Cooperative strategies, achievable rates and resource allocation for OFDMA channels

Abstract

The design of next generation wireless communication systems brings along new challenges, since the degrading factors such as fading and multi-user interference become harder to deal with as the number of users and the bandwidth require- ments increase. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) is a multiple accessing technique which provides a solution to both of the problems above: it provides a relatively simple way of assigning available bandwidth to users, while avoiding interference; and at the same time, it converts a frequency selective fading channel, to parallel flat fading subchannels, hence reducing the effects of intersymbol interference. However, in wireless channels, what is tradi- tionally considered as interference is in fact side information, and combined with the diversity created by the orthogonal subchannels in OFDMA, this side infor»mation can be carefully taken advantage of to increase the rates achievable by the users. In our thesis, without imposing any prior constraints on subchannel allocation, we investigate cooperation strategies, achievable rates and resource allocation for OFDMA channels. We propose new cooperative encoding strategies for wireless communication net- works över OFDMA channels. We particularly focus on a two user cooperative OFDMA system, based on block Markov superposition encoding (BMSE). We obtain expressions of the resulting achievable rate regions for ali proposed coroperative encoding strategies. We show that, by allowing for re-partitioning and re-encoding of the cooperative messages across subchannels, it is possible to better exploit the diversity created by OFDMA, and higher rates can be achieved. In order to take full advantage of the diversity created by OFDMA, we then introduce a channel adaptive cooperation strategy for OFDMA, and optimize the transmit powers as a function of the channel states. We provide the optimality conditions that need to be satisfied by the powers associated with the users' codewords and derive the closed form expressions for the optimal powers.

Yeni nesil kablosuz haberleşme sistemlerinde, kullanıcı sayısı ve bantgenişliği talebindeki artış sebebiyle, sönümlenme ve çoklu kullanıcı karışımı gibi sorunlarla başa çıkılması ve uygun protokollerin tanımlaması gittikçe zorlaşmaktadır. Dik Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (DFBÇE) yukarıdaki iki probleme de çözüm sağlayan bir çoklu erişim tekniğidir: Kullanıcılara sahip olunan frekans tayfını dik olarak dağıtmak suretiyle karışımı engellerken aynı zamanda frekans seçici sönümlenmeli bir kanalı, paralel düz sönümlü alt kanallara çevirir, böylelikle semboller arası karışımın etkilerini azaltır. Halbuki kablosuz kanallarda, karışım olarak adlandırılan şey aslında yan bilgidir ve bu yan bilgi DFBÇE'nin ortogonal alt kanallarının çeşitliliği ile uygun bir şekilde birleştirildiğinde, kullanıcıların erişebilecekleri veri hızlarını arttırmak için kullanılabilir. Tezimizde, kanal ataması ile ilgili herhangi bir önkoşul koymadan, DFBÇE kanalları için işbirlikçi stratejileri, erişilebilir veri hızlarını ve kaynak tahsis tekniklerini inceliyoruz. Önce, DFBÇE altyapısı kullanan kablosuz haberleşme şebekeleri için yeni işbirlikçi kodlama stratejileri öneriyoruz. Özellikle, blok Markov bindirmeli kodlama uygulayan iki kullanıcılı DFBÇE sistemine yoğunlaşıyoruz. Önerdiğimiz tüm işbirlikçi kodlama stratejileri için erişilebilir veri hızı bölgelerini elde ediyoruz. Mesajların alt kanallara yeniden bölüştürülmesi ve yeniden kodlanmasına müsade edilmesi ile, DFBÇE'nin beraberinde getirdiği çeşitlilikten daha fazla faydalanılabileceğini ve daha yüksek veri hızlarına ulaşılabileceğini gösteriyoruz. Daha sonra, DFBÇE'nin oluşturduğu çeşitliliğin getirdiği faydalardan tam olarak yararlanmak amacıyla, DFBÇE için kanal uyarlamalı bir işbirlikçi strateji öneriyoruz ve çıkış güçlerini kanal durumlarının fonksiyonu olarak eniyiliyoruz. Kullanıcıların kodkelimelerine ilişkin güçlerinin sağlaması gereken eniyilik koşullarım buluyoruz ve en iyi güç değerleri için kapalı form denklemlerini türetiyoruz. Veri hızı bölgesinin sınırında herhangi bir noktaya ulaşılmasını sağlayan güçleri eniyilemek için kullanılabilecek iki algoritma öneriyoruz, işbirlikçi DFBÇE sisteminin sunduğu çeşitlilikten yararlanan güç kontrolünü uygulayamanm sadece erişilebilir veri hızlarında önemli bir iyileşme sağlamakla kalmadığını, aynı zamanda anlık olarak hangi alt kanalın hangi amaç için kullanılması gerektiğini belirlemede de fayda sağlayabileceğini kanıtlıyoruz.