Fairness adaptive resource allocation in OFDMA networks

Projecte realitzat en el marc d'un programa de mobilitat amb el Royal Institute of Technology (KTH)This thesis work reviews contributions regarding dynamic resource allocation problems in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems, where various system metrics can be improved by periodically reassigning sub-carriers and transmit power to terminals depending on their current channel state. The following three classical problems have been reviewed: a) the sum rate maximization problem, b) the max min rate problem, and c) the sum rate maximization with rate proportionalities. System capacity is maximized in (a), by providing optimal spectral efficiency, but also poor system fairness index. In (b) and (c), fairness is very high but the capacity and spectral efficiency have been limited due to the fair policy; so the system capacity versus fairness trade off has been highlighted. The novel contribution of this thesis work is the formulation of a new problem which includes a system fairness target constraint enabling operators the ability to adjust fairness level. Operators, according to their needs, can get the most of spectral efficiency while providing a certain level of fairness among users. Several novel results regarding the new problem of system capacity maximization with a system fairness target constraint and various comparisons of different sub-optimal fairness-adaptive algorithm families are presented in this work. From the simulation results, including metrics such as system capacity, user fairness, user satisfaction and computational demand, it was possible to conclude about the most efficient fairness-adaptive approach from the perspective of both the user and the operator

A Survey on 5G Usage Scenarios and Traffic Models

The fifth-generation mobile initiative, 5G, is a tremendous and collective effort to specify, standardize, design, manufacture, and deploy the next cellular network generation. 5G networks will support demanding services such as enhanced Mobile Broadband, Ultra-Reliable and Low Latency Communications and massive Machine-Type Communications, which will require data rates of tens of Gbps, latencies of few milliseconds and connection densities of millions of devices per square kilometer. This survey presents the most significant use cases expected for 5G including their corresponding scenarios and traffic models. First, the paper analyzes the characteristics and requirements for 5G communications, considering aspects such as traffic volume, network deployments, and main performance targets. Secondly, emphasizing the definition of performance evaluation criteria for 5G technologies, the paper reviews related proposals from principal standards development organizations and industry alliances. Finally, well-defined and significant 5G use cases are provided. As a result, these guidelines will help and ease the performance evaluation of current and future 5G innovations, as well as the dimensioning of 5G future deployments.This work is partially funded by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (project TEC2016-76795-C6-4-R)H2020 research and innovation project 5G-CLARITY (Grant No. 871428)Andalusian Knowledge Agency (project A-TIC-241-UGR18)

Adaptive radio resource management schemes for the downlink of the OFDMA-based wireless communication systems

Includes bibliographical references.Due to its superior characteristics that make it suitable for high speed mobile wireless systems OFDMA has been adopted by next generation broadband wireless standards including Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) and Long Term Evolution – Advanced (LTE-A). Intelligent and adaptive Radio Resource Management (RRM) schemes are a fundamental tool in the design of wireless systems to be able to fully and efficiently utilize the available scarce resources and be able to meet the user data rates and QoS requirements. Previous works were only concerned with maximizing system efficiency and thus used opportunistic algorithms that allocate resources to users with the best opportunities to optimize system capacity. Thus, only those users with good channel conditions were considered for resource allocation and users in bad channel conditions were left out to starve of resources. The main objective of our study is to design adaptive radio resource allocation (RRA) algorithms that distribute the scarce resources more fairly among network users while efficiently using the resources to maximize system throughput. Four scheduling algorithms have been formulated and analysed based on fairness, throughputs and delay. This was done for users demanding different services and QoS requirements. Two of the scheduling algorithms, Maximum Sum Rate (MSR) and Round Robin (RR) are used respectively, as references to analyze throughput and fairness among network users. The other two algorithms are Proportional Fair Scheduling (PFS) and Margin Adaptive Scheduling Scheme (MASS)

Análisis de la inclusión de estaciones relay en un sistema de comunicaciones móviles OFDMA y gestión de recursos radio para la nueva infraestructura

