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Distributed Resource Allocation in OFDMA-Based Relay Networks

Müller, Ulrich Christian :
Distributed Resource Allocation in OFDMA-Based Relay Networks.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Vom Fachbereich 18 Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Distributed Resource Allocation in OFDMA-Based Relay Networks
Language: English
Abstract:

Conventional cellular networks consisting of Base Stations (BSs) and User Equipments(UEs) are limited in their coverage and capacity. Relay networks in which Relay Stations (RSs) are introduced to forward information from a BS to a UE are considered as a promising solution to both problems. In a relay network, a combination of multiple access schemes is typical, where the combination of Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), Space Division Multiple Access (SDMA) and Time Division Multiple Access (TDMA) is particularly important for future networks. OFDMA enables that the frequency spectrum is divided in time-frequency units defined in time and frequency domain. In combination with SDMA, multiple beams are applied to a single time-frequency unit in order to reuse time-frequency units in space. A time-frequency unit and a beam form a resource block. Power is allocated to a resource block in order to apply a modulation and coding scheme. TDMA ensures that a BS and the RSs of a cell in a relay network coordinate their transmissions. A number of time intervals called slots are allocated to the BS and to RSs for their transmissions. The available frequency spectrum must be utilized efficiently even in a relay network since the frequency spectrum is expensive. The efficient usage of the frequency spectrum is particularly important in downlink direction due to an asymmetric traffic load distribution between uplink and downlink direction. This thesis deals with the allocation of resources namely beams, resource blocks, power and slots in the downlink direction in a relay network in order to utilize the frequency spectrum efficiently. A system model is introduced to describe the allocation of resources in a cell of a relay network. The system model is applicable to two types of scenarios differing in the medium access required to organize the transmissions of BS and RSs of a cell. In the first type of scenarios, the data rates are limited by noise since an orthogonal medium access is considered. In the second type of scenarios, the data rates are limited by co-channel interference since reuse medium access is considered. Based on the system model, two resource allocation problems are defined, where the allocation is treated for each cell separately. The definitions are related to two objectives in order to provide a fair allocation in terms of data rates per UE and a high performance in terms of the sum of data rates. The first objective is the maximization of the minimum data rate and the second one is the maximization of the sum of the data rates subject to a minimum data rate provided to each UE. Concerning the solution of the resource allocation problems, new questions arise for a relay network compared to a conventional cellular network. It is open which contributions of the solution are made by the BS and by the RSs of the cell. It is open how the solution is coordinated among BS and RSs such that the signalling overhead is kept low. It is open how a solution is found with limitations concerning the computational complexity. It is motivated in this thesis that an optimum solution of the defined problems is impractical. In order to provide an applicable solution, the distributed concept for orthogonal medium access and the distributed concept for reuse medium access are introduced. Each concept is designed for one of the two medium access schemes considered in the system model. Each concept is applicable to both objectives. A concept decomposes a considered resource allocation problem in smaller subproblems such that lower computational complexity is required to solve the subproblems. The subproblems are partly solved by the BS and partly by the RSs in order to distribute the computational complexity and in order to keep the signalling overhead low. The subproblems related to both concepts are formulated as integer programs since the numbers of beams, resource blocks and slots are integers. Even the power, which is actually a continuous quantity, can only reach an integer number of possible values since an integer number of modulation and coding schemes is assumed. Novel, adaptive algorithms enabling an adaptive allocation at a low computational complexity are presented for the subproblems. However, an adaptive algorithm is only applied, if the computational complexity can be fulfilled by a BS and RS. If this is not the case, each concept allows to replace an adaptive algorithm by the corresponding non-adaptive one also defined in this thesis. The concepts including the introduced algorithms are evaluated in an exemplary scenario. It is shown that the concepts allow an applicable and efficient allocation of resources in a relay network. Additionally, the adaptive algorithms show strong performance gains compared to the non-adaptive ones. The computational complexity required to apply all adaptive algorithms can be offered by today’s processors.