A Scheduling and Resource Allocation Algorithm for LTE Networks Using Tree Structures

Το σύστημα LTE σχεδιάστηκε από τη 3GPP με στόχο την ικανοποίηση των ολοένααυξανόμενων αναγκών για ασύρματη ευρυζωνική πρόσβαση. Τεχνικές όπως το σχήμα πολλαπλής πρόσβασης OFDMA, το MIMOκαι η Προσαρμοστική Διαμόρφωση και Κωδικοποίηση υιοθετήθηκαν προκειμένου να αυξήσουν τους επιτεύξιμους ρυθμούςμετάδοσης και να βελτιώσουν τη φασματική απόδοση. Ωστόσο, απαιτείται η ανάπτυξη εξελιγμένων αλγορίθμωνχρονοπρογραμματισμού προκειμένου να αξιοποιηθεί η πλήρης δυναμική αυτών των τεχνικών. Παρά το γεγονός ότι η 3GPPέχειπροτυποποιήσει πλήρως τη σηματοδοσία ελέγχου που απαιτείται για την εκτέλεση του χρονοπρογραμματισμού, οι αλγόριθμοι πουχρειάζεται να εκτελεστούν προκειμένου να ληφθούν αποδοτικές αποφάσεις έχουν αφεθεί στους κατασκευαστές για υλοποίηση.Ωςεκ τούτου, σημαντική ερευνητική προσπάθεια έχει καταβληθεί προς αυτή την κατεύθυνση και έχουν προταθεί αρκετοίαλγόριθμοιχρονοπρογραμματισμού. Το κύριο συμπέρασμα που εξάγεται από τη μελέτη της βιβλιογραφίας είναι ότι οχρονοπρογραμματισμόςσε ένα σύστημα πολλών φερουσών με τους περιορισμούς του LTE αποτελεί ένα πολυδιάστατο πρόβλημα.Ανάμεσα στις πολλέςδιαστάσεις του, αυτές που κυρίως λαμβάνονται υπόψη στους προτεινόμενους αλγορίθμους είναι ηρυθμαπόδοση, η δικαιοσύνη και η εξασφάλιση εγγυημένης ποιότητας υπηρεσίας.Η κύρια συμβολή της παρούσας διατριβής είναι η πρόταση ενός νέου αλγόριθμου χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων ο οποίος αντιμετωπίζει τα περισσότερα από τα θέματα που καθορίζουν τησυνολική απόδοση μίας οντότητας χρονοπρογραμματισμού του LTE. Η πρόταση εστιάζει κυρίως στην πολυπλοκότητα πουεισάγεται κατά τη λήψη μίας απόφασης χρονοπρογραμματισμού. Επιχειρεί δε να επιλύσει αυτό το πρόβλημα με την εισαγωγή μίαςεξελιγμένης δενδρικής δομής η οποία επιτρέπει την αποδοτική αποθήκευση όλων των παραμέτρων που θεωρούνται ουσιώδεις στηδιαδικασία λήψης μίας απόφασης χρονοπρογραμματισμού. Με αυτό τον τρόπο η οντότητα χρονοπρογραμματισμού έχει άμεσηπρόσβαση σε αυτές τις πληροφορίες. Στην εργασία περιγράφεται ένας πλήρης αλγόριθμος προγραμματισμού στο πεδίο τουχρόνου που αξιοποιεί αυτή τη δενδρική δομή και επιπλέον προτείνονται δύο νέοι αλγόριθμοι κατανομής πόρων. Οι αλγόριθμοιαυτοί επίσης αξιοποιούν κάποιες επιπρόσθετες δενδρικές δομές οι οποίες παράγονται ύστερα από κατάλληλη προ-επεξεργασίαπου λαμβάνει χώρα πριν τη λήψη της απόφασης χρονοπρογραμματισμού. Ο πρώτος αλγόριθμος παρουσιάζει χαμηλήπολυπλοκότητα και ικανοποιητική απόδοση ενώ ο δεύτερος βελτιωμένη απόδοση με το κόστος κάποιας επιπρόσθετηςπολυπλοκότητας. Αποτελέσματα εκτεταμένων προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν την ικανότητα του προτεινόμενου σχήματος στηνικανοποίηση των αυστηρών απαιτήσεων του LTE σε ότι αφορά την ποιότητα υπηρεσίας, ενώ ταυτόχρονα η απόδοση τωνπροτεινόμενων αλγορίθμων συγκρίνεται με γνωστές τεχνικές χρονοπρογραμματισμού. Οι προτεινόμενες λύσεις είναι εφαρμόσιμες μόνο στην περίπτωση της κατωφερούς ζεύξης, ωστόσο η ίδια ιδέα μπορεί να προσαρμοστεί κατάλληλα για να παρέχει μία αποδοτική λύση και στην περίπτωση της ανωφερούς ζεύξηςLong Term Evolution (LTE) has been designed by 3GPP with the target to meet the ever increasing demands in broadband wireless access. Techniques such as OFDMA multiple access scheme, MIMO and Adaptive Modulation and Coding (AMC) have been adopted in order to boost the achieved data rates and improve spectral efficiency. However, the development of sophisticated scheduling algorithms is required so that the full potential of those techniques is exploited. Even though 3GPP has fully standardized the control signaling required to perform scheduling, the algorithms that need to be executed to make efficient decisions are left to vendor implementation. Therefore significant research effort has been dedicated to this direction and several scheduling algorithms have been proposed. The main conclusion drawn from the study of the literature is that scheduling in a multicarrier system with the restrictions of LTE constitutes a multidimensional problem. Among the multiple dimensions, those that are mostly considered in the proposed algorithms are throughput, fairness and QoS guarantee. The main contribution of this thesis is to propose a new scheduling algorithm that addresses most of the issues that define the overall performance of an LTE scheduler. The proposal focuses mainly on the complexity involved in making a scheduling decision. It attempts to resolve this issue by the introduction of a sophisticated tree structure that enables the efficient storage of all the parameters that are considered essential in the scheduling decision process. Thus the scheduler can have immediate access to this information. A full time domain scheduling algorithm that utilizes this tree structure is described and two new resource allocation algorithms are proposed. These algorithms also utilize some additional tree structures derived from appropriate preprocessing actions that take place before the actual scheduling decision. The first algorithm has low complexity and satisfactory performance while the second has improved performance with the cost of some additional complexity. Extensive simulation results confirm the capability of the proposed scheme in satisfying the strict QoS requirements of LTE, while the performance of the newly proposed algorithms is compared with well-known scheduling techniques. The proposed solutions are applicable to the downlink case, while the same concept may be adapted properly to provide an efficient solution for the uplink case

