Αλγόριθμοι διαχείρισης ασυρμάτων πόρων για πολυκυψελωτά OFDMA δίκτυα με εφαρμογή στα δίκτυα WiMAX

Abstract

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα διαχείρισης ασυρμάτων πόρων για πολυκυψελωτά OFDMA δίκτυα, με εφαρμογή στα δίκτυα WiMAX. Καθώς η OFDMA φαίνεται να επικρατεί ως η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης των δικτύων επόμενης γενιάς, για όλα τα πλεονεκτήματα που προσφέρει στο φυσικό στρώμα, είναι αναγκαίο στο στρώμα ελέγχου πρόσβασης μέσου να υπάρχει ένα ισχυρό πλαίσιο διαχείρισης πόρων. Αυτό το πλαίσιο θα πρέπει να είναι σε θέση να αξιοποιεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο τους διαθέσιμους πόρους του δικτύου, εν προκειμένω το καταλαμβανόμενο εύρος ζώνης και τη διαθέσιμη ισχύ, λαμβάνοντας υπόψη τις ανάγκες και απαιτήσεις των χρηστών του δικτύου.

Αρχικά, το ενδιαφέρον εστιάζεται στο μοντέλο ενός OFDMA δικτύου. Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται εκτενής παρουσίαση του φυσικού στρώματος της τεχνικής πολυπλεξίας OFDM από την οποία προκύπτει η OFDMA. Εκεί περιλαμβάνεται περιγραφή του OFDM σήματος και ενός πλήρους πομποδέκτη OFDM ενώ αναλύονται τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η OFDM σε επίπεδο φυσικού στρώματος.

Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά στο πρόβλημα διαχείρισης πόρων για πολυκυψελωτά OFDMA δίκτυα. Αφού οριστεί τυπικά το πρόβλημα ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, παρουσιάζεται ένα πλαίσιο διαχείρισης ασυρμάτων πόρων, όπου αντιμετωπίζονται τα επιμέρους προβλήματα επιλογής σταθμού βάσης, εκχώρησης φερόντων και καθορισμού διαμόρφωσης και ελέγχου ισχύος. Ακολουθεί περιγραφή έξι διαφορετικών αλγορίθμων εκχώρησης φερόντων, συγκεκριμένα ο σειριακός, συντεταγμένος, τυχαίος και τυχαίος-συντεταγμένος αλγόριθμος, οι οποίοι δεν απαιτούν γνώση των συνθηκών του καναλιού του χρήστη, καθώς και ο προσαρμοστικός και βέλτιστος αλγόριθμος, οι οποίοι αντιθέτως απαιτούν πλήρη γνώση των συνθηκών καναλιού. Η επίδοση ενός πολυκυψελωτού OFDMA δικτύου όταν εφαρμόζεται το προηγούμενο πλαίσιο εκχώρησης πόρων με αυτούς τους αλγορίθμους εκχώρησης φερόντων εκτιμάται μέσα από δύο σειρές προσομοιώσεων. Στην πρώτη σειρά προσομοιώσεων το ενδιαφέρον εστιάζει στους αλγορίθμους που δεν απαιτούν γνώση των συνθηκών καναλιού, ενώ στη δεύτερη η επίδοσή τους συγκρίνεται με αυτή του προσαρμοστικού αλγορίθμου, που απαιτεί πλήρη γνώση των συνθηκών καναλιού.

Συνεχίζοντας, στο τρίτο κεφάλαιο το ενδιαφέρον στρέφεται στην εφαρμογή μεθόδων της θεωρίας παιγνίων για την πρόταση λύσεων στο πρόβλημα διαχείρισης πόρων. Μετά από μια σύντομη εισαγωγή στις έννοιες της θεωρίας παιγνίων, ακολουθεί η παρουσίαση ενός αλγορίθμου κατανομής φερόντων ο οποίος βασίζεται σε συνδυαστικές δημοπρασίες. Η παρουσίαση του αλγορίθμου ακολουθείται από μια σειρά προσομοιώσεων όπου η επίδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου συγκρίνεται με την επίδοση του βέλτιστου, προσαρμοστικού και τυχαίου αλγορίθμου. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάζεται ένας κατανεμημένος αλγόριθμος ελέγχου ισχύος, ο οποίος βασίζεται σε μη συνεργατικά παίγνια. Έτσι, παρουσιάζεται μία ακόμα σειρά προσομοιώσεων όπου συγκρίνεται η επίδοση του κατανεμημένου σχήματος ελέγχου ισχύος με το κεντρικό σχήμα ελέγχου ισχύος υπό την εφαρμογή του βέλτιστου αλγορίθμου κατανομής φερόντων και του αλγορίθμου κατανομής δημοπρασιών.

