Radioresurssien hallinta langattomassa tietoliikenteessä: keilanmuodostus, lähetystehon ja -nopeuden säätö

Effective sharing of the radio spectrum in current and future multi-user radio communication systems is important for the maximisation of communication capacity. Efficient sharing requires obtaining the target ratio between signal and interference powers defined by the requested services for every user with minimum use of resources. In this thesis, three radio resource management techniques – transmission power control, adaptive beamforming, and transmission rate management – are considered separately and jointly in attacking the problem of radio channel sharing. Transmission power control balances the signal-to-interference ratios of the connections, adaptive beamforming performs spatial filtering of signal in antenna arrays, and transmission rate management controls communication speeds of all connections in the system. This thesis proposes an algorithm for block proportional–integral transmission power control. It combines the ideas of updating the transmission powers of different connections in blocks of chosen connections and using a multiple-input, multiple-output proportional–integral controller in the transmission power balancing. The algorithm is compared to the single-input, single-output proportional–integral controller scenario and is seen to offer faster convergence to the optimal transmission powers. Adaptive beamforming weight vector prediction algorithms are introduced for decreasing the negative impact of the beamformer delay on the system performance. The prediction algorithms are based on autoregressive-moving average models, where parameters are updated using recursive least squares technique. This thesis takes practical approaches to joint beamforming and power control. Separate solutions are proposed for the receiving and transmission beamforming systems. Both solutions are based on making SINR estimates according to the covariance matrices of desired signals, which can be applied in transmission power control of corresponding connections. For transmission rate management, the feasibility of applying the power control point of view is taken. Solutions are based on the channel measurements and allocation of rates on the basis of the interference. The approach results in rate allocations that are fairer between users than those obtained via maximisation of communications capacity. In addition to cellular radio systems, this thesis addresses radio resource management of wireless sensor networks. Antenna array beamforming solutions are considered in receivers and transmitters of star-topology sensor networks.Radiospektrin tehokas jakaminen on tärkeää nykyisissä ja tulevaisuuden monen käyttäjän radiokommunikaatiojärjestelmissä tiedonvälityskapasiteetin maksimoimiseksi. Tehokas jakaminen vaatii tavoiteltujen signaali-interferenssi -suhteiden saavuttamista kaikkien käyttäjien kohdalla mahdollisimman vähin käytetyin resurssein. Tässä väitöskirjassa kolmea radioresurssien hallintatekniikkaa, lähetystehon säätöä, keilanmuodostusta ja lähetysnopeuden säätöä, käytetään yhdessä ja erikseen radioresurssien hallinnassa. Lähetystehon säätö tasapainottaa eri yhteyksien signaali-interferenssi -suhteita, keilanmuodostus suodattaa signaaleita tilallisessa suunnassa moniantennijärjestelmissä ja lähetysnopeuden säätö määrää tiedonvälitysnopeudet järjestelmän kaikille moninopeuksisille yhteyksille. Tämä väitöskirja ehdottaa lähetystehon säätöön lohkotyyppistä PI-säädintä. Se yhdistää ideat lähetystehojen päivityksestä usean lähettimen ryhmissä ja MIMO-tyyppisen PI-säätimen käyttämisessä. Algoritmia verrataan yhden lähettimen PI-säädettyyn versioon ja se tarjoaa nopeamman suppenemisen optimaaliseen lähetystehoon. Adaptiivisen keilanmuodostuksen painovektorin ennustamiseen esitellään algoritmit vähentämään keilanmuodostimen viiveen aiheuttamaa tehokkuuden laskua. Ennustusalgoritmit perustuvat autoregressiivisiin liikkuvan keskiarvon malleihin, joissa parametrit päivitetään rekursiivisen pienimmän neliösumman menetelmällä. Väitöskirja ottaa käytännöllisiä näkökulmia yhdistettyyn keilanmuodostukseen ja tehönsäätöön. Eri ratkaisuja on tutkittu lähettävien ja vastaanottavien moniantenniryhmien tapauksissa. Ratkaisut perustuvat signaali-interferenssi -suhteen arvioimiseen signaaleiden kovarianssimatriiseista, joiden avulla tehosäätöä voidaan parantaa. Väitöskirjassa kehitetään lähetysnopeuden säätöä tehonsäädön toteutettavuusnäkökulmasta. Ratkaisut perustuvat kanavamittauksiin ja nopeuksien asettamiseen interferenssin perusteella. Tuloksena saadaan tasapuolisempia lähetysnopeuksien jakoja käyttäjien välille kuin algoritmeilla, jotka perustuvat lähetyskapasiteetin maksimoimiseen. Solukkoradioverkkojen lisäksi väitöskirja käsittelee langattomien anturiverkkojen radioresurssien hallintaa. Moniantennijärjestelmiä tutkitaan sekä lähettimissä että vastaanottimissa tähtitopologian omaavissa anturiverkkojärjestelmissä. Erityisesti käsitellään anturinoodeja, jotka eivät sisällä vastaanotinta.reviewe