Policy-Based Radio Resource Management in Multicast OFDMA Systems

Η ασύρματηφασματική αποδοτικότητα είναι ένας, όλο και περισσότερο, σημαντικός παράγοντας εξαιτίας της ταχείας ανάπτυξης των ασύρματων υπηρεσιών ευρείας ζώνης. Η σχεδίαση ενός συστήματος με πολλά φέροντα, όπως είναι ένα σύστημα OFDMA,επιτρέπει στα συστήματα να έχουν υψηλή χωρητικότητα για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των υπηρεσιών ευρείας ζώνης.Αυτή η αυξημένη χωρητικότητα των συστημάτων μπορεί να βελτιστοποιηθεί περαιτέρω εκμεταλλευόμενοι καλύτερα τα χαρακτηριστικά των ασύρματων καναλιών. Ηθεμελιώδηςιδέα ενός σχήματος κατανομής πόρων είναι η αποτελεσματική κατανομή των διαθέσιμων ασύρματων πόρων, όπως είναι οι υποφορείς και η ισχύς εκπομπής, μεταξύ των χρηστών του συστήματος. Σχετικά με τα προβλήματα της κατανομής πόρων σε ασύρματα συστήματα τηλεπικοινωνιών βασισμένα στην τεχνική OFDMA, η περισσότερη έρευνα επικεντρώνεται στην αναζήτηση πολιτικών ανάθεσης υποφορέων και ισχύος. Οι διαθέσιμες τεχνικές της βιβλιογραφίας δεν μπορούν να εφαρμοστούν όπως είναι σε συστήματα πολυεκπομπής. Επιπλέον, οι υπάρχουσες τεχνικές δεν μπορούν να εφαρμοστούν αμετάβλητες σε πραγματικά συστήματα στα οποία υπάρχει μεγάλος αριθμός OFDMυποφορέων, καθώς η υπολογιστική πολυπλοκότητα είναι πολύ μεγάλη. Ο βασικός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πρόταση ικανών μηχανισμών κατανομής των διαθέσιμων υποφορέων σε ασύρματα συστήματα πολυεκπομπής χρησιμοποιώντας την τεχνολογία OFDMA. Πιο συγκεκριμένα, σχετικά με τα συστήματα πολυεκπομπής, θεωρούμε ότι τόσο ο σταθμός βάσης όσο και κάθε χρήστης είναι εφοδιασμένοι με μοναδική κεραία και η μονάδα κατανομής δεν είναι ο υποφορέας, όπως στα συμβατικά συστήματα OFDMA, αλλά μία ομάδα γειτονικώνυποφορέων, η οποία ονομάζεται τεμάχιο, με σκοπό τη μείωση της μεγάλης υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Ένας αποτελεσματικός αλγόριθμος προτείνεται του οποίου ο στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με περιορισμούς στη συνολική διαθέσιμη ισχύ, στο BERανά τεμάχιο και στους αναλογικούς περιορισμούς μεταξύ των ρυθμών μετάδοσης δεδομένων των ομάδων χρηστών. Η προσομοίωση και η ανάλυση της πολυπλοκότητας που παρουσιάζονται, υποστηρίζουν τα πλεονεκτήματα της κατανομής πόρων σε συστήματα πολυεκπομπήςOFDMA τα οποία βασίζονται σε κατανομή τεμαχίων και έχουν ως στόχος την εξασφάλιση της αναλογικότητας μεταξύ των ρυθμών μετάδοσης δεδομένων των ομάδων χρηστών.Wireless spectral efficiency is increasingly important due to the rapid growth of demand for high data rate wideband wireless services. The design of a multi-carrier system, such as an OFDMA system, enables high system capacity suited for these wideband wireless services. This system capacity can be further optimized with a resource allocation scheme by exploiting the characteristics of the wireless fading channels. The fundamental idea of a resource allocation scheme is to efficiently distribute the available wireless resources, such as the subcarriers and transmission power, among all admitted users in the system. Regarding the problems of resource allocation in OFDMA-based wireless communicationsystems, much of the research effort mainly focuses on finding efficient power controland subcarrier assignment policies. With systems employing multicast transmission,the available schemes in literature are not always applicable. Moreover, the existing approachesare particularly inaccessible in practical systems in which there are a large numberof OFDM subcarriers being utilized, as the required computational burden is prohibitivelyhigh. The ultimate goal of this Thesis is therefore to propose affordable mechanisms toflexibly and effectively share out the available resources in multicast wireless systems deployingOFDMA technology. Specifically, according to multicast system, it is assumed thatboth the BS and each user are equipped witha single antenna and the allocation unit is not the subcarrier,as in conventional OFDMA systems, but a set of contiguoussubcarriers, which is called chunk, in order to alleviate the heavy computational burden. An efficient algorithmis proposed whose aim is to maximize the total throughput subject to constraints on totalavailable power,BER over a chunk, and proportional data rates constraints among multicast groups. Simulation and complexity analysis are provided to support thebenefits of chunk-based resource allocation to multicast OFDMA systems with targeting proportional data rates among multicast groups

