Resource Management in Multicarrier Based Cognitive Radio Systems

The ever-increasing growth of the wireless application and services affirms the importance of the effective usage of the limited radio spectrum. Existing spectrum management policies have led to significant spectrum under-utilization. Recent measurements showed that large range of the spectrum is sparsely used in both temporal and spatial manner. This conflict between the inefficient usage of the spectrum and the continuous evolution in the wireless communication calls upon the development of more flexible management policies. Cognitive radio (CR) with the dynamic spectrum access (DSA) is considered to be a key technology in making the best solution of this conflict by allowing a group of secondary users (SUs) to share the radio spectrum originally allocated to the primary user (PUs). The operation of CR should not negatively alter the performance of the PUs. Therefore, the interference control along with the highly dynamic nature of PUs activities open up new resource allocation problems in CR systems. The resource allocation algorithms should ensure an effective share of the temporarily available frequency bands and deliver the solutions in timely fashion to cope with quick changes in the network. In this dissertation, the resource management problem in multicarrier based CR systems is considered. The dissertation focuses on three main issues: 1) design of efficient resource allocation algorithms to allocate subcarriers and powers between SUs such that no harmful interference is introduced to PUs, 2) compare the spectral efficiency of using different multicarrier schemes in the CR physical layer, specifically, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and filter bank multicarrier (FBMC) schemes, 3) investigate the impact of the different constraints values on the overall performance of the CR system. Three different scenarios are considered in this dissertation, namely downlink transmission, uplink transmission, and relayed transmission. For every scenario, the optimal solution is examined and efficient sub-optimal algorithms are proposed to reduce the computational burden of obtaining the optimal solution. The suboptimal algorithms are developed by separate the subcarrier and power allocation into two steps in downlink and uplink scenarios. In the relayed scenario, dual decomposition technique is used to obtain an asymptotically optimal solution, and a joint heuristic algorithm is proposed to find the suboptimal solution. Numerical simulations show that the proposed suboptimal algorithms achieve a near optimal performance and perform better than the existing algorithms designed for cognitive and non-cognitive systems. Eventually, the ability of FBMC to overcome the OFDM drawbacks and achieve more spectral efficiency is verified which recommends the consideration of FBMC in the future CR systems.El crecimiento continuo de las aplicaciones y servicios en sistemas inal´ambricos, indica la importancia y necesidad de una utilizaci´on eficaz del espectro radio. Las pol´ıticas actuales de gesti´on del espectro han conducido a una infrautilizaci´on del propio espectro radioel´ectrico. Recientes mediciones en diferentes entornos han mostrado que gran parte del espectro queda poco utilizado en sus ambas vertientes, la temporal, y la espacial. El permanente conflicto entre el uso ineficiente del espectro y la evoluci´on continua de los sistemas de comunicaci´on inal´ambrica, hace que sea urgente y necesario el desarrollo de esquemas de gesti´on del espectro m´as flexibles. Se considera el acceso din´amico (DSA) al espectro en los sistemas cognitivos como una tecnolog´ıa clave para resolver este conflicto al permitir que un grupo de usuarios secundarios (SUs) puedan compartir y acceder al espectro asignado inicialmente a uno o varios usuarios primarios (PUs). Las operaciones de comunicaci´on llevadas a cabo por los sistemas radio cognitivos no deben en ning´un caso alterar (interferir) los sistemas primarios. Por tanto, el control de la interferencia junto al gran dinamismo de los sistemas primarios implica nuevos retos en el control y asignaci´on de los recursos radio en los sistemas de comunicaci´on CR. Los algoritmos de gesti´on y asignaci´on de recursos (Radio Resource Management-RRM) deben garantizar una participaci´on efectiva de las bandas con frecuencias disponibles temporalmente, y ofrecer en cada momento oportunas soluciones para hacer frente a los distintos cambios r´apidos que influyen en la misma red. En esta tesis doctoral, se analiza el problema de la gesti´on de los recursos radio en sistemas multiportadoras CR, proponiendo varias soluciones para su uso eficaz y coexistencia con los PUs. La tesis en s´ı, se centra en tres l´ıneas principales: 1) el dise˜no de algoritmos eficientes de gesti´on de recursos para la asignaci´on de sub-portadoras y distribuci´on de la potencia en sistemas segundarios, evitando asi cualquier interferencia que pueda ser perjudicial para el funcionamiento normal de los usuarios de la red primaria, 2) analizar y comparar la eficiencia espectral alcanzada a la hora de utilizar diferentes esquema de transmisi´on multiportadora en la capa f´ısica del sistema CR, espec´ıficamente en sistemas basados en OFDM y los basados en banco de filtros multiportadoras (Filter bank Multicarrier-FBMC), 3) investigar el impacto de las diferentes limitaciones en el rendimiento total del sistema de CR. Los escenarios considerados en esta tesis son tres, es decir; modo de transmisi´on descendente (downlink), modo de transmisi´on ascendente (uplink), y el modo de transmisi´on ”Relay”. En cada escenario, la soluci´on ´optima es examinada y comparada con algoritmos sub- ´optimos que tienen como objetivo principal reducir la carga computacional. Los algoritmos sub-´optimos son llevados a cabo en dos fases mediante la separaci´on del propio proceso de distribuci´on de subportadoras y la asignaci´on de la potencia en los modos de comunicaci´on descendente (downlink), y ascendente (uplink). Para los entornos de tipo ”Relay”, se ha utilizado la t´ecnica de doble descomposici´on (dual decomposition) para obtener una soluci´on asint´oticamente ´optima. Adem´as, se ha desarrollado un algoritmo heur´ıstico para poder obtener la soluci´on ´optima con un reducido coste computacional. Los resultados obtenidos mediante simulaciones num´ericas muestran que los algoritmos sub-´optimos desarrollados logran acercarse a la soluci´on ´optima en cada uno de los entornos analizados, logrando as´ı un mayor rendimiento que los ya existentes y utilizados tanto en entornos cognitivos como no-cognitivos. Se puede comprobar en varios resultados obtenidos en la tesis la superioridad del esquema multiportadora FBMC sobre los sistemas basados en OFDM para los entornos cognitivos, causando una menor interferencia que el OFDM en los sistemas primarios, y logrando una mayor eficiencia espectral. Finalmente, en base a lo analizado en esta tesis, podemos recomendar al esquema multiportadora FBMC como una id´onea y potente forma de comunicaci´on para las futuras redes cognitivas