Los sistemas celulares actuales para comunicaciones inalámbricas, en los que una estación base sirve a todos los usuarios de una celda, presentan casos críticos a la hora de que todos los móviles puedan recibir un servicio adecuado y conseguir una cobertura ubicua. Claro está que los móviles cercanos a una estación base recibirán en el enlace descendente (DL-DownLink) y transmitirán en el enlace ascendente (UL-UpLink) con más holgura que los usuarios que se encuentran en el exterior de la celda, pues éstos requieren mayor potencia para obtener una SINR (Signal to Interference and Noise Ratio) adecuada al estar más cerca de celdas adyacentes que provocan sobre los mismos una elevada interferencia. Además estos usuarios problemáticos no pueden recibir/transmitir con toda la potencia que podrían requerir, pues hay que imponer determinadas restricciones que limiten el perjuicio que su transmisión implica sobre otros usuarios de la red. Así, los usuarios que se encuentran en el exterior de la célula, o más genéricamente hablando, aquéllos que poseen con la estación base de la que deben recibir servicio unas malas condiciones de canal, provocan la necesidad de implementación de nuevas técnicas que mejoren su situación y no limiten la capacidad de la celda. Una solución adecuada podría ser el despliegue de un mayor número de estaciones base con la consecuente reducción del tamaño de las celdas y el beneficio que ello provoca sobre las condiciones de canal de los usuarios, aunque el coste de infraestructura sería excesivo. Sobre este concepto de reducir virtualmente el tamaño de la celda, surge la idea de la búsqueda de nuevas entidades más sencillas, y por lo tanto de menor coste, y que sirvan de soporte auxiliar para los casos en los que el enlace directo entre una estación base y un usuario no es lo suficientemente bueno como para garantizar la calidad del servicio. Estas entidades son las estaciones relay, que podrían entenderse como pequeñas estaciones base con menor autonomía y de más sencilla implementación, que formarían junto con la infraestructura estándar un sistema multisalto, y para las que no es necesaria una comunicación cableada con las estaciones base ni entre ellas, sino wireless. El objetivo de este Trabajo Fin de Máster es estudiar el impacto que se deriva de la inclusión de nodos relays en la infraestructura de un sistema de comunicaciones móviles de banda ancha OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) en el enlace descendente y analizar y proponer diferentes métodos de gestión de recursos radio, de modo que el gasto extra de los mismos, requerido para el soporte de un mayor número de enlaces, pueda verse compensado por técnicas que aprovechen el espectro de una manera más agresiva, sin que ello derive en un elevado aumento de la interferencia que supondría un perjuicio en el funcionamiento de la red

Performance evaluation of fairness adaptive resource allocation algorithms for OFDMA networks

Projecte realitzat en el marc d'un programa de mobilitat amb el Royal Institute of Technology (KTH)The objective of this thesis is to implement and evaluate dynamic resource allocation algorithms that adjust the fairness of an OFDMA network. We consider the category of Rate Adaptive algorithms where the Base Station is assumed to transmit at full power and under this condition we try either to maximize the throughput of the system or to maximize the minimum rate of the users. The novelty within the implemented algorithms lies in the adaptive adjustment of the system fairness, an index that shows how fair the throughput of the system is split to the users. The adjustment is performed in general by reallocations of channels and power. Two approaches of adjusting the system fairness were implemented: The Fairness based Sum Rate Maximization with Proportionalities (FSRM-P) and the Fairness Based Max-Min Rate (FMMR). For each approach we initially formulate the optimization problem and then we evaluate three solutions. Because of the non-convex nature of the problems, the proposed novel solutions are iterative, heuristic and in general suboptimal. The evaluation is performed by considering the downlink of a single OFDMA cell serving a set of users which have different rate requirements. The algorithms whether an increase or decrease of the fairness is required, are able to meet the target. However this always comes at the cost of an opposite effect on throughput. Simulations results showed that for the same value of system fairness, the FSRM-P performs better in terms of throughput while the FMMR is able to be fairer with the users. Moreover, in most cases the FMMR achieves higher user satisfaction, however when the rate requirements of the users are increased the satisfaction drops to lower levels than the FSRM-P