Analysis of Bandwidth and Latency Constraints on a Packetized Cloud Radio Access Network Fronthaul

Cloud radio access network (C-RAN) is a promising architecture for the next-generation RAN to meet the diverse and stringent requirements envisioned by fifth generation mobile communication systems (5G) and future generation mobile networks. C-RAN offers several advantages, such as reduced capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure (OPEX), increased spectral efficiency (SE), higher capacity and improved cell-edge performance, and efficient hardware utilization through resource sharing and network function virtualization (NFV). However, these centralization gains come with the need for a fronthaul, which is the transport link connecting remote radio units (RRUs) to the base band unit (BBU) pool. In conventional C-RAN, legacy common public radio interface (CPRI) protocol is used on the fronthaul network to transport the raw, unprocessed baseband in-phase/quadrature-phase (I/Q) samples between the BBU and the RRUs, and it demands a huge fronthaul bandwidth, a strict low-latency, in the order of a few hundred microseconds, and a very high reliability. Hence, in order to relax the excessive fronthaul bandwidth and stringent low-latency requirements, as well as to enhance the flexibility of the fronthaul, it is utmost important to redesign the fronthaul, while still profiting from the acclaimed centralization benefits. Therefore, a flexibly centralized C-RAN with different functional splits has been introduced. In addition, 5G mobile fronthaul (often also termed as an evolved fronthaul ) is envisioned to be packet-based, utilizing the Ethernet as a transport technology. In this thesis, to circumvent the fronthaul bandwidth constraint, a packetized fronthaul considering an appropriate functional split such that the fronthaul data rate is coupled with actual user data rate, unlike the classical C-RAN where fronthaul data rate is always static and independent of the traffic load, is justifiably chosen. We adapt queuing and spatial traffic models to derive the mathematical expressions for statistical multiplexing gains that can be obtained from the randomness in the user traffic. Through this, we show that the required fronthaul bandwidth can be reduced significantly, depending on the overall traffic demand, correlation distance and outage probability. Furthermore, an iterative optimization algorithm is developed, showing the impacts of number of pilots on a bandwidth-constrained fronthaul. This algorithm achieves additional reduction in the required fronthaul bandwidth. Next, knowing the multiplexing gains and possible fronthaul bandwidth reduction, it is beneficial for the mobile network operators (MNOs) to deploy the optical transceiver (TRX) modules in C-RAN cost efficiently. For this, using the same framework, a cost model for fronthaul TRX cost optimization is presented. This is essential in C-RAN, because in a wavelength division multiplexing-passive optical network (WDM-PON) system, TRXs are generally deployed to serve at a peak load. But, because of variations in the traffic demands, owing to tidal effect, the fronthaul can be dimensioned requiring a lower capacity allowing a reasonable outage, thus giving rise to cost saving by deploying fewer TRXs, and energy saving by putting the unused TRXs in sleep mode. The second focus