελική τομεοποίηση (Sectorization), ο πλειστηριασμός των σταθμών βάσης, η δυναμική ανάθεση των διαθέσιμων υποφορέων και της ισχύος (dynamic RRM), καθώς και ο έλεγχος της καταναλισκώμενης ισχύος για δεδομένο σηματοθορυβικό λόγο (SINR). Επειδή η παραμετροποίηση του συστήματος είναι εκτενής και η πλατφόρμα πραγματοποιεί προκαθορισμένο πλήθος Monte Carlo προσομοιώσεων, δευτερευόντως κρίθηκε απαραίτητη η ανάπτυξη και εφαρμογή υποβέλτιστου αλγόριθμου σύγκλισης αποτελεσμάτων. Ο εν λόγω αλγόριθμος "αποφασίζει" τον τερματισμό ή την συνέχεια των προσομοιώσεων βάσει των πιο πρόσφατων λαμβανόμενων δειγμάτων, είναι απλός, επιβαρύνει ελάχιστα τις προσομοιώσεις σεναρίων και οδήγει σε αντιπροσωπευτικά αποτελέσματα (ελαχιστοποιημένο σφάλμα). Το Κεφάλαιο 3, εν συνεχεία, εστιάζει στο υψίστης σημασίας ζήτημα της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων. Έτσι, παρατίθενται οι σύγχρονες απόψεις που προτείνονται στη σχετική βιβλιογραφία και ομαδοποιούνται σύμφωνα με τον τρόπο που αντιμετωπίζουν τις ομοδιαυλικές παρεμβολές. Στη διατριβή δίνεται έμφαση κυρίως στις τεχνικές που αφορούν στην γενιά 4G και επιλύουν το πρόβλημα γραφικά με τη φιλοσοφία της κλασματικής επαναχρησιμοποίησης συχνότητας (FFR). Κατόπιν τούτου, παρουσιάζονται πέντε αλγόριθμοι εκχώρησης υποφορέων OFDM (Round Robin, Interference Permutation, βελτιωμένη FFR, RAJSS, BAJSS/GRID) που δεν απαιτούν κανάλι ανάδρασης στον σταθμό βάσης (no CSI). Από αυτούς, οι RAJSS και BAJSS/GRID είναι προληπτικοί (proactive), ενώ ανήκουν και στην κατηγορία των συνεργατικών τεχνικών (cooperative), καθώς απαιτείται οι κοινοποίηση wish list υποφορέων μεταξύ των σταθμών βάσης. Οι αλγόριθμοι αξιολογούνται σε σενάρια πυκνής και αραιής χωροταξικής διάταξης των σταθμών βάσης, καθώς και σε ετερογενή σενάρια (OFDMA Heterogeneous Network). Το τελευταίο βήμα, βέβαια, προϋποθέτει την επικαιροποίηση της πλατφόρμας προσομοίωσης του δικτύου κορμού (backbone network) με δευτερεύον δίκτυο OFDM, το οποίο τοποθετείται για την βελτίωση της συνολικής μέσης διακίνησης. Η αξιολόγηση των τεχνικών σε όλο το μήκος της διατριβής γίνεται με γνώμονα την απόδοση του συστήματος (χωρητικότητα, καταναλισκώμενη ισχύς), την αλγοριθμική πολυπλοκότητά τους, τον δείκτη Jain και την αντιμετώπιση των ομοδιαυλικών παρεμβολών. Για να αξιοποιηθεί ο χωρικός διαφορισμός, τόσο στην πλευρά του πομπού, όσο και στην πλευρά του δέκτη, στο Κεφάλαιο 4 τα τερματικά εξοπλίζονται με πολλαπλά κεραιοστοιχεία MIMO ενημερώνοντας αναλόγως την πλατφόρμα προσομοίωσης και εφαρμόζονται οι τεχνικές διαμόρφωσης δέσμης (Beamforming) και συνδυασμού μεγίστου λόγου (MRC) αντίστοιχα. Επειδή, η σοφή αξιοποίηση της διαθέσιμης ισχύος, όπως και η βελτίωση της αρχιτεκτονικής πολυπλοκότητας του πομποδέκτη OFDM είναι εξίσου σημαντικά, στη συνέχεια, θεωρούμε μερική γνώση καναλιού ανάδρασης (partial CSI) και εφαρμόζουμε την τεχνική επιλογής κεραιών (Antenna Selection, AS). Στη φάση αυτή της διατριβής, οι τεχνικές του προηγούμενου κεφαλαίου αξιολογούνται σε μία ευρεία περιοχή SINR με και χωρίς AS, και ως προς την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών (QoS: BER). Τέλος, προτείνεται ο MSNR αλγόριθμος εκχώρησης υποφορέων OFDM, ο οποίος επιτρέπει τη φασματική πρόσβαση των κινητών τερματικών μέσω των ποιοτικά καλύτερων υποφορέων, και αξιολογείται κατόπιν σύγκρισης με αλγόριθμους που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Επισημαίνεται ότι στον προτεινόμενο αλγόριθμο η διαδικασία ανάθεσης υποφορέων διεκπεραιώνεται χάρη στη γνώση καναλιού (partial CSI).Τέλος, το Κεφάλαιο 5 συνοψίζει την ερευνητική δραστηριότητα που διεκπεραιώθηκε στα πλαίσια της διατριβής, όπως και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτή. Επιστέγασμα του κεφαλαίου αποτελούν οι προτάσεις για μελλοντική εργασία, οι οποίες έχουν σημείο αναφοράς την εκχώρηση πόρων της γενιάς 5G.