Link level performance evaluation and link abstraction for LTE/LTE-advanced downlink

Els objectius principals d'aquesta tesis són l'avaluació del rendiment a nivell d'enllaç i l'estudi de l'abstracció de l'enllaç pel LTE/LTE-Advanced DL. S’ha desenvolupat un simulador del nivell d'enllaç E-UTRA DL basat en la tecnologia MIMO-OFDM. Es simulen els errors d'estimació de canal amb un model d'error de soroll additiu Gaussià anomenat CEEM. El resultat d'aquest simulador serveix per avaluar el rendiment a nivell d'enllaç del LTE/LTE-Advanced DL en diferents entorns . La idea bàsica dels mètodes d'abstracció de l'enllaç és mapejar el vector de SNRs de les subportadores a un valor escalar, l'anomenada ESNR, la qual és usada per a predir la BLER. Proposem un innovador mètode d'abstracció de l'enllaç que pot predir la BLER amb bona precisió en esvaïments multicamí i que inclouen els efectes de les retransmissions HARQ. El mètode proposat es basa amb l'estimació de la informació mútua entre els bits transmesos i els LLRs rebuts.The main objectives of this dissertation are the evaluation of the link level performance and the study of link abstraction for LTE/LTE-Advanced DL. An E-UTRA DL link level simulator has been developed based on MIMO-OFDM technology. We simulate channel estimation errors by a Gaussian additive noise error model called CEEM. The result of this simulator serves to evaluate the MIMO-OFDM LTE/LTE-Advanced DL link level performance in different environments. The basic idea of link abstraction methods is to map the vector of the subcarrier SNRs to a single scalar, the ESNR, which is then used to predict the BLER. We propose a novel link abstraction method that can predict the BLER with good accuracy in multipath fading and including the effects of HARQ retransmissions. The proposed method is based on estimating the mutual information between the transmitted bits and the received LLRs.Postprint (published version

RBG matching based optimal relay selection and subchannel allocation

Relay selection has been shown to be a practical and effective way to achieve cooperative diversity. In wide-band OFDM cooperative communication systems with multiple source and destination nodes, however, the best relay selection and subchannel allocation has not been studied in a systematic way. In this paper, a random combinatorial optimization approach, referred to as the random bipartite graph based maximum matching (RBG matching), will be proposed to solve this problem. By applying the method of Euler beta function and generalized hypergeometric function, we will first derive a new closed-form outage probability for the best relay selection in the decode-andforward (DF) scheme. Based on this result and the properties of the maximum matching on RBG, the outage probability and diversity-multiplexing tradeoff of the proposed RBG matching method will also be derived. As a result, we will demonstrate that the outage probability and the cooperative and frequency diversity-multiplexing tradeoff of the RBG matching method for cooperative communication systems with multiple source-destination pairs is the same as that of relay systems with only one source and one destination. Besides, the proposed algorithm for maximum matching also enjoys a sublinear computation complexity O(N2/3), where N is the number of subchannels. Simulation results will illustrate the potential of the proposed RBG matching method, and also verify the theoretical derivations. © 2011 IEEE