of the thesis is the fronthaul latency analysis, which is a critical performance metric, especially for ultra-reliable and low latency communication (URLLC). An analytical framework to calculate the latency in the uplink (UL) of C-RAN massive multiple-input multiple-output (MIMO) system is presented. For this, a continuous-time queuing model for the Ethernet switch in the fronthaul network, which aggregates the UL traffic from several massive MIMO-aided RRUs, is considered. The closed-form solutions for the moment generating function (MGF) of sojourn time, waiting time and queue length distributions are derived using Pollaczek–Khinchine formula for our M/HE/1 queuing model, and evaluated via numerical solutions. In addition, the packet loss rate – due to the inability of the packets to reach the destination in a certain time – is derived. Due to the slotted nature of the UL transmissions, the model is extended to a discrete-time queuing model. The impact of the packet arrival rate, average packet size, SE of users, and fronthaul capacity on the sojourn time, waiting time and queue length distributions are analyzed. While offloading more signal processing functionalities to the RRU reduces the required fronthaul bandwidth considerably, this increases the complexity at the RRU. Hence, considering the 5G New Radio (NR) flexible numerology and XRAN functional split with a detailed radio frequency (RF) chain at the RRU, the total RRU complexity is computed first, and later, a tradeoff between the required fronthaul bandwidth and RRU complexity is analyzed. We conclude that despite the numerous C-RAN benefits, the stringent fronthaul bandwidth and latency constraints must be carefully evaluated, and an optimal functional split is essential to meet diverse set of requirements imposed by new radio access technologies (RATs).Ein cloud-basiertes Mobilfunkzugangsnetz (cloud radio access network, C-RAN) stellt eine vielversprechende Architektur für das RAN der nächsten Generation dar, um die vielfältigen und strengen Anforderungen der fünften (5G) und zukünftigen Generationen von Mobilfunknetzen zu erfüllen. C-RAN bietet mehrere Vorteile, wie z.B. reduzierte Investitions- (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX), erhöhte spektrale Effizienz (SE), höhere Kapazität und verbesserte Leistung am Zellrand sowie effiziente Hardwareauslastung durch Ressourcenteilung und Virtualisierung von Netzwerkfunktionen (network function virtualization, NFV). Diese Zentralisierungsvorteile erfordern jedoch eine Transportverbindung (Fronthaul), die die Antenneneinheiten (remote radio units, RRUs) mit dem Pool an Basisbandeinheiten (basisband unit, BBU) verbindet. Im konventionellen C-RAN wird das bestehende CPRI-Protokoll (common public radio interface) für das Fronthaul-Netzwerk verwendet, um die rohen, unverarbeitet n Abtastwerte der In-Phaseund Quadraturkomponente (I/Q) des Basisbands zwischen der BBU und den RRUs zu transportieren. Dies erfordert eine enorme Fronthaul-Bandbreite, eine strenge niedrige Latenz in der Größenordnung von einigen hundert Mikrosekunden und eine sehr hohe Zuverlässigkeit. Um die extrem große Fronthaul-Bandbreite und die strengen Anforderungen an die geringe Latenz zu lockern und die Flexibilität des Fronthauls zu erhöhen, ist es daher äußerst wichtig, das Fronthaul neu zu gestalten und dabei trotzdem von den erwarteten Vorteilen der Zentralisierung zu profitieren. Daher wurde ein flexibel zentralisiertes CRAN mit unterschiedlichen Funktionsaufteilungen eingeführt. Außerdem ist das mobile 5G-Fronthaul (oft auch als evolved Fronthaul bezeichnet) als paketbasiert konzipiert und nutzt Ethernet als Transporttechnologie. Um die Bandbreitenbeschränkung zu erfüllen, wird in dieser Arbeit ein paketbasiertes Fronthaul unter Berücksichtigung einer geeigneten funktionalen Aufteilung so gewählt, dass die Fronthaul-Datenrate mit der tatsächlichen Nutzdatenrate gekoppelt wird, im