Uplink OFDMA Resource Allocation using mobile Relays and Proportional Fairness

par Salma Hamda Harchay

Thèse de doctorat en Génie informatique, automatique et traitement du signal. Radiocommunications

Sous la direction de Daniel Roviras et de Ridha Bouallegue.

Le président du jury était Mérouane Debbah.

Le jury était composé de Mylène Pischella, Ammar Bouallegue.

Les rapporteurs étaient Luc Vandendorpe, Noureddine Hamdi.

  • Titre traduit

    Allocation de ressources pour un système OFDMA pour le sens montant se basant sur des relais et sur l’équité proportionnelle


  • Résumé

    Dans les systèmes de communications sans fils, l'allocation de ressources reste toujours un défi considérable afin de satisfaire les demandes des utilisateurs et de fournir de bonnes performances avec une perpétuelle demande en applications gourmandes en ressources. Les techniques multiporteuses essentiellement les techniques dérivant de l'OFDM sont généralement utilisées pour transmettre les données dans des sous-porteuses orthogonales. De plus, de nouvelles stratégies de relayage sont proposées pour améliorer les performances en bordures de cellules. Plusieurs types de relais peuvent être sollicités comme les relais fixes faisant partie de l'infrastructure du système ou les relais mobiles qui ne nécessitent pas un coût additionnel de déploiement.Dans cette thèse, nous étudions principalement l'allocation des ressources pour le sens montant d'un système cellulaire OFDMA assurant les exigences de qualité de service et l'équité entre les utilisateurs. Les algorithmes d'allocation de ressources les plus utilisés sont présentés et un nouvel algorithme se basant sur l'équité proportionnelle pondérée (WPF) est proposé afin d'approcher les bornes supérieures de débit et d'équité. L'algorithme WPF propose un poids variable par utilisateur permettant d'allouer un nombre plus élevé de sous-porteuses au centre de la cellule qu'en bordure tout en gardant une bonne équité entre les utilisateurs. Nous établissons une étude théorique afin de comparer l'algorithme proposé à l'algorithme classique d'équité proportionnelle (PF). Nous étendons ensuite l'algorithme WPF à un système multi-cellulaire où l'interférence inter-cellulaire (ICI) dégrade les performances du système. Enfin, nous étudions les stratégies d'annulation de l'ICI et proposons une nouvelle méthode pour réduire l'ICI en se basant sur la coopération entre les stations de base (BSs) et sur les indicateurs d'interférence. Nous proposons un nouvel indicateur d'interférence (EII) à valeurs entières échangé par les BSs pour indiquer les niveaux d'interférence des sous-porteuses. En prenant en compte les valeurs de EII échangées, chaque BS alloue dynamiquement les sous-porteuses de manière à éviter de fortes valeurs d'ICI.Dans un deuxième temps, nous étudions la communication coopérative en utilisant des relais mobiles. Pour cela, de simples utilisateurs mobiles ayant des positions avantageuses peuvent relayer d'autres utilisateurs en bordure de cellule en plus de transmettre leurs propres données. Un relai utilisant le protocole DF multiplexe ainsi ses propres données aux données relayées avant de transmettre à la BS. L'allocation de ressource est formulée sous forme d'un problème d'optimisation dont le but est de minimiser la puissance totale d'émission du système tout en assurant un débit cible par utilisateur. Dans un premier temps, nous proposons une méthode de sélection des relais comme phase d'initialisation et offrons une heuristique itérative pour optimiser l'allocation de puissance et des blocs de ressources radio (RBs). Dans un second temps, nous traitons la sélection des relais comme une variable d'optimisation additionnelle. Pour la résolution, la décomposition de Lagrange et la méthode duale sont utilisées et le problème global est divisé en sous problèmes résolus de manière itérative afin d'approcher la solution optimale. Enfin, nous étendons ce modèle coopératif à un modèle à antennes multiples (MIMO) afin d'étudier l'influence des antennes multiples sur la puissance totale de transmission. Les paramètres à optimiser sont la sélection des relais, l'allocation des puissances et l'allocation des RBs. Afin d'allouer la puissance sur les antennes d'un utilisateur, nous avons étudié la répartition égale des puissance (EPA) et le beamforming. Les expressions théoriques correspondantes sont établies et les résultats de simulation sont présentés pour comparer le modèle avec EPA et le modèle avec beamforming au modèle non coopératif.


  • Résumé

    In wireless systems, resource allocation is still an important challenge to satisfy user requirements and to ensure good system performances with always greedy data applications. Multicarrier techniques especially the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) techniques are generally used to carry data into orthogonal subcarriers. Furthermore, relaying strategies are used to enhance cell edge performances. Many types of relays can be investigated as fix relays being part of the network infrastructure or mobile relays without additional deployment cost.In this thesis, we mainly consider the resource allocation for an uplink Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) system for a cellular system model ensuring Quality of Service (QoS) requirements and fairness between users. The most used resource allocation algorithms are presented and a novel Weighted Proportional Fair (WPF) algorithm is proposed to approach upper bounds of both throughput and fairness. The WPF algorithm considers user weights to allocate more subcarriers in the cell center than in the cell edge keeping sufficient fairness between users. We establish a theoretical analysis to compare the behavior of the proposed WPF algorithm to the classical Proportional Fair (PF) algorithm. Then, we extend this WPF algorithm to a multi-cell system model where the Inter-Cell Interference (ICI) limits the system performance. Moreover, we study ICI mitigation strategies and propose a novel method to reduce the ICI based on Base Station (BS) cooperation and interference indicators. We propose the Enhanced Interference Indicator (EII) with integer values to be exchanged by the BSs indicating interference levels for the subcarriers. Function of these communicated EII values, each BS allocates dynamically subcarriers in order to reduce the ICI. Our contributions in the multi-cell system model are the WPF and the EII.Moreover, we investigate in this dissertation the cooperative communication using mobile relays and propose multiple contributions. For this, simple mobile users with advantageous positions can relay cell edge users to carry data to the BS in addition to their own data. A Decode and Forward (DF) relay multiplex then its own data and relayed data before transmitting to the BS. The resource allocation is formulated as an optimization problem aiming to minimize the system transmit power and respecting a required target data rate per user constraint. In a first time, we propose an initialization method for the paring step to associate source-relay pairs and propose an iterative heuristic to optimize both power and Resource Blocks (RB) allocations. In a second time, we consider the relay selection as an optimization variable in addition of power and RB allocations. For resolution, Lagrangian decomposition and Dual method are used and the global problem is divided into subproblems iterativelly resolved to approach the optimal solution. Finally, we extend this cooperative system model to a Multiple Input Multiple Output (MIMO) system model to study the influence of multiple antennas on the system transmit power. The features to optimize are relay selection, power and RBs allocation. Moreover, to allocate power in the different antennas for each user, both Equal Power Allocation (EPA) and beamforming are studied. Theoretical expressions are established and simulations results are presented to compare EPA, beamforming and non-cooperative system.



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