Μέθοδοι και τεχνικές βελτιστοποίησης για τη διαχείριση ραδιοπόρων σε σύγχρονα ασύρματα ευρυζωνικά συστήματα επικοινωνιών

Abstract

This doctoral thesis deals with radio resource management (RRM) issues for modern broadband wireless access systems employing the orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) technology. Based on various mathematical optimization tools we focus on three particular timely RRM problems: (1) The single-cell problem of dynamically allocating subchannels, power and transmission schemes to multiple users, supporting heterogeneous constant-rate and best-effort-like QoS profiles, (2) The single-cell problem of jointly allocating resources and scheduling multiple users, supporting heterogeneous constant-rate and fairness-like QoS profiles, and (3) The multi-cell problem of jointly and dynamically coordinating interference among cells and allocating resources to multiple users. With respect to each RRM subproblem, the corresponding mathematical optimization problem is formulated, methods for extracting the optimal allocation decision as well as tight performance upper bounds are proposed, several complexity reduction techniques are designed, and finally approximated resource allocation algorithms, with reasonable complexity and close to optimal performance are devised. The proposed schemes are evaluated in terms of various performance indicators and compared with existing mechanisms from the related literature. The major findings of our research work regard specific efficient resource allocation methodologies and algorithms targeting beyond 3G and 4G OFDMA-based radio access networks.

Το ερευνητικό αντικείμενο της διατριβής είναι η μελέτη μηχανισμών διαχείρισης πόρων σε σύγχρονα και μελλοντικά συστήματα ραδιοπρόσβασης που βασίζονται στην τεχνολογία διαμόρφωσης και πολυπλεξίας πολλαπλών φερόντων OFDMΑ. Συγκεκριμένα, βασιζόμενοι σε εργαλεία μαθηματικής βελτιστοποίησης, μελετάμε 3 καίρια υπο-προβλήματα διαχείρισης ραδιοπόρων: (1) το πρόβλημα δυναμικής ανάθεσης φερόντων, ισχύος και σχημάτων διαμόρφωσης σε ένα μονοκυψελωτό περιβάλλον πολλαπλών χρηστών και ετερογενών ζητούμενων προφίλ ποιότητας υπηρεσίας QoS (σταθερού ρυθμού και ελαστικής φύσεως), (2) το συνδυαστικό πρόβλημα της από κοινού ανάθεσης συχνοτικών πόρων και χρονοπρογραμματισμού χρηστών σε ένα μονοκυψελωτό περιβάλλον πολλαπλών χρηστών και ετερογενών κλάσεων QoS (σταθερού ρυθμού εξυπηρέτησης και αναλογικά δίκαιης κατανομής πόρων) και (3) το πρόβλημα της συντονισμένης ετεροκυψελικής ανάθεσης φερόντων σε πολυκυψελωτά περιβάλλοντα με πολλαπλά προφίλ QoS. Για κάθε ένα από τα παραπάνω υποπροβλήματα: (α) διατυπώνεται το αντίστοιχο μαθηματικό πρόβλημα βελτιστοποίησης, (β) προτείνονται μέθοδοι εξεύρεσης της βέλτιστης απόδοσης πόρων καθώς και άνω φραγμάτων για την επιτεύξιμη επίδοση, (γ) προτείνονται νέες τεχνικές απλοποίησης της πολυπλοκότητας εύρεσης της απόδοσης πόρων και (δ) αναπτύσσονται καινοτόμοι προσεγγιστικοί αλγόριθμοι επίλυσης του σχετικού προβλήματος, προβλέψιμης πολυπλοκότητας και υψηλής επίδοσης. Τα προτεινόμενα σχήματα αξιολογούνται ως προς διάφορους δείκτες επίδοσης και συγκρίνονται με υπάρχοντα σχήματα από τη σχετική βιβλιογραφία, μέσω εκτεταμένων στοχαστικών προσομοιώσεων. Τα σημαντικότερα ευρήματα της διατριβής αφορούν σε μεθοδολογίες και συγκεκριμένους αλγορίθμους για την εύρεση αποδοτικών αναθέσεων πόρων σε σύγχρονα συστήματα ραδιοπρόσβασης πέραν της 3ης και 4ης γενιάς τηλεπικοινωνιών.