Gegensatz zum klassischen C-RAN, bei dem die Fronthaul-Datenrate immer statisch und unabhängig von der Verkehrsbelastung ist. Wir passen Warteschlangen- und räumliche Verkehrsmodelle an, um mathematische Ausdrücke für statistische Multiplexing- Gewinne herzuleiten, die aus der Zufälligkeit im Benutzerverkehr gewonnen werden können. Hierdurch zeigen wir, dass die erforderliche Fronthaul-Bandbreite abhängig von der Gesamtverkehrsnachfrage, der Korrelationsdistanz und der Ausfallwahrscheinlichkeit deutlich reduziert werden kann. Darüber hinaus wird ein iterativer Optimierungsalgorithmus entwickelt, der die Auswirkungen der Anzahl der Piloten auf das bandbreitenbeschränkte Fronthaul zeigt. Dieser Algorithmus erreicht eine zusätzliche Reduktion der benötigte Fronthaul-Bandbreite. Mit dem Wissen über die Multiplexing-Gewinne und die mögliche Reduktion der Fronthaul-Bandbreite ist es für die Mobilfunkbetreiber (mobile network operators, MNOs) von Vorteil, die Module des optischen Sendeempfängers (transceiver, TRX) kostengünstig im C-RAN einzusetzen. Dazu wird unter Verwendung des gleichen Rahmenwerks ein Kostenmodell zur Fronthaul-TRX-Kostenoptimierung vorgestellt. Dies ist im C-RAN unerlässlich, da in einem WDM-PON-System (wavelength division multiplexing-passive optical network) die TRX im Allgemeinen bei Spitzenlast eingesetzt werden. Aufgrund der Schwankungen in den Verkehrsanforderungen (Gezeiteneffekt) kann das Fronthaul jedoch mit einer geringeren Kapazität dimensioniert werden, die einen vertretbaren Ausfall in Kauf nimmt, was zu Kosteneinsparungen durch den Einsatz von weniger TRXn und Energieeinsparungen durch den Einsatz der ungenutzten TRX im Schlafmodus führt. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit ist die Fronthaul-Latenzanalyse, die eine kritische Leistungskennzahl liefert, insbesondere für die hochzuverlässige und niedriglatente Kommunikation (ultra-reliable low latency communications, URLLC). Ein analytisches Modell zur Berechnung der Latenz im Uplink (UL) des C-RAN mit massivem MIMO (multiple input multiple output) wird vorgestellt. Dazu wird ein Warteschlangen-Modell mit kontinuierlicher Zeit für den Ethernet-Switch im Fronthaul-Netzwerk betrachtet, das den UL-Verkehr von mehreren RRUs mit massivem MIMO aggregiert. Die geschlossenen Lösungen für die momenterzeugende Funktion (moment generating function, MGF) von Verweildauer-, Wartezeit- und Warteschlangenlängenverteilungen werden mit Hilfe der Pollaczek-Khinchin-Formel für unser M/HE/1-Warteschlangenmodell hergeleitet und mittels numerischer Verfahren ausgewertet. Darüber hinaus wird die Paketverlustrate derjenigen Pakete, die das Ziel nicht in einer bestimmten Zeit erreichen, hergeleitet. Aufgrund der Organisation der UL-Übertragungen in Zeitschlitzen wird das Modell zu einem Warteschlangenmodell mit diskreter Zeit erweitert. Der Einfluss der Paketankunftsrate, der durchschnittlichen Paketgröße, der SE der Benutzer und der Fronthaul-Kapazität auf die Verweildauer-, dieWartezeit- und dieWarteschlangenlängenverteilung wird analysiert. Während das Verlagern weiterer Signalverarbeitungsfunktionalitäten an die RRU die erforderliche Fronthaul-Bandbreite erheblich reduziert, erhöht sich dadurch im Gegenzug die Komplexität der RRU. Daher wird unter Berücksichtigung der flexiblen Numerologie von 5G New Radio (NR) und der XRAN-Funktionenaufteilung mit einer detaillierten RF-Kette (radio frequency) am RRU zunächst die gesamte RRU-Komplexität berechnet und später ein Kompromiss zwischen der erforderlichen Fronthaul-Bandbreite und der RRU-Komplexität untersucht. Wir kommen zu dem Schluss, dass trotz der zahlreichen Vorteile von C-RAN die strengen Bandbreiten- und Latenzbedingungen an das Fronthaul sorgfältig geprüft werden müssen und eine optimale funktionale Aufteilung unerlässlich ist, um die vielfältigen Anforderungen der neuen Funkzugangstechnologien (radio access technologies, RATs) zu erfüllen

