Das Konzept der Kooperation, in dem zwei oder mehr Parteien zusammenarbeiten, um ein gemeinsames Ziel zu verfolgen, ist auf fast jeden Aspekt des heutigen Lebens anwendbar. Zum Beispiel, in der kommenden Fahrzeug-zu-Fahrzeug (eng. car-to-car) Kommunikation Szenarien tauschen die Fahrzeuge Informationen über ihren aktuellen Status sowie potenzielle Bedrohungen auf der Straße aus, um Unfälle zu vermeiden. Mit der Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme, dem Aufkommen neuer Dienste sowie Geräten mit zusätzlichen Fähigkeiten steigt die Nachfrage nach höheren Datenraten an.

In zellularen Mobilfunknetzen werden die erreichbaren Datenraten der Nutzer beschränkt durch die Inter-Zell-Interferenz, welche durch die gleichzeitige Nutzung von Zeit/Frequenz Ressourcen verursacht wird. Besonders die Datenraten derjenigen Nutzer werden beschränkt, die sich in der näheren Umgebung anderer Basisstationen befinden. Das ist der Ausgangspunkt dieser Arbeit, in der die Kooperation in zellularen Mobilfunknetzen für die Datenübertragung von Basis- zu Mobilstationen untersucht wird, insbesondere, um den Einfluss der Gleichkanal-Inter-Zell-Interferenz zu reduzieren, wodurch der ständig ansteigende Nutzerbedarf erfüllt werden kann. Kooperative Ressourcen-Zuteilungsverfahren werden hergeleitet, wobei praktische Gegebenheiten und Einschränkungen bezüglich der verfügbaren Kanalinformation an den Basisstationen berücksichtigt werden.

Hauptsächlich wird dabei die Kooperation in der Form der Sendeleistungskontrolle und der gemeinsamen Zeit-/Frequenzplanung untersucht. In der ersten Art der Kooperation regeln die Basisstationen dynamisch ihre eigene Sendeleistung, um weniger Inter-Zell- Interferenz für Nutzer, die mit Nachbarbasisstationen verbunden sind, zu erzeugen. Im Fall der kooperativen Ressourcenzuweisung werden die Zeit-/Frequenzressourcen durch die Basisstationen gemeinsam zugeteilt um einen Kompromiss zwischen erreichbaren Nutzerdatenraten und Inter-Zell-Interferenzen zu erreichen. Die kooperativen Ressourcenzuweisungsverfahren wenden zwei Sonderfälle des Leistungskontrollverfahrens an. Hierbei bedienen die Basisstationen entweder ihre verbundenen Nutzer mit maximaler Sendeleistung, oder eine Datenübertragung wird unterdrückt (engl. muting), um die Interferenz für Nutzer, die durch benachbarte Basisstationen bedient werden, zu reduzieren. Ein Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die mathematische Formulierung der kooperativen Ressourcenzuteilungsprobleme unter Zuhilfenahme der verfügbaren Kanalinformation am Sender, in Form von Kontrollinformationen über die erreichbaren Datenraten, welche auf den Standardprozeduren der aktuellen Mobilfunkstandards wie LTE und LTE-Advanced basieren.

Aus einer Systemperspektive werden in dieser Dissertation zwei Parameter betrachtet, um die vorgeschlagenen kooperativen Verfahren abzuleiten. Diese Parameter sind die Kooperationsarchitektur und das Verkehrsmodell zur Charakterisierung des Nutzerbedarfs. Im Falle der Kooperationsarchitektur werden zentralisierte und dezentralisierte Verfahren untersucht. In ersterer führt ein zentraler Controller die kooperativen Verfahren, basierend auf der Kenntnis der globalen Kanalinformation, aus und in letzterer werden die kooperativen Entscheidungen von den Basisstationen unabhängig gefällt, basierend auf lokalen Informationen, die mit den angrenzenden Basisstationen ausgetauscht werden. Es wird erwartet, dass eine zentralisierte Architektur die beste Leistungsfähigkeit bereitstellt, trotzdem reduziert sich der Unterschied signifikant in Bezug auf dezentralisierte Verfahren bei Berücksichtigung von Annahmen über praktische Netze, wie in dieser Arbeit basierend auf numerischen Simulationen gezeigt wird. Dabei wird der Nutzerbedarf durch Modelle mit voller und teilweiser Auslastung des Netzes charakterisiert. Das erste Modell wird angewandt, um die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen kooperativen Verfahrens aus Netzwerkkapazitätsperspektive einzuschätzen, wobei alle Nutzer gleichbleibend so viele Daten wie möglich anfordern. Im Gegensatz dazu repräsentieren die Modelle mit teilweiser, dynamischer Auslastung des Netzes ein eher realistisches Netzwerkszenario. Hier werden Verfahren abgeleitet, um die Linkanpassungsprozeduren durch die Basisstationen zu verbessern, die Nutzer mit ungleichmäßigem (engl. bursty) Verkehr bedienen. Die Linkanpassungsprozeduren konfigurieren die Übertragungsparameter pro bedientem Link, z. B. die Sendeleistung, die Modulationsverfahren und die Kodierungsverfahren.

Im Detail wird ein kooperatives Leistungskontrollverfahren mit einer geschlossenen Form hergeleitet, wobei die Basisstationen ihre eigene Sendeleistung dynamisch anpassen, um die geforderten Datenraten der Nutzer, die mit den Nachbar-Basisstationen verbunden sind, zu erreichen. Außerdem wird zur Erhöhung der Datenraten der Nutzer eine zentralisierte und eine dezentralisierte koordinierte Ressourcenzuweisung inklusive möglicher Unterdrückung der Übertragung untersucht. Für den zentralisierten Fall wird die Formulierung eines ganzzahlig linearen Optimierungsproblems vorgeschlagen, welches durch die Benutzung kommerzieller Löser optimal gelöst wird. Die optimale Lösung wird als Maßstab zur Bewertung heuristischer Algorithmen genutzt. Im Fall der dezentralisierten koordinierten Planung mit möglicher Unterdrückung der Übertragung wird ein heuristisches Verfahren hergeleitet, welches nur einen geringen Nachrichtenaustausch zwischen den Basisstationen benötig, um die Kooperation zu koordinieren. Weiterhin wird ein ganzzahliges lineares Optimierungsproblem formuliert, um die Linkanpassungsprozeduren für Netzwerke mit dynamischem Verkehr zu verbessern. Das Ergebnis ist eine Reduzierung der fehlerhaft übertragenen Datenblöcke und ein Anstieg der von den Nutzern erfahrenen Datenraten. Im Vergleich zu unkoordinierten Systemen und Koordinationsverfahren nach dem Stand der Technik werden unter Anwendung des vorgeschlagenen kooperativen Verfahrens signifikante Verbesserungen der erreichbaren Datenraten der Nutzer erzielt, insbesondere für die Nutzer, die schwerwiegender Inter-Zell-Interferenz ausgesetzt sind.