Distributed resource allocation in OFDMA-based relay networks [Elektronische Ressource] / von Ulrich Christian Müller

Description

Distributed Resource Allocation in OFDMA-BasedRelay NetworksVom Fachbereich 18Elektrotechnik und Informationstechnikder Technischen Universit¨at Darmstadtzur Erlangung der Wu¨rde einesDoktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)genehmigte DissertationvonDipl.-Ing. Ulrich Christian Mu¨llergeboren am 12.03.1979 in AndernachReferent: Prof. Dr.-Ing. Anja KleinKorreferent: Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Ku¨hnTag der Einreichung: 19. Oktober 2009Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 12. Februar 2010D 17Darmst¨adter DissertationDarmstadt 2010IDanksagungIch konnte diese Arbeitanfertigen dankder Unterstu¨tzung, die ich vonvielen Personenerfuhr. Den Personen, die mich am meisten unterstu¨tzten, danke ich an dieser Stelle.Ich mo¨chte mich besonders bei meiner Betreuerin Professor Anja Klein bedanken.Sie unterstu¨tzte mich von den ersten Ideen bis zur Vollendung dieser Arbeit. IhreVorschl¨age und konstruktive Kritik halfen mir sehr.¨Ich danke Professor Volker Ku¨hn fu¨r die Ubernahme des Korreferats. Es war mir eineFreude, ihm und seinen Mitarbeitern meine Arbeit in Rostock zu pra¨sentieren.Allen ehemaligen Kollegen des Fachgebietes Kommunikationstechnik danke ich fu¨rdie gute Atmosph¨are, die ich wa¨hrend meiner fu¨nfj¨ahrigen Ta¨tigkeit im Fachgebieterleben durfte. Den wissenschaftlichen Mitarbeitern danke ich fu¨r die zahlreichgefu¨hrten Diskussionen, die es mir immer wieder erlaubten, Lo¨sungen auch fu¨rkomplizierteste Probleme zu finden.

Informations

• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 10
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

DistributedResourceAllocationinOFDMA-Based
RelayNetworks

VomFachbereich18
ElektrotechnikundInformationstechnik
derTechnischenUniversita¨tDarmstadt
zurErlangungderWu¨rdeeines
Doktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigteDissertation

novDipl.-Ing.UlrichChristianMu¨ller
geborenam12.03.1979inAndernach

Referent:
Korreferent:
TagderEinreichung:
Tagdermu¨ndlichenPru¨fung:

PPrrooff..DDrr.-.-IInngg..hAanbjail.KVleoinlkerKu¨hn
1192..OFekbtroubaerr22001009

71DDarmsta¨dterDissertation
Darmstadt2010

Danksagung

I

IchkonntedieseArbeitanfertigendankderUnterstu¨tzung,dieichvonvielenPersonen
erfuhr.DenPersonen,diemichammeistenunterstu¨tzten,dankeichandieserStelle.

Ichmo¨chtemichbesondersbeimeinerBetreuerinProfessorAnjaKleinbedanken.
Sieunterstu¨tztemichvondenerstenIdeenbiszurVollendungdieserArbeit.Ihre
Vorschl¨ageundkonstruktiveKritikhalfenmirsehr.

IchdankeProfessorVolkerKu¨hnfu¨rdieU¨bernahmedesKorreferats.Eswarmireine
Freude,ihmundseinenMitarbeiternmeineArbeitinRostockzupra¨sentieren.

AllenehemaligenKollegendesFachgebietesKommunikationstechnikdankeichfu¨r
dieguteAtmospha¨re,dieichwa¨hrendmeinerfu¨nfja¨hrigenTa¨tigkeitimFachgebiet
erlebendurfte.DenwissenschaftlichenMitarbeiterndankeichf¨urdiezahlreich
gefu¨hrtenDiskussionen,dieesmirimmerwiedererlaubten,Lo¨sungenauchfu¨r
kompliziertesteProblemezunden.DenMitarbeiterinnendesSekretariatsund
denSystemadministratorendankeichfu¨rihrEngagement,daseinenreibungslosen
Ablaufderallta¨glichenArbeitgarantierte.AuchdenStudenten,derenStudien-oder
Diplomarbeitenichbetreuendurfte,giltmeinDank.

IchbedankemichbeimeinenProjektpartnern,diewa¨hrendmeinerPromotionszeit
beiNokiaSiemensNetworksta¨tigwaren.DieZusammenarbeitmitihnenhalfmirbei
derEntwicklungzahlreicherIdeen.

ZubesonderemDankbinichmeinerFamilieverpichtet.MeineElternunterstu¨tzten
michstetsso,dassichmeinevolleKraftindieseArbeitinvestierenkonnte.
MeinePartnerinNadineließmirbesondersinschwierigenMomentendiemirno¨tige
Unterstu¨tzungzukommen.Siezeigtmirstets,wasdasWichtigsteinmeinemLebenist.

