ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΤΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Τεχνικές διαχείρισης ραδιοπόρων σε συστήματα OFDMA με χρήση πολλαπλών κεραιών στο σταθμό βάσης και στη συσκευή τον χρήστη ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Δήμητρα Α. Ζαρμπούτη Διπλωματούχος ΣΙλεχτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών ΕΜΠ Μήνα, Ιούνιος 2009
Περίληψη Οι εξελίξεις στο χώρο των ασύρματων επικοινωνιών τα τελευταία είκοσι χρόνια υπήρξαν ραγδαίες. Το πεδίο των ασύρματων επικοινωνιών, κυρίως σε ερευνητικό επίπεδο, διασπάστηκε γρήγορα σε επιμέρους τομείς για να γίνει δυνατή η μελέτη του. H παρούσα διδαχτοριχή διατριβή εντάσσεται στο τμήμα αυτό της ερευνητικής δραστηριότητας που μελετά συστήματα εξυπηρέτησης κινητών χρηστών στα πλαίσια χυψελωτών δικτύων. Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η μελέτη επίδοσης OFDMA δικτύων σε συνδυασμό με τους αλγόριθμους κατανομής πόρων που εφαρμόζουν. H επίδοση των δικτύων ελέγχεται όταν οι σταθμοί βάσης χρησιμοποιούν τεχνικές στοιχειοκεραίας είτε ανεξάρτητα, είτε σε συνδυασμό με στοιχειοκεραία στη συσκευή του χρήστη. Εξετάζονται έξι αλγόριθμοι ανάθεσης φερόντων χλιμαχούμενης δυσκολίας ενώ εξετάζεται και η συνδυαστική εφαρμογή τους με την τεχνική της προσαρμοστικής διαμόρφωσης η οποία αποτελεί συχνό γνώρισμα των OFDMA συστημάτων. Προτείνεται αλγόριθμος κατανομής φερόντων με βαθμό επαναχρησιμοποίησης ένα, που στηρίζεται στην τεχνική της διάσπασης κυψέλης (cell splitting) και παρουσιάζει βελτιωμένη επίδοση συγκριτικά με τις ήδη χρησιμοποιούμενες τεχνικές χωρίς ωστόσο να αυξάνει την πολυπλοκότητα. Αρχικά τεχνικές στοιχειοκεραίας εφαρμόζονται στο σταθμό βάσης. Μελετάται η επίδοση OFDMA δικτύων με εφαρμογή σταθερού πλέγματος λοβών (switched-beam smart antennas system), με ή χωρίς προσαρμοστική διαμόρφωση. Πραγματοποιείται μελέτη για το κατάλληλο μήκος καναλιού που πρέπει να αποδίδει το δίκτυο στους χρήστες του όταν αιτούν διαφορετικού ρυθμού υπηρεσία και το σύστημα χρησιμοποιεί την τεχνική της προσαρμοστικής διαμόρφωσης. Σε δεύτερο στάδιο η στοιχειοκεραία του σταθμού βάσης χρησιμοποιείται στα πλαίσια της τεχνικής της τυχαίας διαμόρφωσης δέσμης (random beamforming). Εδώ το δίκτυο προσπαθεί να εκμεταλλευτεί το κέρδος διαφορισμού λόγω πολλαπλών χρηστών (multiuser diversity gain) προκαλώντας μεγαλύτερες διακυμάνσεις στο κανάλι τους. Τέλος, προσομοιώνεται η ζεύξη του OFDM συστήματος που χρησιμοποιήθηκε στην προηγούμενη μελέτη. Με αυτό τον τρόπο προκύπτουν οι ακριβείς τιμές SNR-SER για τις συγκεκριμένες παραμέτρους του OFDM συστήματος, αλλά και για συγκεκριμένα μο-
ντέλο καναλιού που λαμβάνει υπόψη του μιχροσχοπικές διαλείψεις. H ζεύξη τροποποιείται κατάλληλα ώστε να προσομοιωπ9ούν τεχνικές κωδικοποίησης ΜΙΜΟ για δύο και τέσσερα στοιχεία στον πομπό χα! για δύο στοιχεία στο δέκτη. Οι τεχνικές ΜΙΜΟ που επιλέχθηκαν αποτελούν εκτεταμένα μιγαδικά σχήματα που στηρίζονται στο βασικό σχήμα του Alamouti. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της ζεύξης χρησιμοποιήθηχαν στην προσομοίωση πολυχυψελωτού OFDMA δικτύου. Με αυτόν τον τρόπο μελετήθηχε η επίδοση δικτύων OFDMA που έχουν τη δυνατότητα εκμετάλλευσης στοιχειοχεραίας σε πομπό και δέκτη. Λέξεις Κλειδιά: τεχνική πολυπλεξίας OFDMA, διαχείριση ραδιοπόρων, τεχνικές στοι- χειοκεραίας, σχήματα κωδικοποίησης ΜΙΜΟ Ι" ΚΟΙΝΟΤΙΚΟ Π.λ.λLIΠ ΣΤΤ{ΠΞΗΣ ΙΞΠΙίίΕ11'Η2.1ΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ H διατριβή πραγματοποιή~ηχε με τη συγχρηματοδότηση του Ευρωπάίχού Κοινοτικού Ταμείου (80%ο) και της Γενικής Γραμματείας 'Ερευνας και Τεχνολογίας του Υπουργείου Ανάπτυξης (20%ο) '~ r. ~ εν ιηπαικιι ειιητιι ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΗΜΟΚΡΛΤΙΛ
