Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1850
Main Title: Resource Allocation for Single and Multiple Antenna OFDM Uplink and Downlink Systems
Translated Title: Ressourcenvergabe für die Auf- und Abwärtsstrecke von OFDM Systemen mit einer sowie mehreren Antennen
Author(s): Michel, Thomas
Advisor(s): Boche, Holger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der optimalen Ressourcenvergabe in zellularen Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)-Mehrträgersystemen mit einer sowie mehreren Antennen, wobei Aufwärts- und Abwärtsstrecke behandelt werden. Besonderes Interesse gilt der Berücksichtigung von nutzerspezifischen Ratenanforderungen, um der zunehmenden Bedeutung von Quality of Service in realen Systemen Rechnung zu tragen. Im ersten Teil wird die optimale Leistungsallokation für den Fall nur je einer Antenne und zeit-invarianter Kanäle untersucht. Drei Referenzprobleme werden vorgestellt und gelöst, wobei parallele Gauß-Kanäle zur informationstheoretischen Modellierung von OFDM-Systemen dienen. Sowohl die Abwärtsstecke als auch die Aufwärtsstrecke liefern Möglichkeiten die vorgestellten Referenzprobleme zu lösen. Die Algorithmen, die die Formulierung der Aufwärtsstrecke nutzen, können hierbei besonders anschaulich als Water-filling bezüglich allozierter Raten interpretiert werden. Basierend auf den erzielten Ergebnissen widmet sich der zweite Teil der verzögerungsbeschränkten Übertragung mittels OFDM. Das Konzept der verzögerungsbeschränkten Kapazität bietet in diesem Kontext eine gute Möglichkeit das Potenzial verzögerungssensitiver Nachrichten-Übertragung zu quantifizieren. Um Bedingungen herzuleiten, unter denen verzögerungsbeschränkte Übertragung möglich ist, werden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einer Antenne untersucht. Auch wird in diesem Rahmen der Einfluss verschiedener Systemparameter auf die verzögerungsbeschränkte Kapazität charakterisiert. Der folgende Teil wendet sich der komplizierteren Abwärtsstrecke zu, deren verzögerungsbeschränkte Kapazitätsregion man mit Hilfe eines iterativen Algorithmus evaluieren kann. Ferner werden untere Schranken für diese Region präsentiert. Der letzte Abschnitt schließlich untersucht das für die Praxis sehr wichtige Problem der Leistungsminimierung bei gegebenen Ratenanforderungen, wenn zusätzlich zu berücksichtigen ist, dass Unterträger an nur je einen einzigen Nutzer vergeben werden dürfen. Die präsentierten Algorithmen zur Lösung des Problems können als duale Optimierungsverfahren interpretert werden und verallgemeinern Ideen aus dem ersten Teil der Arbeit. Der dritte Teil erweitert die Untersuchung optimaler Leistungsallokationen für zeit-invariante Kanäle auf den Fall mehrerer Antennen. Anders als im vorherigen Fall mit nur einer Antenne ist eine Lösung der Referenzprobleme für die Abwärtstrecke nicht mehr direkt möglich. Es müssen Dualitätsbeziehungen genutzt werden um die Probleme über den Umweg der Aufwärtsstrecke anzugehen. Der Grund hierfür ist in der mathematischen Struktur zu finden, welche die Existenz räumlicher Freiheitsgrade im Fall mehrerer Antennen stark verändert. Im weiteren Verlauf wird der Einfluss der Nutzerzahl auf die Summenrate charakterisiert und für den Fall einer Summenratenanforderung eine algorithmische Lösung präsentiert, die ein sehr gutes Konvergenzverhalten auch für Probleme mit vielen Nutzern und vielen Unterträgern aufweist. Abschließend werden Möglichkeiten diskutiert die dualen Optimierungsansätze im Fall exklusiver Unterträgervergabe für Szenarien mit mehreren Antennen zu verallgemeinern.
In this thesis the optimum allocation of resources in single and multiple antenna Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) uplink and downlink systems is studied. A special focus lies on the incorporation of minimum rate constraints in order to reflect the increasing importance of Quality of Service requirements in real systems. In the first part we investigate the optimum power allocation for time-invariant channels in the single antenna case. To this end we solve three reference problems modeling OFDM systems as a set of parallel Gaussian channels. We present a downlink approach as well as an equivalent uplink formulation where the derived uplink algorithms have an appealing interpretation as water-filling with respect to rates. Equipped with these results we turn towards the topic of delay-limited transmission over single antenna OFDM channels in the second part. The delay-limited capacity is an important metric to quantify the possibilities for delay-sensitive communication. As a first step, point-to-point links are studied in order to derive conditions on the existence of a non-zero delay-limited capacity and to understand the general dependency on system parameters. Subsequently we turn towards the more complicated downlink and derive an algorithm to evaluate the OFDM delay limited capacity region as well as lower bounds. The last section of this part focuses on the practically important topic of power minimization under rate constraints with exclusive subcarrier assignment and presents algorithms generalizing principles from the first part. Thereafter we extend our study of optimum resource allocation for time-invariant channels to the case of multiple antennas in part three. We study the introduced reference problems in the uplink and use recent duality results to transform the solutions to the dual downlink. A direct downlink formulation is not possible anymore since the necessary mathematical structure is lost due to the additional spatial degrees of freedom. Taking the fading statistics into account we then characterize the influence of the number of users on the multiple antenna OFDM sum capacity and on the sum rate achievable with exclusive subcarrier assignment. Further, we derive a rate water-filling algorithm for the case of a throughput constraint which exhibits an excellent convergence behavior. Finally, we comment on the possibilities to generalize the dual optimization methods used for single antenna systems under exclusive subcarrier assignment constraints to scenarios with multiple antennas.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18513
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2147
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1850
Exam Date: 24-Apr-2008
Issue Date: 15-May-2008
Date Available: 15-May-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Mehrantennensysteme
OFDM
Ressourcenvergabe
MIMO
OFDM
Resource allocation
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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