Darmstadt,Ma¨rz2010

UlrichChristianM¨uller

Kurzfassung

III

KonventionelleMobilfunknetzwerke,dieausBasisstationenundEndgera¨tederTeil-
nehmerbestehen,sindhinsichtlichihrerAbdeckungundKapazita¨tbeschra¨nkt.Als
vielversprechendeLo¨sungfu¨rbeideProblemewerdenRelaisnetzwerkeangesehen.In
einemRelaisnetzwerksindRelaisstationeninstalliert,umInformationenvoneiner
BasisstationzueinemEndgera¨tweiterzuleiten.IneinemRelaisnetzwerkwirdtypischer
WeiseeineKombinationvonZugrisverfahrenverwendet,wobeidieKombination
ausOrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess(OFDMA),SpaceDivision
MultipleAccess(SDMA)undTimeDivisionMultipleAccess(TDMA)vonbesonderer
Wichtigkeitfu¨rzuku¨nftigeNetzwerkeist.OFDMAermo¨glichtdieAufteilungdes
SpektrumsinZeit-Frequenz-Einheiten,dieinZeit-undFrequenzbereichdeniert
sind.InKombinationmitSDMAwerdenmehrereStrahlenbeieinerZeit-Frequenz-
Einheitangewandt,umZeit-Frequenz-EinheitenimRaummehrfachzunutzen.Eine
Zeit-Frequenz-EinheitundeinStrahlbildeneinenRessourcenblock.Leistungwird
einemRessourcenblockzugeteilt,umeinModulationsverfahrenundeineFehler-
codierunganzuwenden.TDMAermo¨glicht,dassBasisstationundRelaisstationen
einerZelleimRelaisnetzwerkihreU¨bertragungkoordinieren.DazuwerdenZeitein-
heiten,dieSlotsgenanntwerden,derBasisstationunddenRelaisstationenzugewiesen.

Dasverfu¨gbareSpektrummussauchineinemRelaisnetzwerkezientausgenutzt
werden,daFunkfrequenzenwertvollsind.DieezienteNutzungdesSpektrumsist
besondersinDownlink-Richtungwichtig,dadasVerkehrsaufkommenasymetrisch
aufUplink-undDownlink-Richtungverteiltist.DievorliegendeArbeitbehandelt
dieZuteilungderRessourcenStrahlen,Ressourcenbl¨ocke,LeistungundSlotsin
Downlink-RichtungeinesRelaisnetzwerkes,umdasSpektrumezientzunutzen.Ein
Systemmodellwirdeingefu¨hrt,umdieAllokationderRessourcenineinerZelleeines
Relaisnetzwerkeszubeschreiben.DasSystemmodellistanwendbaraufzweiArten
vonSzenarien.DieArtenvonSzenarienunterscheidensichimZugrisverfahren,das
dasSendenderBasisstationundderRelaisstationenineinerZelleorganisiert.Inder
ersteArtvonSzenariensindDatenratendurchRauschenlimitiert,daeinorthogo-
nalerKanalzugrivorausgesetztwird.InderzweitenArtsinddieDatenratendurch
Gleichkanalinterferenzlimitiert,daeinnicht-orthogonalerKanalzugriverwendetwird.

ZweiRessourcen-Allokations-ProblemewerdenbasierendaufdemSystemmodell
deniert,wobeidieAllokationinjederZelleeinzelnbetrachtetwird.DieDenitionen
sindbezogenaufzweiZielsetzungen.DieersteZielsetzungistdieMaximierungder
minimalenDatenrate,umeinefaireAllokationimSinnegleicherDatenratenpro

VI

Endgera¨tzuerzielen.DiezweiteZielsetzungistdieMaximierungderSummeder
Datenraten,wobeigleichzeitigjedemEndgera¨teineminimaleDatenratezugesichert
wird.DieLo¨sungderRessourcen-Allokations-Problemewirftfu¨reinRelaisnetzwerk
neueFragenimVergleichzueinemkonventionellenMobilfunknetzwerkauf.Esist
oen,welcheBeitra¨gezurLo¨sungdieBasisstationunddieRelaisstationenineiner
Zelleerbringen.Esistoen,wiedieLo¨sungzwischenBasisstationundRelaisstationen
koordiniertwird,sodassdieno¨tigeSignalisierunggeringbleibt.Esistoen,wieeine
Lo¨sungmitgeringemRechenaufwandgefundenwird.

