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Main Title: Dynamic Resource Allocation in Packet-Oriented Multi-Cell OFDMA Systems
Translated Title: Dynamische Ressourcenzuteilung in Paket-basierten Mehrzellen OFDMA Systemen
Author(s): Bohge, Mathias
Advisor(s): Wolisz, Adam
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Art der Nutzung von Mobiltelefonen hat sich im letzten Jahrzehnt entscheidend verändert. Während vor zehn Jahren Telefongespräche von relativ geringer Bitrate den Hauptanteil des Datenverkehrs in zellulären Mobiltelefonnetzwerken ausgemacht hat, dominieren heute hochbitratige Multimedia-Anwendungen den Netzwerkverkehr. In Zuge dieser Entwicklung und der Integration mit dem Internet, haben moderne zelluläre Systeme eine paketorientierte Architektur erhalten. Außerdem hat der immerwährende Bedarf an höheren Datenraten die Entwicklung neuartiger Übertragungs- und Medienzugriffsverfahren erfordert. Die derzeit am weitest verbreitete kombinierte Übertragungs- und Medienzugriffstechnik ist Orthogonal Frequency Division Multple Access (OFMDA). OFDMA-basierte Systeme spalten die vorhandene Systembandbreite in schmalbandige parallele Subkanäle auf. Ein hochratiger Bitstrom wird am Sender in mehrere Ströme von geringer Bitrate gesplittet und über die Subkanäle verteilt gesendet. Dabei können unterschiedliche Subkanäle gleichzeitig unterschiedlichen Nutzern zugeteilt werden. Verschiedene Forschungsarbeiten aus den letzten Jahren zeigen die Möglichkeit einer Verbesserung der Systemeffizienz auf, wenn die Übertragungsressourcen, also die Übertragungsleistung und die Subkanalzuordnung, dynamisch zugeteilt werden. Jedoch haben entsprechende Mechanismen eine erhöhte Systemkomplexität und einen zusätzlichen Signalisierungsaufwand zur Folge. Außerdem wurden sie ursprünglich für Systeme entwickelt, die sich von paketorientierten zellulären Systemen in drei Punkten grundsätzlich unterscheiden: in der Übermittlung der Daten in Paketform, in Art und Umfang des notwendigen Signalisierungsaufwandes und bezüglich der besonderen Interferenz-Situation in zellulären Systemen. Die vorliegende Arbeit widmet sich den grundsätzlichen Fragestellungen, die auftreten, wenn entsprechende dynamische Mechanismen im Downlink von OFDMA-basierten zellulären Systemen zum Einsatz kommen sollen. Insbesondere werden im Rahmen dieser Arbeit mathematische Optimierungsmodelle entwickelt, durch die das Potential des Einsatzes verschiedener dynamischer Mechanismen in solchen Systemen bestimmt werden kann. Es wird gezeigt, dass durch den Einsatz verschiedener dynamischer Techniken am Daten- und Signalisierungskanal der Durchsatz, die Fairness zwischen Teilnehmern, sowie die Übertragungszuverlässigkeit entscheidend verbessert werden können; und dass durch eine zellübergreifend optimierte Ressourcenvergabe auf sonst übliche Interferenzunterdrückungsmechanismen verzichtet werden kann. Da es mit der heute üblichen Hardware in entsprechenden Systemen nicht möglich ist, die Ressourcenverteilungsprobleme optimal zu lösen, werden anschließend an die Gewinnpotentialbestimmung der einzelnen Ansätze heuristische Algorithmen entwickelt. Diese Heuristiken sind in der Lage, die Optimierungsprobleme sub-optimal, aber effizient zu lösen. Im einzelnen werden ein kombinierter Subkanal-Zuweisungs-/Packet-Auswahl-Algorithmus, ein dynamischer Leistungszuweisungs- und ein dynamischer Kodierungsalgorithmus für den Signalisierungskanal, sowie ein zellübergreifender Leistungs-Koordinierungsalgorithmus vorgestellt. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit die potentiellen Gewinne, die durch den Einsatz dynamischer Mechanismen in paketorientierten OFDMA-basierten zellulären System erzielbar sind auf, und stellt heuristische Algorithmen zur effizienten Implementierung der dynamischen Ansätze zur Verfügung.
Over the last decade, the scope of cellular networks has been shifted from low bit rate voice delivery to high bit rate multimedia services. Consequently, cellular systems have evolved from the circuit switched to the packet oriented system architecture, and an integration with the Internet has taken place. The perpetual need for higher data rates in such systems has caused the development of efficient transmission and medium access techniques. The currently most popular one among them is orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). In general, OFDMA systems split the overall system bandwidth into a number of low data rate sub-channels. Each high data rate stream arriving at the transmitter is split into several low data rate streams that are transmitted in parallel over a sub-set of the available sub-channels, where distinct subsets can be assigned to different active terminals. Lately, it has been shown that the system’s transmission capacity and quality can be significantly improved, if the sub-channels and the available transmission power are dynamically allocated among the terminals according to their instantaneously experienced channel quality. These performance gains, however, come at the cost of significant signaling overhead and increased system complexity. Moreover, the dynamic mechanisms have originally been developed for systems that differ from packet-oriented cellular systems in three major points: the packet nature of the traffic, the quality and quantity of the required control signaling data, and the particular interference situation of cellular systems. This thesis faces the challenges that arise from these three differences when deploying the dynamic mechanisms in the downlink of packet-oriented cellular OFDMA based systems. In particular, mathematical optimization problems are developed in order to determine the potential of the individual dynamic approaches. It is shown that by dynamically assigning the transmission resources, the system’s throughput performance, its inter-terminal fairness, as well as the transmission reliability can be significantly improved, if data and control channel resources are assigned dynamically. Furthermore, a high potential to increase the system performance is observed, if neighboring cells jointly optimize their resource utilization, instead of applying legacy interference mitigation techniques. In order to cope with the real world equipment’s limited computational power, which makes optimally solving the mathematical optimization problems in real-time impossible, individual heuristic algorithms are developed to sub-optimally solve them: a combined data channel packet scheduling/resource allocation algorithm, a control channel dynamic power allocation algorithm, a control channel dynamic coding algorithm, and an inter-cell power coordination algorithm. In summary, this thesis demonstrates the potential of using dynamic mechanisms in packet-oriented cellular OFDMA based networks and presents means to efficiently deploy them in real world systems.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28801
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2962
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2665
Exam Date: 2-Dec-2010
Issue Date: 28-Dec-2010
Date Available: 28-Dec-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Kabellose Kommunikations
OFDM
OFDMA
Schichtenübergreifende Optimierung
Zelluläre Systeme
Cellular Systems
Cross-layer Optimization
OFDM
OFDMA
Wireless Communications
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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