Abstract This doctoral thesis attempts to provide an analysis and performance investigation on the operation of OFDMA networks. The research analysis of an OFDMA network can certainly involve different aspects of its operation. However, in the framework of this thesis, the interest lies in the resource allocation algorithms that these networks apply along with the different array antenna techniques that can also be implemented in such networks in order to endure their performance. In the context of the radio resource allocation, six subcarrier allocation algorithms with gradually increasing difficulty, are examined. Their performance is also investigated when adaptive modulation is applied. The adaptive modulation technique is combined with OFDMA systems since it has been proved to optimize their performance. Nevertheless, this technique involves important feedback information so less demanding techniques are usually preferred. A new subcarrier allocation algorithm is proposed with frequency reuse one that is built upon the well-known cell splitting concept. This technique presents improved performance compared to the already applied ones, while it maintains the complexity in sufficiently low levels. In the next step array antenna techniques are applied at the network base stations. The technique of switched-beam smart antennas systems is investigated in the context of a typical OFDMA network and a study on the impact of the user channel length is also held. This study concerns only systems that enable adaptive modulation and attempts to provide an insight on the suitable channel length (in terms of system subcarriers) that the network should allocate to its users according to their requested service. The array antenna at the base station can alternatively be used for random beamforming. This technique provides additional fluctuations in the user channel as a means to increase the multiuser diversity gain. Finally, the link between the transmitter and the receiver of the OFDM system that was used in the aforementioned studies is simulated. The SNR-SER mapping values for the specific OFDM parameters are now calculated with the use of channel models that simulate small scale fading. Next, the OFDM link simulation is extended to the point that MIMO encoding techniques are also included. The simulated ΜΙΜΟ techniques are stemmed from the extended Alamouti orthogonal designs and involve two and four
transmit antennas with two antennas at the receiver end. The simulation results of the MIMO-OFDM link are provided to the OFDMA network simulation environment so as the performance of the MIMO-OFDM encoding techniques to be evaluated in the context of a large scale OFDMA network. Key Words: OFDMA, radio resource management techniques, switched-beam antennas, random beamforming, ΜΙΜΟ encoding schemes 3rd COMMUNITY SUPPORT FRAMEWORK OPERATIONAL PROGRAMME This thesis was co-financed by E.U.-European Social Fund (80%) and by the Greek Ministry of Development - General Secretariat for Research and Technology (20%). EUROPEAN UNION I-HELLENICRΕΡV8ΙJC