IndervorliegendenArbeitwirdmotiviert,dasseineoptimaleLo¨sungderProbleme
unterpraktischenGesichtspunktennichtgefundenwerdenkann.Umdennoch
machbareLo¨sungenzunden,wirddasDistributedConceptforOrthogonalMedium
AccessunddasDistributedConceptforReuseMediumAccesseingefu¨hrt.Jedes
Konzeptwurdeerstelltfu¨reineArtvonSzenarien,dieimSystemmodellberu¨cksichtigt
werden.JedesKonzeptistanwendbaraufbeideZielsetzungen.JedesKonzept
zerlegteinRessourcen-Allokations-ProbleminkleinereTeilprobleme,sodassein
geringererRechenaufwandbeno¨tigtwird,umdieTeilproblemezul¨osen.DieTeilprob-
lemewerdenzumTeilvonderBasisstationenundzumTeilvondenRelaisstationen
gel¨ost,umdenRechenaufwandzuverteilenundumdieSignalisierunggeringzuhalten.

DieTeilproblemederbeidenKonzeptewerdenalsdiskreteOptimierungsprobleme
formuliert,dadieAnzahlderStrahlen,derRessourcenbl¨ockeundderSlotsdurcheine
natu¨rlicheZahlgegebenist.SelbstdieLeistung,dieeigentlicheinekontinuierliche
Gro¨ßeist,kannnureinediskreteAnzahlanZusta¨ndenannehmen,daeineendliche
KombinationausModulationsverfahrenundFehlercodierungenvorausgesetztwird.
Neue,adaptiveAlgorithmen,dieeineadaptiveAllokationbeigeringemRechenaufwand
ermo¨glichen,werdeneingefu¨hrt.Jedochko¨nnendieseadaptivenAlgorithmennur
eingesetztwerden,wennderRechenaufwandvoneinerBasisstationoderRelaisstation
erbrachtwerdenkann.FallsdiesnichtderFallseinsollte,erlaubtjedesKonzept,dass
einadaptiverAlgorithmusdurcheinennicht-adaptivenAlgorithmusersetztwird.Die
nicht-adaptivenAlgorithmenwerdenebenfallsindieserArbeitvorgestellt.

DieKonzepteunddieAlgorithmenwerdenineinembeispielhaftenSzenariounter-
sucht.Eswirdgezeigt,dassdieKonzepteeineanwendbareundezienteAllokation
vonRessourcenineinemRelaisnetzwerkermo¨glichen.Zusa¨tzlichwirdgezeigt,dassdie
adaptivenAlgorithmenwesentlichbessereErgebnisseerzielenalsdienicht-adaptiven
Algorithmen.DerdazuerforderlicheRechenaufwandkannvonheutigenProzessoren
bereitserbrachtwerden.

Abstract

V

ConventionalcellularnetworksconsistingofBaseStations(BSs)andUserEquipments
(UEs)arelimitedintheircoverageandcapacity.RelaynetworksinwhichRelay
Stations(RSs)areintroducedtoforwardinformationfromaBStoaUEareconsid-
eredasapromisingsolutiontobothproblems.Inarelaynetwork,acombinationof
multipleaccessschemesistypical,wherethecombinationofOrthogonalFrequency
DivisionMultipleAccess(OFDMA),SpaceDivisionMultipleAccess(SDMA)and
TimeDivisionMultipleAccess(TDMA)isparticularlyimportantforfuturenetworks.
OFDMAenablesthatthefrequencyspectrumisdividedintime-frequencyunits
denedintimeandfrequencydomain.IncombinationwithSDMA,multiplebeams
areappliedtoasingletime-frequencyunitinordertoreusetime-frequencyunitsin
space.Atime-frequencyunitandabeamformaresourceblock.Powerisallocatedto
aresourceblockinordertoapplyamodulationandcodingscheme.TDMAensures
thataBSandtheRSsofacellinarelaynetworkcoordinatetheirtransmissions.
AnumberoftimeintervalscalledslotsareallocatedtotheBSandtoRSsfortheir
transmissions.

Theavailablefrequencyspectrummustbeutilizedecientlyeveninarelaynetwork
sincethefrequencyspectrumisexpensive.Theecientusageofthefrequency
spectrumisparticularlyimportantindownlinkdirectionduetoanasymmetrictrac
loaddistributionbetweenuplinkanddownlinkdirection.Thisthesisdealswiththe
allocationofresourcesnamelybeams,resourceblocks,powerandslotsinthedownlink
directioninarelaynetworkinordertoutilizethefrequencyspectrumeciently.A
systemmodelisintroducedtodescribetheallocationofresourcesinacellofarelay
network.Thesystemmodelisapplicabletotwotypesofscenariosdieringinthe
mediumaccessrequiredtoorganizethetransmissionsofBSandRSsofacell.Inthe
rsttypeofscenarios,thedataratesarelimitedbynoisesinceanorthogonalmedium
accessisconsidered.Inthesecondtypeofscenarios,thedataratesarelimitedby
co-channelinterferencesincereusemediumaccessisconsidered.

Basedonthesystemmodel,tworesourceallocationproblemsarede