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Konventionelle Mobilfunknetzwerke, die aus Basisstationen und Endgeräte der Teilnehmer bestehen, sind hinsichtlich ihrer Abdeckung und Kapazität beschränkt. Als vielversprechende Lösung für beide Probleme werden Relaisnetzwerke angesehen. In einem Relaisnetzwerk sind Relaisstationen installiert, um Informationen von einer Basisstation zu einem Endgerät weiterzuleiten. In einem Relaisnetzwerk wird typischer Weise eine Kombination von Zugriffsverfahren verwendet, wobei die Kombination aus Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), Space Division Multiple Access (SDMA) und Time Division Multiple Access (TDMA) von besonderer Wichtigkeit für zukünftige Netzwerke ist. OFDMA ermöglicht die Aufteilung des Spektrums in Zeit-Frequenz-Einheiten, die in Zeit- und Frequenzbereich definiert sind. In Kombination mit SDMA werden mehrere Strahlen bei einer Zeit-Frequenz-Einheit angewandt, um Zeit-Frequenz-Einheiten im Raum mehrfach zu nutzen. Eine Zeit-Frequenz-Einheit und ein Strahl bilden einen Ressourcenblock. Leistung wird einem Ressourcenblock zugeteilt, um ein Modulationsverfahren und eine Fehlercodierung anzuwenden. TDMA ermöglicht, dass Basisstation und Relaisstationen einer Zelle im Relaisnetzwerk ihre Übertragung koordinieren. Dazu werden Zeiteinheiten, die Slots genannt werden, der Basisstation und den Relaisstationen zugewiesen. Das verfügbare Spektrum muss auch in einem Relaisnetzwerk effizient ausgenutzt werden, da Funkfrequenzen wertvoll sind. Die effiziente Nutzung des Spektrums ist besonders in Downlink-Richtung wichtig, da das Verkehrsaufkommen asymetrisch auf Uplink- und Downlink-Richtung verteilt ist. Die vorliegende Arbeit behandelt die Zuteilung der Ressourcen Strahlen, Ressourcenblöcke, Leistung und Slots in Downlink-Richtung eines Relaisnetzwerkes, um das Spektrum effizient zu nutzen. Ein Systemmodell wird eingeführt, um die Allokation der Ressourcen in einer Zelle eines Relaisnetzwerkes zu beschreiben. Das Systemmodell ist anwendbar auf zwei Arten von Szenarien. Die Arten von Szenarien unterscheiden sich im Zugriffsverfahren, das das Senden der Basisstation und der Relaisstationen in einer Zelle organisiert. In der erste Art von Szenarien sind Datenraten durch Rauschen limitiert, da ein orthogonaler Kanalzugriff vorausgesetzt wird. In der zweiten Art sind die Datenraten durch Gleichkanalinterferenz limitiert, da ein nicht-orthogonaler Kanalzugriff verwendet wird. Zwei Ressourcen-Allokations-Probleme werden basierend auf dem Systemmodell definiert, wobei die Allokation in jeder Zelle einzeln betrachtet wird. Die Definitionen sind bezogen auf zwei Zielsetzungen. Die erste Zielsetzung ist die Maximierung der minimalen Datenrate, um eine faire Allokation im Sinne gleicher Datenraten pro Endgerät zu erzielen. Die zweite Zielsetzung ist die Maximierung der Summe der Datenraten, wobei gleichzeitig jedem Endgerät eine minimale Datenrate zugesichert wird. Die Lösung der Ressourcen-Allokations-Probleme wirft für ein Relaisnetzwerk neue Fragen im Vergleich zu einem konventionellen Mobilfunknetzwerk auf. Es ist offen, welche Beiträge zur Lösung die Basisstation und die Relaisstationen in einer Zelle erbringen. Es ist offen, wie die Lösung zwischen Basisstation und Relaisstationen koordiniert wird, so dass die nötige Signalisierung gering bleibt. Es ist offen, wie eine Lösung mit geringem Rechenaufwand gefunden wird. In der vorliegenden Arbeit wird motiviert, dass eine optimale Lösung der Probleme unter praktischen Gesichtspunkten nicht gefunden werden kann. Um dennoch machbare Lösungen zu finden, wird das Distributed Concept for Orthogonal Medium Access und das Distributed Concept for Reuse Medium Access eingeführt. Jedes Konzept wurde erstellt für eine Art von Szenarien, die im Systemmodell berücksichtigt werden. Jedes Konzept ist anwendbar auf beide Zielsetzungen. Jedes Konzept zerlegt ein Ressourcen-Allokations-Problem in kleinere Teilprobleme, so dass ein geringerer Rechenaufwand benötigt wird, um die Teilprobleme zu lösen. Die Teilprobleme werden zum Teil von der Basisstationen und zum Teil von den Relaisstationen gelöst, um den Rechenaufwand zu verteilen und um die Signalisierung gering zu halten. Die Teilprobleme der beiden Konzepte werden als diskrete Optimierungsprobleme formuliert, da die Anzahl der Strahlen, der Ressourcenblöcke und der Slots durch eine natürliche Zahl gegeben ist. Selbst die Leistung, die eigentlich eine kontinuierliche Größe ist, kann nur eine diskrete Anzahl an Zuständen annehmen, da eine endliche Kombination aus Modulationsverfahren und Fehlercodierungen vorausgesetzt wird. Neue, adaptive Algorithmen, die eine adaptive Allokation bei geringem Rechenaufwand ermöglichen, werden eingeführt. Jedoch können diese adaptiven Algorithmen nur eingesetzt werden, wenn der Rechenaufwand von einer Basisstation oder Relaisstation erbracht werden kann. Falls dies nicht der Fall sein sollte, erlaubt jedes Konzept, dass ein adaptiver Algorithmus durch einen nicht-adaptiven Algorithmus ersetzt wird. Die nicht-adaptiven Algorithmen werden ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt. Die Konzepte und die Algorithmen werden in einem beispielhaften Szenario untersucht. Es wird gezeigt, dass die Konzepte eine anwendbare und effiziente Allokation von Ressourcen in einem Relaisnetzwerk ermöglichen. Zusätzlich wird gezeigt, dass die adaptiven Algorithmen wesentlich bessere Ergebnisse erzielen als die nicht-adaptiven Algorithmen. Der dazu erforderliche Rechenaufwand kann von heutigen Prozessoren bereits erbracht werden.German
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
OFDMAEnglish
SDMAEnglish
Relay NetworkEnglish
Adaptive Resource AllocationEnglish
Grids of BeamsEnglish
Power AllocationEnglish
Power LoadingEnglish
Subcarrier AllocationEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Kommunikationstechnik
Date Deposited: 12 Apr 2010 08:55
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-21178
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Kühn, Prof. Dr.- Volker
Refereed: 12 February 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2117
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