Low-complexity medium access control protocols for QoS support in third-generation radio access networks

One approach to maximizing the efficiency of medium access control (MAC) on the uplink in a future wideband code-division multiple-access (WCDMA)-based third-generation radio access network, and hence maximize spectral efficiency, is to employ a low-complexity distributed scheduling control approach. The maximization of spectral efficiency in third-generation radio access networks is complicated by the need to provide bandwidth-on-demand to diverse services characterized by diverse quality of service (QoS) requirements in an interference limited environment. However, the ability to exploit the full potential of resource allocation algorithms in third-generation radio access networks has been limited by the absence of a metric that captures the two-dimensional radio resource requirement, in terms of power and bandwidth, in the third-generation radio access network environment, where different users may have different signal-to-interference ratio requirements. This paper presents a novel resource metric as a solution to this fundamental problem. Also, a novel deadline-driven backoff procedure has been presented as the backoff scheme of the proposed distributed scheduling MAC protocols to enable the efficient support of services with QoS imposed delay constraints without the need for centralized scheduling. The main conclusion is that low-complexity distributed scheduling control strategies using overload avoidance/overload detection can be designed using the proposed resource metric to give near optimal performance and thus maintain a high spectral efficiency in third-generation radio access networks and that importantly overload detection is superior to overload avoidance

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Energy-Efficient Resource Allocation in Multiuser OFDM Systems with Wireless Information and Power Transfer

In this paper, we study the resource allocation algorithm design for multiuser orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) downlink systems with simultaneous wireless information and power transfer. The algorithm design is formulated as a non-convex optimization problem for maximizing the energy efficiency of data transmission (bit/Joule delivered to the users). In particular, the problem formulation takes into account the minimum required system data rate, heterogeneous minimum required power transfers to the users, and the circuit power consumption. Subsequently, by exploiting the method of time-sharing and the properties of nonlinear fractional programming, the considered non-convex optimization problem is solved using an efficient iterative resource allocation algorithm. For each iteration, the optimal power allocation and user selection solution are derived based on Lagrange dual decomposition. Simulation results illustrate that the proposed iterative resource allocation algorithm achieves the maximum energy efficiency of the system and reveal how energy efficiency, system capacity, and wireless power transfer benefit from the presence of multiple users in the system.Comment: 6 pages. The paper has been accepted for publication at the IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) 2013, Shanghai, China, Apr. 201

LTE performance evaluation with realistic channel quality indicator feedback

In the context of mobile communications, the availability of new services and mobile applications along with the constant evolution in terminals run up the need of higher data rates. In order to fulfill such expectations, mobile operators are continually optimizing and upgrading their networks. The Long Term Evolution (LTE) of the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) seems to be the path to follow in a very short term. The objective of this project is to study the behaviour of the radio resource assignment in LTE under realistic conditions. The scheduling is a key process in the functioning of the radio interface. Thus, two types of schedulers can be identified, the opportunistic, where the scheduler considers the state of the radio channel to make the best allocation possible, and the non-opportunistic, where the allocation has no knowledge of the radio channel‘s state. As the opportunistic option adapts to the radio channel conditions it requires the transmission of a certain level of signalling from users informing about how the channel evolves along time. One of the objectives of this project is to evaluate the system performance under different degrees of feedback. To do this, different CQI reporting methods have been programmed and simulated. So, to achieve this objective it is obvious that a second one is necessary: program and simulate in a more realistic way the LTE radio channel. The followed methodology has been fundamentally the programming of different mathematical models and algorithms, as well as its simulation. In concrete, one of the main tasks in this work has been to extent a software platform of the research group Wicomtec to obtain more realistic results through dynamic simulations over a dynamic radio channel