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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/53307
Type: | Tese |
Title: | Radio Resource Management for Rate Maximization with QoS/QoE Provisioning in Wireless Networks |
Title in English: | Radio Resource Management for Rate Maximization with QoS/QoE Provisioning in Wireless Networks |
Authors: | Sousa, Diego Aguiar |
Advisor: | Maciel, Tarcísio Ferreira |
Co-advisor: | Lima, Francisco Rafael Marques |
Keywords: | Sistema de Comunicação em Banda Larga;Teleinformática;Sistemas de comunicação sem fio;Wireless |
Issue Date: | 2018 |
Citation: | SOUSA, Diego Aguiar. Radio Resource Management for Rate Maximization with QoS/QoE Provisioning in Wireless Networks. 2018. 131 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | Atualmente, a quinta geração (5G) de comunicações móveis está sendo intensivamente discutida para finalizar a nova padronização. Sabe-se que os sistemas 5G devem suportar uma ampla variedade de aplicações, além de prover conexão a um grande número de dispositivos. Um dos casos de uso do 5G é a banda larga móvel aprimorada (do inglês, Enhanced Mobile Broadband (eMBB)), que consiste em uma melhoria nos atuais serviços de banda larga de quarta geração (4G). O eMBB está focado em prover, entre outras coisas, altas capacidades, altos picos de taxa, e uma boa vazão de dados por usuário. Uma estratégia para atingir os objetivos do eMBB é fazer uso de métodos apropriados de alocação de recursos de rádio (do inglês, Radio Resource Allocation (RRA)). Deste modo, o trabalho desenvolvido nesta tese estudou métodos de RRA com o intuito de maximizar a taxa total do sistema, garantindo uma certa taxa de satisfação por serviço em cenários com um ou mais serviços. Tais problemas de RRA consideram requerimentos diferentes por serviço e um compromisso entre alta eficiência espectral e satisfação dos usuários. Tal compromisso pode ser gerenciado pelo operador do sistema, o que torna este estudo bastante relevante, principalmente para os operadores de redes móveis. Os métodos de RRA foram estudados em três contextos distintos. O primeiro problema considera que a estação rádio-base divide a potência disponível igualmente entre todos os blocos de recurso (do inglês, Resource Blocks (RBs)) e somente estes são alocados pelo RRA. Além disso, os usuários devem ter seus requisitos atendidos em um único slot de tempo. Este problema é inicialmente descrito como um problema de otimização e, a partir de sua análise, foi proposta uma nova heurística subótima e de baixa complexidade. O algoritmo proposto atinge resultados melhores que a heurística do estado da arte. Ademais, diferentemente do estado da arte, quando não há solução viável para o problema, o algoritmo proposto é capaz de prover resultados próximos ao desejado. Logo depois, o problema de RRA é estendido para atender os requisitos dos usuários dentro de um intervalo de tempo. Neste contexto, o algoritmo proposto anteriormente foi estendido para escalonar os usuários ao longo do tempo. Tal escalonador é comparado com algoritmos de RRA baseados em utilidade com objetivos similares. Os resultados de simulação mostraram que o escalonador proposto apresenta valores de satisfação e taxa total consideravelmente melhores que as soluções de referência. Por fim, o problema de RRA é novamente estudado considerando um único slot de tempo, contudo desta vez alocando ambos potência e RBs. De modo similar ao primeiro problema estuado nesta tese, o RRA é primeiramente escrito como um problema de otimização. Usando a mesma estrutura de solução adotada na análise do primeiro problema tratado nesta tese, uma nova heurística subótima é proposta. Simulações computacionais mostraram que a solução proposta supera o algoritmo do estado da arte. Além disso, a heurística proposta provê soluções próximas ao desejado, quando o problema não possui solução viável. Enquanto isso, nestes casos, a algoritmo do estado da arte não é capaz de prover uma solução realizável. |
Abstract: | Currently, the Fifth Generation (5G) of mobile communications is under intensive discussions in order to setup the new standardization. It is already known that 5G systems must provide support to a large variety of applications besides handling a higher number of devices connected to the network. One of the use cases of the 5G is the Enhanced Mobile Broadband (eMBB), which consists in an improvement of the existing Fourth Generation (4G) broadband service. The eMBB focuses on providing, among other characteristics, high system capacity, high peak data rate and user experienced data rate. One possible strategy to achieve the eMBB goals is to properly use Radio Resource Allocation (RRA) methods to increase the efficiency of the spectrum usage and the Quality of Service (QoS) perceived by the users. Therefore, the work developed in this thesis studies methods of RRA aiming at maximizing the overall system throughput, constrained by guaranteeing a certain satisfaction rate per service in single and multi-service scenarios. The RRA problems addressed in this thesis deal with different service requirements and a trade-off between high spectral efficiency and users satisfaction. This trade-off can be managed by the system, which makes the study performed in this thesis very relevant, mainly to the mobile network operators. The RRA methods are studied in three different contexts. The first problem considers that the Base Station (BS) employs an Equal Power Allocation (EPA) among Resource Blocks (RBs) and only the RB assignment is addressed by the RRA. Besides, the users shall meet their requirements in a single time slot, i.e., on a Transmission Time Interval (TTI) basis. This problem is initially described mathematically and, from the analysis of the optimization problem formulation, a new suboptimal low complexity heuristic is proposed. By means of computational simulations, it is shown that the proposed algorithm outperforms the state-of-the- art heuristic, achieving near optimal results. Moreover, in contrast to the state-of-the-art literature, the proposed algorithm is capable of providing near feasible solutions in infeasible instances of the problem. Thereafter, this RRA problem is extended to address the users’ requirements over a given timespan. In this context, the heuristic earlier proposed is extended to schedule the users over time. The proposed heuristic is compared with utility-based benchmark algorithms with similar objectives. Simulation results show that proposed scheduler considerably outperforms the benchmark solutions in terms of both satisfaction and overall system throughput. Lastly, the RRA problem is once again studied on a TTI basis, however allocating both power and RBs. Like the first problem studied in this thesis, the RRA is firstly stated as an optimization problem. Using the same solution framework adopted with the first problem, a new suboptimal heuristic is proposed. Computational simulations show that the proposed heuristic outperforms the state-of-the-art algorithm. Additionally, the proposed heuristic is capable of providing near feasible solutions in infeasible instances of the RRA problem, while the state-of-art literature does not provide a practical solution. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/53307 |
Appears in Collections: | DETE - Teses defendidas na UFC |
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