Power and modulation assignment via Perron-root optimization for interference limited systems

The maximization of the total sum rate depends on the proper power and modulation assignment. The feasibility of such resource assignment is susceptible to the set of links that are attempted to be scheduled. In this paper we address the problem of maximizing the sum rate while guaranteeing resource assignment feasibility in interference limited wireless systems. Unlike the current literature, the allowed signal-to-interference-plus-noise ratio is constrained to take values from a finite set associated with a finite number of available modulations. Therefore, we present suboptimal but efficient algorithms to solve the joint user selection and resource (power and modulation) assignment, which is a combinatorial problem. The feasibility of the resource assignment is verified by a criterion based on the Perron-Frobenius theory whilst the optimization of the resource allocation is achieved either by user-removal like techniques or by a novel criterion derived from the Perron-Frobenius theory. We provide numerical results to confirm the efficiency of our resource allocation algorithms compared to the optimal resource allocation

Alocação de recursos para sistemas móveis multi-utilizador e multi-antena

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaThe thesis addresses the sum rate or spectral e ciency maximization problem in cellular systems with two main components, multiple antennas and multiple users. In order to solve such a problem, several resource allocation techniques are studied and developed for di erent cellular scenarios. The antennas at the transmitters are arranged in several con gurations, i.e., co-located or distributed and for such arrangements di erent levels of coordination and cooperation between transmitters are investigated. Accounting for more receiver antennas than transmitter antennas implies that system optimization must select the best transmitter-receiver match (combinatorial problem) which can be solved with di erent degrees of cooperation between transmitters. The system models studied can be classi ed either as interference limited or as power limited systems. In interference limited systems the resource allocation is carried out independently by each transmitter which yield power leakage to unintended receivers. For this kind of systems, the access network using distributed antenna architectures is examined. The properties of distributed antenna in cellular systems as well as the gains they provide in terms of frequency reuse and throughput are assessed. Accounting for multiple user scenarios, several techniques and algorithms for transmitter-receiver assignment, power allocation, and rate allocation are developed in order to maximize the spectral e ciency. In power limited systems the transmitters jointly allocate resources among transmit and receive antennas. The transmitters are equipped with multiple antennas and signal processing is implemented in order to suppress inter-user interference. Single-cell and multi-cell systems are studied and the problem of sum rate maximization is tackled by decoupling the user selection and the resource allocation (power and precoding) processes. The user selection is a function of the type of precoding technique that is implemented and the level of information that can be processed at the transmitter. The developed user selection algorithms exploit information provided by novel channel metrics which establish the spatial compatibility between users. Each metric provides a di erent trade-o between the accuracy to identify compatible users, and the complexity required to compute it. Numerical simulations are used to assess the performance of the proposed user selection techniques (metrics and algorithms) whose performance are compared to state-of-the-art techniques.Esta tese descreve o problema da maximização da taxa de transmissão ou e ciência espectral em sistemas moveis tomando em atenção duas características fundamentais destes, o número de antenas e utilizadores. A fim de resolver este tipo de problema, várias técnicas de alocação de recursos foram estudadas e propostas para diferentes cenários. As antenas nos transmissores estão organizadas em diferentes configurações, podendo ser localizadas ou distribuídas e para estes esquemas, diferentes níveis de cooperação e coordenação entre transmissores foram investigados. Assumindo mais antenas receptoras do que antenas transmissoras, implica que a otimização do sistema seleccione as melhores combinações de transmissor-receptor (problema combinatório), o que pode ser concretizado usando diferentes graus de cooperação entre transmissores. Os modelos de sistemas estudados, podem ser classificados como sistemas limitados por interferência ou sistemas limitados por potência. Em sistemas limitados por interferência a alocação de recursos e feita independentemente para cada transmissor o que resulta em perda de energia para os receptores não tomados em consideração. Para este tipo de sistemas, e considerado o caso em que a rede de acesso e constituída por antenas distribuídas. Os ganhos obtidos devido ao uso de antenas distribuídas, quer em termos do planeamento de frequências quer da maximização da taxa de transmissão são considerados. Assumindo esquemas multi-utilizador, várias técnicas e algoritmos de transmissão-recepção, alocação de potência e de taxa de transmissão foram desenvolvidos para maximizar a e ciência espectral. Para sistemas limitados em potência os transmissores alocam os recursos quer de antenas de transmissão quer de recepção conjuntamente. Os transmissores estão equipados com várias antenas e o processamento de sinal e implementado de modo a eliminar a interferência entre utilizadores. Sistemas de célula única e de múltiplas células foram estudados. Para estes foi considerado o problema da maximização de taxa de transmissão o qual foi resolvido heuristicamente, através do desacoplamento do problema em duas partes, uma onde se efectua a seleção de utilizadores e outra onde se considera a alocação de recursos. A seleção de utilizadores e feita em função do tipo de técnicas de pré-codificação implementadas e do nível de informação que o transmissor possui. Os algoritmos de seleção de utilizadores desenvolvidos verificam a compatibilidade espacial entre utilizadores, usando para tal métricas propostas. Cada uma das métricas oferece um trade-off diferente entre a precisão para identificar um utilizador compatível e a complexidade necessária para a implementar. Foram usadas simulações numéricas para avaliar a performance das técnicas de seleção de utilizadores propostas (métricas e algoritmos), performance que foi comparada com as técnicas mais inovadoras