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

Abstract

The doctoral thesis tackles the problem of radio resource management for multicellular OFDMA networks with application to WiMAX networks. In the first chapter, the physical layer of the multiplexing technique OFDM, on which the OFDMA is based, is presented in detail. 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, subcamer allocation and bit loading and power control are tackled. The performance of a multicellular OFDMA network, when the previous resource management framework is employed is estimated through two series of simulations. 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 subcamer 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 other known 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. 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. The second section of the chapter refers to the fractional frequency reuse .Within this context, the structure of a WiMAX network is presented along with the procedures for the resource management. At this point, two different approaches to the frequency reuse factor selection problem are presented, and 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, and some proposals for future research are sketched, based on the state of the art at this research field.

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα διαχείρισης ασυρμάτων πόρων για πολυκυψελωτά OFDMA δίκτυα, με εφαρμογή στα δίκτυα WiMAX. Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται εκτενής παρουσίαση του φυσικού στρώματος της τεχνικής πολυπλεξίας OFDM από την οποία προκύπτει η OFDMA. Το δεύτερο κεφάλαιο άφορα 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 έλεγχου ισχύος. Η επίδοση ενός πολυκυψελωτού OFDMA δικτύου όταν εφαρμόζεται το προηγούμενο πλαίσιο εκχώρησης πόρων εκτιμάται μέσα από δυο σειρές προσομοιώσεων. 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 γνωστών αλγορίθμων. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάζεται ένας κατανεμημένος αλγόριθμος ελέγχου ισχύος, ο οποίος βασίζεται σε μη συνεργατικά παίγνια. Έτσι, παρουσιάζεται μια ακόμα σειρά προσομοιώσεων όπου συγκρίνεται η επίδοση του κατανεμημένου σχήματος ελέγχου ισχύος με το κεντρικό σχήμα ελέγχου ισχύος. 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 έλεγχου μέσου του WiMAX. Έπειτα γίνεται λόγος για την κλασματική επαναχρησιμοποίηση συχνότητας. Παρουσιάζεται η δομή ενός πολυκυψελωτού δικτύου WiMAX και οι διαδικασίες που ακολουθούνται για τη διαχείριση των πόρων του δικτύου. Παρουσιάζονται δύο διαφορετικές προσεγγίσεις στο πρόβλημα της επιλογής συντελεστή επαναχρησιμοποίησης συχνότητας ενώ προτείνεται μια 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.