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

Multi-carrier transmission techniques toward flexible and efficient wireless communication systems

制度:新 ; 文部省報告番号:甲2562号 ; 学位の種類:博士(国際情報通信学) ; 授与年月日:2008/3/15 ; 早大学位記番号:新470

A Framework Design for the Next-Generation Radio Access System

Extensive use of the Internet and huge demands for multimedia services via portable devices require the development of packet-based radio access systems with high transmission efficiency. Advanced radio transmission technologies have recently been proposed to achieve this challenging task. However, few researches have been reported on the design of an integrated system that can efficiently exploit the advantages of these transmission technologies. This paper considers the design of a packet-based cellular system for next-generation radio access. We propose a novel system framework that can incorporate various advanced transmission technologies such as link adaptation, opportunistic packet scheduling, channel coding, and multiantenna techniques. For efficient use of these technologies together, we first investigate the interoperability between these technologies by proposing a so-called cause and effect analysis. Based on this investigation, we design a differentiated-segments-based orthogonal frequency-division multiplexing system, called DiffSeg, to accommodate heterogeneous operating conditions in a seamless manner. Simulation results show that the proposed DiffSeg system can provide a nearly optimum performance with flexible configuration in a wide range of wireless channel conditions

Fast cell site selection with interference avoidance in cellular packet based OFDM systems.

In this paper, we consider fast cell site selection (FCS) in packet based OFDM cellular systems. Mobile station (MS) in multi-coverage regions or soft handover region can have opportunities to select a link better than from the current cell. Conventional FCS schemes track the channel fading variation, achieving a selection diversity gain [1]. However, MSs near the cell boundary suffer from other cell interference (OCI) which is highly time-varying and unpredictable. Therefore, it may be desirable for FCS to reduce the OCI effect near the cell boundary. In this paper, we propose an FCS scheme with interference avoidance for a packet based OFDM system and analyze its performance. Finally, the analytic performance of the proposed scheme is verified by computer simulatio

A General Framework for Analyzing, Characterizing, and Implementing Spectrally Modulated, Spectrally Encoded Signals

Fourth generation (4G) communications will support many capabilities while providing universal, high speed access. One potential enabler for these capabilities is software defined radio (SDR). When controlled by cognitive radio (CR) principles, the required waveform diversity is achieved via a synergistic union called CR-based SDR. Research is rapidly progressing in SDR hardware and software venues, but current CR-based SDR research lacks the theoretical foundation and analytic framework to permit efficient implementation. This limitation is addressed here by introducing a general framework for analyzing, characterizing, and implementing spectrally modulated, spectrally encoded (SMSE) signals within CR-based SDR architectures. Given orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a 4G candidate signal, OFDM-based signals are collectively classified as SMSE since modulation and encoding are spectrally applied. The proposed framework provides analytic commonality and unification of SMSE signals. Applicability is first shown for candidate 4G signals, and resultant analytic expressions agree with published results. Implementability is then demonstrated in multiple coexistence scenarios via modeling and simulation to reinforce practical utility

Performance study of air interface for broadband wireless packet access

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaNa última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.In the last decade mobile wireless communications have witnessed an explosive growth in the user’s penetration rate and their widespread deployment around the globe. It is expected that this tendency will continue to increase with the convergence of fixed Internet wired networks with mobile ones and with the evolution to the full IP architecture paradigm. Therefore mobile wireless communications will be of paramount importance on the development of the information society of the near future. In particular a research topic of particular relevance in telecommunications nowadays is related to the design and implementation of mobile communication systems of 4th generation. 4G networks will be characterized by the support of multiple radio access technologies in a core network fully compliant with the Internet Protocol (all IP paradigm). Such networks will sustain the stringent quality of service (QoS) requirements and the expected high data rates from the type of multimedia applications to be available in the near future. The approach followed in the design and implementation of the mobile wireless networks of current generation (2G and 3G) has been the stratification of the architecture into a communication protocol model composed by a set of layers, in which each one encompasses some set of functionalities. In such protocol layered model, communications is only allowed between adjacent layers and through specific interface service points. This modular concept eases the implementation of new functionalities as the behaviour of each layer in the protocol stack is not affected by the others. However, the fact that lower layers in the protocol stack model do not utilize information available from upper layers, and vice versa, downgrades the performance achieved. This is particularly relevant if multiple antenna systems, in a MIMO (Multiple Input Multiple Output) configuration, are implemented. MIMO schemes introduce another degree of freedom for radio resource allocation: the space domain. Contrary to the time and frequency domains, radio resources mapped into the spatial domain cannot be assumed as completely orthogonal, due to the amount of interference resulting from users transmitting in the same frequency sub-channel and/or time slots but in different spatial beams. Therefore, the availability of information regarding the state of radio resources, from lower to upper layers, is of fundamental importance in the prosecution of the levels of QoS expected from those multimedia applications. In order to match applications requirements and the constraints of the mobile radio channel, in the last few years researches have proposed a new paradigm for the layered architecture for communications: the cross-layer design framework. In a general way, the cross-layer design paradigm refers to a protocol design in which the dependence between protocol layers is actively exploited, by breaking out the stringent rules which restrict the communication only between adjacent layers in the original reference model, and allowing direct interaction among different layers of the stack. An efficient management of the set of available radio resources demand for the implementation of efficient and low complexity packet schedulers which prioritize user’s transmissions according to inputs provided from lower as well as upper layers in the protocol stack, fully compliant with the cross-layer design paradigm. Specifically, efficiently designed packet schedulers for 4G networks should result in the maximization of the capacity available, through the consideration of the limitations imposed by the mobile radio channel and comply with the set of QoS requirements from the application layer. IEEE 802.16e standard, also named as Mobile WiMAX, seems to comply with the specifications of 4G mobile networks. The scalable architecture, low cost implementation and high data throughput, enable efficient data multiplexing and low data latency, which are attributes essential to enable broadband data services. Also, the connection oriented approach of Its medium access layer is fully compliant with the quality of service demands from such applications. Therefore, Mobile WiMAX seems to be a promising 4G mobile wireless networks candidate. In this thesis it is proposed the investigation, design and implementation of packet scheduling algorithms for the efficient management of the set of available radio resources, in time, frequency and spatial domains of the Mobile WiMAX networks. The proposed algorithms combine input metrics from physical layer and QoS requirements from upper layers, according to the crosslayer design paradigm. Proposed schedulers are evaluated by means of system level simulations, conducted in a system level simulation platform implementing the physical and medium access control layers of the IEEE802.16e standard

Resource allocation in cellular CDMA systems with cross- layer Optimization

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH