Maximizing spectral efficiency under minimum satisfaction constraints on multiservice wireless networks

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.Redes celulares entraram recentemente no competitivo mercado de provimento de serviços de dados devido principalmente aos avanços tecnológicos da terceira geração (3G) e da iminente quarta geração (4G). Os sistemas Long Term Evolution (LTE) e LTE-Advanced são exemplos de redes celulares que proporcionam altas taxas de dados a seus usuários. A necessidade de estar conectado de forma permanente e os novos e poderosos dispositivos móveis são fortes indicadores que o mercado de banda larga móvel ainda possui potencial de crescimento em nível global. Este novo cenário com sofisticados dispositivos móveis permite a rápida popularização de novas aplicações de dados móveis. Como consequência, esperamos que o tráfego nas redes móveis tenham um aumento considerável nos próximos anos. Portanto, o provimento de Qualidade de Serviço (do inglês, Quality of Service (QoS)) para serviços heterogêneos consiste em um cenário desafiador para os operadores dos sistemas e indústria em um futuro próximo. De forma a enfrentar esses desafios, algumas melhorias foram realizadas no núcleo da rede por meio do advento da arquitetura por chaveamento por pacotes baseado em protocolo da internet (do inglês, Internet Protocol (IP)). Na rede de acesso de rádio, tivemos como avanços o uso de múltiplas antenas nos nós da rede e a adoção dos esquemas de múltiplo acesso por divisão de frequências ortogonais (do inglês, Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)) e múltiplo acesso por divisão de frequências com portadora única (do inglês, 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 próximas gerações de redes celulares consiste no uso de alocação de recursos de rádio (do inglês, Radio Resource Allocation (RRA)). Algoritmos de RRA são responsáveis pelo gerenciamento dos recursos de rádio tais como intervalos de tempo (do inglês, time slots), canais espaciais e grupos de frequências que em geral são escassos. Neste contexto, nós estudamos nesta tese o uso de RRA em redes celulares de forma a melhorar a eficiência no uso dos recursos e garantir um provimento sustentável de múltiplos serviços. Especificamente, modelamos RRA como o problema de otimização de maximização da taxa total de transmissão sujeito a restrições de satisfação mínimas por serviço. Este problema é estudado ao longo da tese em diferentes cenários resultantes da combinação de diferentes esquemas de múltiplo acesso e múltiplas antenas. Como principais contribuições temos a caracterização de soluções ótimas, propostas de heurísticas de baixa complexidade, avaliação de desempenho por meio de simulações computacionais e por fim a análise da complexidade dos algoritmos envolvidos