Design and Analysis of Medium Access Control Protocols for Broadband Wireless Networks

The next-generation wireless networks are expected to integrate diverse network architectures and various wireless access technologies to provide a robust solution for ubiquitous broadband wireless access, such as wireless local area networks (WLANs), Ultra-Wideband (UWB), and millimeter-wave (mmWave) based wireless personal area networks (WPANs), etc. To enhance the spectral efficiency and link reliability, smart antenna systems have been proposed as a promising candidate for future broadband access networks. To effectively exploit the increased capabilities of the emerging wireless networks, the different network characteristics and the underlying physical layer features need to be considered in the medium access control (MAC) design, which plays a critical role in providing efficient and fair resource sharing among multiple users. In this thesis, we comprehensively investigate the MAC design in both single- and multi-hop broadband wireless networks, with and without infrastructure support. We first develop mathematical models to identify the performance bottlenecks and constraints in the design and operation of existing MAC. We then use a cross-layer approach to mitigate the identified bottleneck problems. Finally, by evaluating the performance of the proposed protocols with analytical models and extensive simulations, we determine the optimal protocol parameters to maximize the network performance. In specific, a generic analytical framework is developed for capacity study of an IEEE 802.11 WLAN in support of non-persistent asymmetric traffic flows. The analysis can be applied for effective admission control to guarantee the quality of service (QoS) performance of multimedia applications. As the access point (AP) becomes the bottleneck in an infrastructure based WLAN, we explore the multiple-input multiple-output (MIMO) capability in the future IEEE 802.11n WLANs and propose a MIMO-aware multi-user (MU) MAC. By exploiting the multi-user degree of freedom in a MIMO system to allow the AP to communicate with multiple users in the downlink simultaneously, the proposed MU MAC can minimize the AP-bottleneck effect and significantly improve the network capacity. Other enhanced MAC mechanisms, e.g., frame aggregation and bidirectional transmissions, are also studied. Furthermore, different from a narrowband system where simultaneous transmissions by nearby neighbors collide with each other, wideband system can support multiple concurrent transmissions if the multi-user interference can be properly managed. Taking advantage of the salient features of UWB and mmWave communications, we propose an exclusive region (ER) based MAC protocol to exploit the spatial multiplexing gain of centralized UWB and mmWave based wireless networks. Moreover, instead of studying the asymptotic capacity bounds of arbitrary networks which may be too loose to be useful in realistic networks, we derive the expected capacity or transport capacity of UWB and mmWave based networks with random topology. The analysis reveals the main factors affecting the network (transport) capacity, and how to determine the best protocol parameters to maximize the network capacity. In addition, due to limited transmission range, multi-hop relay is necessary to extend the communication coverage of UWB networks. A simple, scalable, and distributed UWB MAC protocol is crucial for efficiently utilizing the large bandwidth of UWB channels and enabling numerous new applications cost-effectively. To address this issue, we further design a distributed asynchronous ER based MAC for multi-hop UWB networks and derive the optimal ER size towards the maximum network throughput. The proposed MAC can significantly improve both network throughput and fairness performance, while the throughput and fairness are usually treated as a tradeoff in other MAC protocols