Dynamic Resource Allocation in Packet-Oriented Multi-Cell OFDMA Systems

Abstract

Die Art der Nutzung von Mobiltelefonen hat sich im letzten Jahrzehnt entscheidend verändert. Während vor zehn Jahren Telefongespräche von relativ geringer Bitrate den Hauptanteil des Datenverkehrs in zellulären Mobiltelefonnetzwerken ausgemacht hat, dominieren heute hochbitratige Multimedia-Anwendungen den Netzwerkverkehr. In Zuge dieser Entwicklung und der Integration mit dem Internet, haben moderne zelluläre Systeme eine paketorientierte Architektur erhalten. Außerdem hat der immerwährende Bedarf an höheren Datenraten die Entwicklung neuartiger Übertragungs- und Medienzugriffsverfahren erfordert. Die derzeit am weitest verbreitete kombinierte Übertragungs- und Medienzugriffstechnik ist Orthogonal Frequency Division Multple Access (OFMDA). OFDMA-basierte Systeme spalten die vorhandene Systembandbreite in schmalbandige parallele Subkanäle auf. Ein hochratiger Bitstrom wird am Sender in mehrere Ströme von geringer Bitrate gesplittet und über die Subkanäle verteilt gesendet. Dabei können unterschiedliche Subkanäle gleichzeitig unterschiedlichen Nutzern zugeteilt werden. Verschiedene Forschungsarbeiten aus den letzten Jahren zeigen die Möglichkeit einer Verbesserung der Systemeffizienz auf, wenn die Übertragungsressourcen, also die Übertragungsleistung und die Subkanalzuordnung, dynamisch zugeteilt werden. Jedoch haben entsprechende Mechanismen eine erhöhte Systemkomplexität und einen zusätzlichen Signalisierungsaufwand zur Folge. Außerdem wurden sie ursprünglich für Systeme entwickelt, die sich von paketorientierten zellulären Systemen in drei Punkten grundsätzlich unterscheiden: in der Übermittlung der Daten in Paketform, in Art und Umfang des notwendigen Signalisierungsaufwandes und bezüglich der besonderen Interferenz-Situation in zellulären Systemen. Die vorliegende Arbeit widmet sich den grundsätzlichen Fragestellungen, die auftreten, wenn entsprechende dynamische Mechanismen im Downlink von OFDMA-basierten zellulären Systemen zum Einsatz kommen sollen. Insbesondere werden im Rahmen dieser Arbeit mathematische Optimierungsmodelle entwickelt, durch die das Potential des Einsatzes verschiedener dynamischer Mechanismen in solchen Systemen bestimmt werden kann. Es wird gezeigt, dass durch den Einsatz verschiedener dynamischer Techniken am Daten- und Signalisierungskanal der Durchsatz, die Fairness zwischen Teilnehmern, sowie die Übertragungszuverlässigkeit entscheidend verbessert werden können; und dass durch eine zellübergreifend optimierte Ressourcenvergabe auf sonst übliche Interferenzunterdrückungsmechanismen verzichtet werden kann. Da es mit der heute üblichen Hardware in entsprechenden Systemen nicht möglich ist, die Ressourcenverteilungsprobleme optimal zu lösen, werden anschließend an die Gewinnpotentialbestimmung der einzelnen Ansätze heuristische Algorithmen entwickelt. Diese Heuristiken sind in der Lage, die Optimierungsprobleme sub-optimal, aber effizient zu lösen. Im einzelnen werden ein kombinierter Subkanal-Zuweisungs-/Packet-Auswahl-Algorithmus, ein dynamischer Leistungszuweisungs- und ein dynamischer Kodierungsalgorithmus für den Signalisierungskanal, sowie ein zellübergreifender Leistungs-Koordinierungsalgorithmus vorgestellt. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit die potentiellen Gewinne, die durch den Einsatz dynamischer Mechanismen in paketorientierten OFDMA-basierten zellulären System erzielbar sind auf, und stellt heuristische Algorithmen zur effizienten Implementierung der dynamischen Ansätze zur Verfügung.