D13.2 Techniques and performance analysis on energy- and bandwidth-efficient communications and networking

Deliverable D13.2 del projecte europeu NEWCOM#The report presents the status of the research work of the various Joint Research Activities (JRA) in WP1.3 and the results that were developed up to the second year of the project. For each activity there is a description, an illustration of the adherence to and relevance with the identified fundamental open issues, a short presentation of the main results, and a roadmap for the future joint research. In the Annex, for each JRA, the main technical details on specific scientific activities are described in detail.Peer ReviewedPostprint (published version

A Survey of Downlink Non-orthogonal Multiple Access for 5G Wireless Communication Networks

Accepted by ZTE CommunicationsAccepted by ZTE CommunicationsAccepted by ZTE CommunicationsAccepted by ZTE CommunicationsAccepted by ZTE CommunicationsNon-orthogonal multiple access (NOMA) has been recognized as a promising multiple access technique for the next generation cellular communication networks. In this paper, we first discuss a simple NOMA model with two users served by a single-carrier simultaneously to illustrate its basic principles. Then, a more general model with multicarrier serving an arbitrary number of users on each subcarrier is also discussed. An overview of existing works on performance analysis, resource allocation, and multiple-input multiple-output NOMA are summarized and discussed. Furthermore, we discuss the key features of NOMA and its potential research challenges

Distributed power allocation for D2D communications underlaying/overlaying OFDMA cellular networks

The implementation of device-to-device (D2D) underlaying or overlaying pre-existing cellular networks has received much attention due to the potential of enhancing the total cell throughput, reducing power consumption and increasing the instantaneous data rate. In this paper we propose a distributed power allocation scheme for D2D OFDMA communications and, in particular, we consider the two operating modes amenable to a distributed implementation: dedicated and reuse modes. The proposed schemes address the problem of maximizing the users' sum rate subject to power constraints, which is known to be nonconvex and, as such, extremely difficult to be solved exactly. We propose here a fresh approach to this well-known problem, capitalizing on the fact that the power allocation problem can be modeled as a potential game. Exploiting the potential games property of converging under better response dynamics, we propose two fully distributed iterative algorithms, one for each operation mode considered, where each user updates sequentially and autonomously its power allocation. Numerical results, computed for several different user scenarios, show that the proposed methods, which converge to one of the local maxima of the objective function, exhibit performance close to the maximum achievable optimum and outperform other schemes presented in the literature

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