Maximizing spectral efficiency under minimum satisfaction constraints on multiservice wireless networks

Redes celulares entraram recentemente no competitivo mercado de provimento de serviÃos de dados devido principalmente aos avanÃos tecnolÃgicos da terceira geraÃÃo (3G) e da iminente quarta geraÃÃo (4G). Os sistemas Long Term Evolution (LTE) e LTE-Advanced sÃo exemplos de redes celulares que proporcionam altas taxas de dados a seus usuÃrios. A necessidade de estar conectado de forma permanente e os novos e poderosos dispositivos mÃveis sÃo fortes indicadores que o mercado de banda larga mÃvel ainda possui potencial de crescimento em nÃvel global. Este novo cenÃrio com sofisticados dispositivos mÃveis permite a rÃpida popularizaÃÃo de novas aplicaÃÃes de dados mÃveis. Como consequÃncia, esperamos que o trÃfego nas redes mÃveis tenham um aumento considerÃvel nos prÃximos anos. Portanto, o provimento de Qualidade de ServiÃo (do inglÃs, Quality of Service (QoS)) para serviÃos heterogÃneos consiste em um cenÃrio desafiador para os operadores dos sistemas e indÃstria em um futuro prÃximo. De forma a enfrentar esses desafios, algumas melhorias foram realizadas no nÃcleo da rede por meio do advento da arquitetura por chaveamento por pacotes baseado em protocolo da internet (do inglÃs, Internet Protocol (IP)). Na rede de acesso de rÃdio, tivemos como avanÃos o uso de mÃltiplas antenas nos nÃs da rede e a adoÃÃo dos esquemas de mÃltiplo acesso por divisÃo de frequÃncias ortogonais (do inglÃs, Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)) e mÃltiplo acesso por divisÃo de frequÃncias com portadora Ãnica (do inglÃs, Single Carrier - Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA)) nos enlaces direto e reverso do sistema LTE, respectivamente. Outra funcionalidade que destacamos como relevante para enfrentar os desafios das prÃximas geraÃÃes de redes celulares consiste no uso de alocaÃÃo de recursos de rÃdio (do inglÃs, Radio Resource Allocation (RRA)). Algoritmos de RRA sÃo responsÃveis pelo gerenciamento dos recursos de rÃdio tais como intervalos de tempo (do inglÃs, time slots), canais espaciais e grupos de frequÃncias que em geral sÃo escassos. Neste contexto, nÃs estudamos nesta tese o uso de RRA em redes celulares de forma a melhorar a eficiÃncia no uso dos recursos e garantir um provimento sustentÃvel de mÃltiplos serviÃos. Especificamente, modelamos RRA como o problema de otimizaÃÃo de maximizaÃÃo da taxa total de transmissÃo sujeito a restriÃÃes de satisfaÃÃo mÃnimas por serviÃo. Este problema à estudado ao longo da tese em diferentes cenÃrios resultantes da combinaÃÃo de diferentes esquemas de mÃltiplo acesso e mÃltiplas antenas. Como principais contribuiÃÃes temos a caracterizaÃÃo de soluÃÃes Ãtimas, propostas de heurÃsticas de baixa complexidade, avaliaÃÃo de desempenho por meio de simulaÃÃes computacionais e por fim a anÃlise da complexidade dos algoritmos envolvidos.Cellular networks are now a new player in the competitive market of data service provision mainly due to the technological advances of 3rd Generation (3G) and the upcoming 4th Generation (4G). Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced are examples of systems that are capable of providing high data rates to the end user. The need of being connected anytime and anywhere and the appealing mobile devices/applications are strong indications that the mobile broadband market has potential for further worldwide increasing. This new scenario with sophisticated mobile terminals enables the quick popularization of new appealing data mobile applications. As a consequence, it is expected that the traffic on mobile networks will have a considerable increase in the next years. Therefore, the sustainable Quality of Service (QoS) provision of heterogeneous services appears as a challenging scenario for mobile network operators and industry in the near future. In order to deal with this challenging scenario, improvements in the core network have been done by means of an Internet Protocol (IP)-based packet-switched architecture. In the radio access network, the use of Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) and Single Carrier - Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) as the multiple access schemes of downlink and uplink of LTE system, respectively, and the addition of multiple antennas techniques have boosted the achieved data rates in the radio part of the networks. Another relevant functionality that is useful to deal with the challenges of next generation cellular networks is efficient Radio Resource Allocation (RRA). RRA algorithms interact with multiple access schemes and multiple antenna schemes and are responsible for the management of the scarce radio resources such as power, time slots, spatial channels and frequency chunks. In this context, we study in this thesis the use of RRA in cellular networks in order to improve the resource usage efficiency and guarantee the sustainable provision of multiple services. More specifically, we model this RRA problem as the optimization problem of maximizing the overall data rate subject to minimum satisfaction constraints per service. Along this thesis, we study this problem in different scenarios with different multiple access strategies and multiple antennas schemes. As main contributions we provide the characterization of optimal solutions, proposal of low-complexity heuristic solutions, performance evaluation by means of computational simulations and computational complexity analysis of the involved algorithms