Radio resource management for OFDMA systems under practical considerations.

Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) is used on the downlink of broadband wireless access (BWA) networks such as Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) and Long Term Evolution (LTE) as it is able to offer substantial advantages such as combating channel impairments and supporting higher data rates. Also, by dynamically allocating subcarriers to users, frequency domain diversity as well as multiuser diversity can be effectively exploited so that performance can be greatly improved. The main focus of this thesis is on the development of practical resource allocation schemes for the OFDMA downlink. Imperfect Channel State Information (CSI), the limited capacity of the dedicated link used for CSI feedback, and the presence of a Connection Admission Control (CAC) unit are issues that are considered in this thesis to develop practical schemes. The design of efficient resource allocation schemes heavily depends on the CSI reported from the users to the transmitter. When the CSI is imperfect, a performance degradation is realized. It is therefore necessary to account for the imperfectness of the CSI when assigning radio resources to users. The first part of this thesis considers resource allocation strategies for OFDMA systems, where the transmitter only knows the statistical knowledge of the CSI (SCSI). The approach used shows that resources can be optimally allocated to achieve a performance that is comparable to that achieved when instantaneous CSI (ICSI) is available. The results presented show that the performance difference between the SCSI and ICSI based resource allocation schemes depends on the number of active users present in the cell, the Quality of Service (QoS) constraint, and the signal-to- noise ratio (SNR) per subcarrier. In practical systems only SCSI or CSI that is correlated to a certain extent with the true channel state can be used to perform resource allocation. An approach to quantifying the performance degradation for both cases is presented for the case where only a discrete number of modulation and coding levels are available for adaptive modulation and coding (AMC). Using the CSI estimates and the channel statistics, the approach can be used to perform resource allocation for both cases. It is shown that when a CAC unit is considered, CSI that is correlated with its present state leads to significantly higher values of the system throughput even under high user mobility. Motivated by the comparison between the correlated and statistical based resource allocation schemes, a strategy is then proposed which leads to a good tradeoff between overhead consumption and fairness as well as throughput when the presence of a CAC unit is considered. In OFDMA networks, the design of efficient CAC schemes also relies on the user CSI. The presence of a CAC unit needs to be considered when designing practical resource allocation schemes for BWA networks that support multiple service classes as it can guarantee fairness amongst them. In this thesis, a novel mechanism for CAC is developed which is based on the user channel gains and the cost of each service. This scheme divides the available bandwidth in accordance with a complete partitioning structure which allocates each service class an amount of non-overlapping bandwidth resource. In summary, the research results presented in this thesis contribute to the development of practical radio resource management schemes for BWA networks

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

Scheduling in OFDMA systems with outdated channel knowledge

International audienc