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Design and performance analysis of dynamic resource allocation in OMA and NOMA networks
2019
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-06
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-10490
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/771929/files/771929.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dynamic resource allocation (frei) ; non-orthogonal multiple access (frei) ; orthogonal multiple access (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
In den letzten Jahrzehnten haben sich die drahtlosen Mobilfunknetzwerke, die erst nur analoge Sprachdienstleistungen bereitstellten, rasant entwickelt, sodass heute eine Fülle von digitalen mobilen Anwendungen unterstützt wird. In diesem kontinuierlichen und intensiven evolutionären Prozess hat die Funkzugangstechnologie seit jeher eine wichtige Rolle bei der Ermöglichung einer effizienten Verteilung von Multi-Nutzer-Zugriffen auf das beschränkt verfügbare Spektrum gespielt. Außerdem ist eine dynamische und effiziente Zuweisung von Funkressourcen notwendig, um eine zuverlässige und schnelle Multi-Nutzer-Konnektivität bei schwindenden und zeitvariierenden Funkkanälen zu unterstützen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Zuweisungsprobleme von dynamischen Ressourcen sowohl in orthogonalen als auch in nicht-orthogonalen Vielfachzugriff-Netzwerken. Es wird in dieser Dissertation darauf abgezielt, hocheffiziente dynamische Algorithmen zur Ressourcenzuweisung, insbesondere zur Benutzerzeitplanung und zur Kanal- und Leistungszuweisung für eine optimierte Systemleistung, zu entwerfen und die analytischen Lösungen zur Näherung ihrer Leistung in verschiedenen Kommunikationsszenarien zu entwickeln. Im ersten Teil der Dissertation wird auf die Leistungsanalyse der dynamischen Ressourcenzuweisung in orthogonalen Vielfachzugriff-Netzwerken eingegangen. Zunächst werden stochastische Kanalmodelle entwickelt, um die Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Zuständen des Momentankanals in Mehrzellen-Netzen darzustellen. Auf Basis dieser Kanalmodelle wird ein Rahmen für die Leistungsanalyse verschiedener Zuweisungsalgorithmen der Ressourcen entwickelt, wie zum Beispiel die Max-Sum-Rate, die Max-Min-Rate und die proportionale faire Zeitplanung. Die analytische Leistung wird verwendet, um ergodische Nutzerdatenraten zu nähern. Diese Näherungen werden auch bei begrenzten Kanalzustandsinformationen als sehr genau verifiziert. Um eine praktische Anwendung der analytischen Leistung zu präsentieren, werden dann die genäherten Datenraten genutzt, um die Nutzerzuordnung zu unterstützen und einen Inter-Zellen-Verbindungsübergabealgorithmus für den Verkehrslastausgleich in heterogenen Mobilfunknetzen zu entwerfen. Darüber hinaus wird die Leistungsanalyse der dynamischen Ressourcenzuweisung auf den Fall von on-off stoßweisen Verkehrsströmen erweitert, die zur Modellierung der immer beliebter werdenden Streaming-Dienste auf dem Sitzungsniveau eingesetzt werden. Als ein vielversprechender Kandidat der Funkzugangstechnologie für die kommenden 5G-Netze führt nicht-orthogonaler Vielfachzugriff (NOMA) eine neue Dimension des Benutzermultiplexings im Leistungsbereich ein. Daher wird im zweiten Teil der Dissertation das Problem der Leistungszuweisung behandelt und es werden dynamische Kanal- und Leistungszuweisungsalgorithmen (DCPA) für NOMA-Netze entwickelt. Dabei werden zwei Neuheiten vorgestellt. Zunächst werden neuartige DCPA-Schemata mit geringer Komplexität für Ein- bzw. Mehrkanal-NOMA-Systeme entwickelt. Im Vergleich zu den anderen in der Literatur vorgestellten Ansätzen haben diese Lösungsvorschläge die Übertragungsleistung von NOMA mit extrem reduzierter Rechenkomplexität deutlich verbessert und sind damit für die praktische Anwendungen besser geeignet. Außerdem wird die nach bestem Wissen erste analytische Lösung für die Leistung von DCPA für NOMA-Systeme entwickelt und bei der Näherung der Nutzerdatenrate angewendet. Mit unterschiedlichen Systemkonfigurationen werden die Auswirkungen von Multi-Nutzer- und Multi-Kanal-Diversitäten auf die Leistung von NOMA untersucht, die als Richtlinie für deren Optimierung und Einführung in zukünftigen Netzwerken dienen kann.During the last decades, wireless cellular networks have been developing rapidly, moving from supporting only analog voice services to supporting a plethora of digital mobile applications. In this continuous and intensive evolutionary process, radio access technology has always played an important role in enabling efficient multi-user access to the limited available spectrum. Moreover, dynamic and efficient allocation of radio resources is necessary for supporting reliable and high-speed multi-user connectivity under fading and time-varying wireless channels. This thesis focuses on the dynamic resource allocation problems in both of the orthogonal and non-orthogonal multiple access networks. The major objectives of this work are to design highly efficient dynamic resource allocation schemes, in particular, user scheduling, channel and power allocation for optimized system performance, and develop analytical solutions to assess their performance in different communication scenarios. In the first part of the thesis, we focus on the performance analysis of dynamic resource allocation in the orthogonal multiple access networks. First, we build stochastic channel models for depicting the probability distributions of instantaneous channel states in multi-cell networks. Based on our channel models, we develop a framework for performance analysis of various resource allocation schemes, such as the max-sum rate, max-min rate, and proportional fair scheduling. We utilize the analytical performance to estimate ergodic user data rates. The estimation results are verified to be very accurate even with limited channel state information. To present a practical application of our analytical performance, we then use the estimated data rates to assist user association and design an inter-cell handover scheme for traffic load balancing in heterogeneous cellular networks. Furthermore, we extend our performance analysis of dynamic resource allocation to the case of on-off bursty traffic flows, which are used for modeling the increasingly popular streaming services at the session level. As one promising candidate radio access technology for the upcoming 5G networks, non-orthogonal multiple access (NOMA) introduces a new dimension of user multiplexing in the power domain. Thus, in the second part of the thesis, we address the power allocation problem and design dynamic channel and power allocation (DCPA) schemes for NOMA networks. Our contributions in this part are twofold. First, we design novel low-complexity DCPA schemes for single-channel and multi-channel NOMA systems, respectively. Compared to the other existing schemes in the literature, our proposed solutions significantly improve the transmission performance of NOMA with extremely reduced computational complexity, and thus more favorable to practical applications. Then, we develop, as far we are aware of, the first analytical solution to the performance of DCPA for NOMA systems and apply it to user data rate estimation. With different system configurations, we study the impacts of multi-user and multi-channel diversities on the performance of NOMA, serving as a guideline for its optimization and implementation in the future networks.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020286022
Interne Identnummern
RWTH-2019-10490
Datensatz-ID: 771929
Beteiligte Länder
Germany
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