Gestión de recursos en sistemas de móviles 4G OFDMA con despliegue de relays

Las redes de nueva generación tienen como objetivo ofrecer altas tasas de transferencia independientemente de la ubicación del usuario. En los sistemas celulares actuales una única entidad, la estación base, se encarga de dar servicio a todos los usuarios de una misma celda. Esta filosofía presenta casos críticos a la hora de ofrecer un servicio apropiado a aquellos usuarios ubicados en el exterior de la celda, ya que éstos disponen de peores condiciones de canal. Estos móviles requieren de un mayor número de recursos o de una mayor potencia para obtener una SINR (Signal to Interference and Noise Ratio) adecuada, lo cual, incrementa el nivel de interferencia sobre las celdas adyacentes. Para lograr mejores condiciones de canal y mejorar la capacidad de la celda se puede optar por reducir la distancia del enlace radio, implantando nuevas estaciones base, aunque esto supondría un aumento excesivo en el coste de infraestructura. Sobre este concepto de reducir virtualmente el tamaño de la celda, surge la idea de la búsqueda de nuevas entidades más sencillas, y por lo tanto, de menor coste, que sirvan de soporte auxiliar para los casos en los que el enlace directo entre una estación base y un usuario no sea lo suficientemente bueno como para garantizar la calidad del servicio. Una posible solución sería el despliegue de nodos relay, que podrían entenderse como pequeñas estaciones base con menor autonomía, de más sencilla implementación, que formarían junto con la infraestructura estándar un sistema multisalto y para los que no es necesaria una comunicación cableada con las estaciones base ni entre ellos, sino wireless. Los sistemas relay multisalto se presentan como una alternativa interesante para mejorar la cobertura y capacidad de las nuevas redes móviles de banda ancha OFDMA (Orthogonal Frecuency Division Multiple Access), sin embargo, la inclusión de los mismos requiere una gestión de recursos inteligente que compense el gasto extra ocasionado por ellos, ya que, en este tipo de despliegue, el enlace directo entre una estación base y un usuario se vería reemplazado por dos enlaces radio (enlace "backhaul" entre la estación base-relay, y enlace "access" entre relay-usuario). En este proyecto fin de carrera se analizan las implicaciones del uso de este tipo de despliegue en el DownLink de una red de banda ancha OFDMA, tipo LTE (Long Term Evolution) de 3GPP, con duplexado FDD (Frequency Division Duplex), considerando los relays como elementos fijos de la infraestructura y asumiendo que el despliegue se efectúa sobre la misma banda frecuencial que las comunicaciones estándar. Particularmente, en la evaluación de distintos esquemas de coordinación y asignación de recursos originales entre los enlaces que comparten la misma estructura de trama, en un escenarios multicelular. Las estrategias serán analizadas en función de la ganancia de capacidad y del nivel de interferencia generada con objeto de conseguir esquemas de reúso más agresivos que compensen el gasto extra requerido sin perjudicar las prestaciones de la red

DR9.3 Final report of the JRRM and ASM activities

Deliverable del projecte europeu NEWCOM++This deliverable provides the final report with the summary of the activities carried out in NEWCOM++ WPR9, with a particular focus on those obtained during the last year. They address on the one hand RRM and JRRM strategies in heterogeneous scenarios and, on the other hand, spectrum management and opportunistic spectrum access to achieve an efficient spectrum usage. Main outcomes of the workpackage as well as integration indicators are also summarised.Postprint (published version

Resource allocation and packet scheduling in OFDMA-based cellular networks

In this paper a study on different Radio Resource Management (RRM) methods employed in a multi-carrier cellular system is presented. This work focuses on the rate-adaptive resource allocation (sub-carriers and power), as well as the utility-based packet scheduling algorithms. The objective of the paper is to study the trade-off between system spectral efficiency and fairness among the users when the considered algorithms are used