Inteligência Swarm e Equilíbrio de Verhulst Aplicados à Alocação de Potência em Redes Ópticas CDMA Particionadas

A utilização da técnica de acesso múltiplo por divisão de códigos (CDMA) em redes puramente ópticas foi proposta levando-se em consideração sua ampla largura de banda óptica. O CDMA óptico é uma técnica que permite a múltiplos usuários compartilharem simultaneamente o mesmo canal de fibra de modo assíncrono sem \textit{delay} e sem a necessidade de gerenciamento de recursos (\textit{scheduling}). No entanto, os níveis de interferência de múltiplo acesso (MAI) são significativos nesses sistemas devido à natureza da detecção de potência incoerente. A redução desse efeito de interferência é crucial na melhoria de desempenho dos sistemas CDMA ópticos. Neste sentido, propõe-se a utilização de mecanismos de alocação de recursos, particularmente de potência, que garantam a cada usuário um desempenho mínimo aceitável em termos de taxa de erro de bit (BER). No estratégia de controle de potência centralizado é necessário que um nó central tenha informações sobre o ganho de todos os links. Por sua vez, no controle de potência particionado (rede de acesso e rede de \textit{broadcast}) verifica-se que os sinais ópticos após o acoplador estrela não contribuem na determinação da MAI e por conseguinte não afetam o balanço de potência associado a cada laser. Neste trabalho, analisa-se o problema do controle de potência para redes ópticas CDMA particionadas (p-OCDMA), sob dois pontos de vista distintos: a) modelo matemático de crescimento populacional de Verhulst, discutido em [1]; b) abordagem heurística denominada inteligência \emph{swarm} (PSO -- \textit{particle swarm optimization}). Extensivas simulações e resultados numéricos indicaram que tanto o modelo de Verhulst quanto o PSO são adequados para resolver o problema do controle de potência em redes p-OCDMA, sob o ponto de vista da otimização uni-objetivo, com resultados de convergência satisfatórios para uma variedade de cenários de operação para o sistema p-OCDMA. Finalmente, uma análise de complexidade em termos de número de operações, é realizada no sentido de obter uma quadro comparativo mais realista para as duas metodologias de otimização, indicando claramente a superioridade da abordagem analítica-iterativa da abordagem de Verhulst

Energy efficiency and capacity: resource allocation strategies in wireless multiple acess networks.

Neste trabalho são investigados problemas de alocação de espetro e potência em redes sem fio de múltiplo acesso e propostas sete soluções distintas para diferentes cenários e topologias que serão enumeradas a seguir. Primeiramente o problema de maximização da eficiência energética em redes cooperativas do tipo multiportadora com múltiplo acesso por divisão de código de sequência direta é abordado e as seguintes soluções são apresentadas: duas abordagens na perspectiva de teoria de jogos, uma utilizando algoritmo de water-filling (1) e outra utilizando o algoritmo distribuído de controle de potência baseado no equilíbrio de Verhulst (2), uma terceira solução também inspirado no último algoritmo citado e na média dos coeficientes de canal das subportadoras do sistema (3); uma abordagem heurística utilizando o algoritmo dos vaga-lumes (4) e outra utilizando a otimização por enxame de partículas (5). Em segundo lugar, foram investigados problemas de otimização em sistemas de múltiplo acesso por divisão ortogonal de frequência com provisão de qualidade de serviço estatística. Nesta segunda topologia dois problemas distintos foram analisados: o primeiro problema de maximização da capacidade efetiva do sistema foi solucionado utilizando o método de decomposição dual de Lagrange (6), o segundo problema cujo objetivo é a maximização da eficiência energética efetiva foi investigado e um solução baseada na combinação do método de Dinkelba e da decomposição dual de Lagrange foi proposta (7). Simulações computacionais foram conduzidas tendo em vista averiguar o desempenho das abordagens propostas e, quando possível, tais resultados numéricos foram comparados àqueles obtidos a partir de algoritmos alternativos existentes na literatura.This work investigates the spectrum and power allocation problems in wireless multiple access networks and seven dfferent solutions to different scenarios and topologies, which are enumerated as follows. Three distinct solutions are presented to the energy effiency maximization problem in multicarrier direct sequence code division multiple acess cooperative: two game theoretic approaches, one using the iterative water-filling algorithm (1) and another one using the distributed power control algorithm based on Verhulst equilibrium concept (2), and a third solution also based on the last algorithm but considering the average channel power gain (3); an heuristic approach using the firefly algorithm (4) and the particle swarm optimization algorithm (5). In orthogonal frequency division multiple acess networks, optimization problems considering a statistical quality of service metric were analyzed: the first one is the effective capacity maximization which was solved through Lagrange dual decomposition method (6). The second one, in which the objective is to maximize the effective energy effiency was addressed and solution based on the Dinkelba method and further application of Lagrange dual decomposition was developed (7). Simulations were conducted to verify the proposed approaches performance and, whenever possible, the numerical results were compared to previous solution proposed in the literature

Hybrid heuristic-waterfilling game theory approach in MC-CDMA resource allocation

This paper discusses the power allocation with fixed rate constraint problem in multi-carrier code division multiple access (MC-CDMA) networks, that has been solved through game theoretic perspective by the use of an iterative water-filling algorithm (IWFA). The problem is analyzed under various interference density configurations, and its reliability is studied in terms of solution existence and uniqueness. Moreover, numerical results reveal the approach shortcoming, thus a new method combining swarm intelligence and IWFA is proposed to make practicable the use of game theoretic approaches in realistic MC-CDMA systems scenarios. The contribution of this paper is twofold: (i) provide a complete analysis for the existence and uniqueness of the game solution, from simple to more realist and complex interference scenarios; (ii) propose a hybrid power allocation optimization method combining swarm intelligence, game theory and IWFA. To corroborate the effectiveness of the proposed method, an outage probability analysis in realistic interference scenarios, and a complexity comparison with the classical IWFA are presented. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.National Council for Scientific and Technological Development (CNPq) of BrazilNational Council for Scientific and Technological Development (CNPq) of Brazil [303426/2009-8