Radio Resource Management for Millimeter-Wave Networks: Modeling and Design

Radio resource management (RRM) plays a critical role in modern wireless communications networks. RRM 's ultimate goal is to devise strategies to efficiently manage the network's radio resources, e.g., infrastructure and spectrum, and thus coordinate interference and ensure QoS requirements for the UE. RRM has undergone a tremendous transformation from initially being limited to solely the physical layer with fixed policies to presently incorporating dynamic cross-layer algorithms that allow controlling multiple characteristics of the physical and higher layers.

Each succeeding generation of wireless mobile technology has contributed to expanding the network capabilities but has also posed new challenges for RRM in coordinating more radio spectrum, e.g., millimeter-wave spectrum, and more radio infrastructure, e.g., CoMP and IAB. Therefore, as wireless technologies evolve, RRM strategies must also adapt to account for emerging radio infrastructure and spectrum, ensuring their efficient utilization along with the existing resources.

This thesis proposes several RRM strategies and algorithms to improve radio resource utilization, addressing challenges intrinsic to the evolution of wireless mobile technologies. Different RRM research problems are investigated considering diverse radio resources, such as precoding, admission control, and discrete rate allocation, focusing on various use cases, such as Industry 4.0.

The strategies and algorithms developed herein not only target networks deployed using SDMA, adopted as de facto multiple access scheme, but also target emerging multiple access schemes, such as LDMA and RSMA. In addition, the strategies and algorithms are not limited to access networks only, but also include backhaul networks, specifically IAB technology.

Radio resource management (RRM) spielt eine entscheidende Rolle in modernen drahtlosen Kommunikationsnetzen. Ziel des RRM ist es, Strategien zur effizienten Verwaltung der Funkressourcen des Netzes, z. B. der Infrastruktur und des Spektrums, zu entwickeln und so Interferenzen zu koordinieren und QoS-Anforderungen für das Endgerät zu gewährleisten. RRM hat eine enorme Entwicklung durchgemacht: War es anfangs nur auf die physikalische Schicht mit festen Richtlinien beschränkt, so umfasst es heute dynamische, schichtübergreifende Algorithmen, die die Steuerung mehrerer Merkmale der physikalischen und höherer Schichten ermöglichen.

Jede nachfolgende Generation der drahtlosen Mobilfunktechnologie hat dazu beigetragen, die Netzkapazitäten zu erweitern, hat aber auch neue Herausforderungen für das RRM mit sich gebracht, da mehr Funkspektrum, z. B. im Millimeterwellenbereich, und mehr Funkinfrastruktur, z. B. CoMP und IAB, koordiniert werden müssen. Da sich die drahtlosen Technologien weiterentwickeln, müssen sich die RRM-Strategien auch an die neu entstehende Funkinfrastruktur und das Spektrum anpassen, um deren effiziente Nutzung zusammen mit den vorhandenen Ressourcen zu gewährleisten.

In dieser Arbeit werden mehrere RRM-Strategien und -Algorithmen vorgeschlagen, um die Nutzung von Funkressourcen zu verbessern und die mit der Entwicklung der drahtlosen Mobilfunktechnologien verbundenen Herausforderungen zu bewältigen. Verschiedene RRM-Forschungsprobleme werden unter Berücksichtigung verschiedener Funkressourcen untersucht, wie z. B. Vorcodierung, Zulassungskontrolle und diskrete Ratenzuweisung, wobei der Schwerpunkt auf verschiedenen Anwendungsfällen, wie z. B. Industrie 4.0, liegt.

Die hier entwickelten Strategien und Algorithmen zielen nicht nur auf Netze ab, die SDMA als de facto-Mehrfachzugriffsverfahren verwenden, sondern auch auf neue Mehrfachzugriffsverfahren wie LDMA und RSMA. Darüber hinaus sind die Strategien und Algorithmen nicht nur auf Zugangsnetze beschränkt, sondern umfassen auch Backhaul-Netze, insbesondere die IAB-Technologie.