Κατόπιν, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στο πρόβλημα διαχείρισης πόρων για πολυκυψελωτά WiMAX δίκτυα. Το τέταρτο κεφάλαιο δίνει τις απαραίτητες πληροφορίες για το φυσικό στρώμα και το στρώμα ελέγχου μέσου του WiMAX. Περιγράφεται, έτσι, η δομή του OFDM συμβόλου καθώς και ο τρόπος επιλογής των OFDM φερόντων για τη συγκρότηση των υποκαναλιών και των θυρίδων. Πραγματοποιείται επίσης μια σύντομη περιγραφή του WiMAX πλαισίου, εστιάζοντας στην εφαρμογή χρονοδιαιρετικής αμφιδρόμησης. Έπειτα γίνεται λόγος για την κλασματική επαναχρησιμοποίηση συχνότητας, μια τεχνική που προβλέπεται στο WiMAX για την καλύτερη αξιοποίηση του φάσματος. Υπό αυτό το πρίσμα, παρουσιάζεται η δομή ενός πολυκυψελωτού δικτύου WiMAX και οι διαδικασίες που ακολουθούνται για τη διαχείριση των πόρων του δικτύου. Στο σημείο αυτό παρουσιάζονται τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις στο πρόβλημα της επιλογής συντελεστή επαναχρησιμοποίησης συχνότητας, συγκεκριμένα μια προσέγγιση που βασίζεται στην απόσταση, μία δεύτερη που βασίζεται στο SINR ενώ προτείνεται ακόμα μία τρίτη που βασίζεται στην εξισορρόπηση φορτίου ανάμεσα στους συντελεστές επαναχρησιμοποίησης. Η επίδοση των διαφορετικών προσεγγίσεων παρουσιάζεται μέσα από μια σειρά προσομοιώσεων.

Η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με το πέμπτο κεφάλαιο. Εκεί συγκεντρώνονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διεξαχθείσα έρευνα ενώ παράλληλα σκιαγραφούνται κάποιες προτάσεις για μελλοντική έρευνα στο συγκεκριμένο ερευνητικό πεδίο.

The doctoral thesis tackles the problem of radio resource management for multicellular OFDMA networks with application to WiMAX networks. Since OFDMA is the most prevalent candidate as the multiple access technique for the next generation networks, thanks to the advantages it offers at physical layer, it is necessary to have an effective resource management framework at medium access control layer. This framework must be able to exploit the most of the available resources of the network, in this case the occupied bandwidth and the available power, while taking into consideration users' requirements.

Firstly, the thesis considers the model of an OFDMA network. In the first chapter, the physical layer of the multiplexing technique OFDM, on which the OFDMA is based, is presented in detail. A description of the OFDM signal and a full OFDM transceiver are included therein, while the advantages OFDM offers at physical layer are analysed.

The second chapter refers to the radio resource management problem for multicellular OFDMA networks. The formal definition of the problem as an optimisation problem is followed by the presentation of a radio resource management framework, where the subproblems of base station selection, subcarrier allocation and bit loading and power control are tackled. The description of six different subcarrier allocation algorithms follows, namely the sequential, coordinated, random, and random-coordinated algorithms, which do not require state information for users' channel, and the adaptive and optimal algorithms, which, on the contrary, require full channel state information. The performance of a multicellular OFDMA network, when the previous resource management framework is employed with the aforementioned subcarrier allocation algorithms, is estimated through two series of simulations. In the first one, the focus is on the algorithms that do not require channel state information, while in the second one, their performance is compared to the performance of the adaptive algorithm, which requires full channel state information.

Continuing, in the third chapter, attention turns to the application of methods from game theory for the proposition of solutions to the problem of resource management. After a brief introduction to the notions of game theory, a presentation of a subcarrier allocation algorithm based on combinatorial auctions follows. The presentation of the algorithm is followed by a series of simulations where the performance of the proposed algorithm is compared to the performance of the optimal, adaptive and random algorithms. Thence, a distributed power control scheme based on non-cooperative games is presented, followed by a series of simulations, where the performance of the distributed power control scheme is compared with the centralised scheme, when the optimal and auction-based subcarrier allocation algorithms are applied.

Thence, the thesis focuses on the resource management problem for multicellular WiMAX networks. The fourth chapter provides with the necessary insight in the physical and medium access control layers of WiMAX. Hence, the structure of the OFDM symbol is described along with the subcarrier selection process for the subchannel and slot formation. A brief description of the WiMAX frame is provided, focusing on the application of time division duplexing. The second section of the chapter refers to the fractional frequency reuse, a technique included in WiMAX standards aiming at better bandwidth exploitation. Within this context, the structure of a WiMAX network is presented along with the procedures for the resource management. At this point, three different approaches to the frequency reuse factor selection problem are presented, namely an approach based on distance, a second one based on SINR while a third is proposed based on load balancing between reuse factors. The performance of the different approaches is evaluated through simulations.

The doctoral thesis concludes to the fifth chapter. The conclusions of the research are presented therein, while some proposals for future research are sketched, based on the state of the art at this research field.