Adaptive radio resource allocation algorithm for user satisfaction maximization in multiple services wireless networks

The enriched service scope, the steep increase in mobile traffic volume, and the ever increasing number of connected devices in mobile networks coupled with the scarcity of electromagnetic spectrum have raised the importance of designing flexible and ingenious means to guarantee high user satisfaction levels. Therefore, in order to capture and maintain a representative share of the wireless communication market, effective ways to manage the scarce physical resources of cellular networks are fundamental for cellular network operators. The Radio Resource Allo- cation (RRA) algorithms are responsible for performing such a relevant and arduous task. The efficiency of such algorithms is essential so that there exists a fair resource allocation among users and the Quality of Service (QoS) requirements of each individual user are met, thus guar- anteeing high user satisfaction levels. The recent scenarios of cellular networks are composed of a wide range of available services for mobile users, which demand conflicting QoS requirements. In order to achieve the objective of user satisfaction maximization in such networks, we formulate a utility-based cross-layer opti- mization problem targeted at maximizing the user satisfaction in multi-service cellular networks. The optimal solution of the proposed problem is very hard to be found. Thus, we mathematically manipulate the problem and derive a low complexity suboptimal solution from which we design an adaptive RRA technique. Our technique is composed of user weights and an innovative ser- vice weight that is adapted to meet the satisfaction target of the most prioritized service chosen by the network operator. Furthermore, the proposed algorithm is scalable to several classes of service and can be employed in the current and future generations of wireless systems. The performance evaluation of the proposed algorithm was conducted by means of system-level simulations in various scenarios. The evaluation was performed considering different multi- service scenarios. Then, the performance was evaluated considering imperfect Channel State Information (CSI) estimation at the transmitter. Significant gains in the overall system capacity were obtained in comparison with four benchmarking algorithms from the literature, demon- strating that the adaptability and service prioritization of the proposed algorithm are effective towards the objective of simultaneously maximizing the user satisfaction for multiple services.O escopo enriquecido de serviços, o aumento acentuado do volume de tráfego móvel e o nú- mero cada vez maior de dispositivos conectados nas redes móveis, acompanhado pela escassez do espectro eletromagnético, aumentaram a importância de projetar meios flexíveis e engenho- sos para garantir altos níveis de satisfação dos usuários. Portanto, para capturar e manter uma participação representativa no mercado das comunicações sem fio, mecanismos efetivos para gerenciar os recursos físicos escassos das redes celulares são fundamentais para as operadoras das redes celulares. Os algoritmos de alocação dos recursos de rádio (do inglês, Radio Resource Allocation (RRA)) são os responsáveis por executar essa tarefa tão relevante e árdua. A eficiên- cia desses algoritmos é essencial para que exista uma alocação justa de recursos entre os usuários e os requisitos individuais de qualidade de serviço (do inglês, Quality of Service (QoS)) de cada usuário sejam atendidos, garantindo assim altos níveis de satisfação dos usuários. Os cenários atuais das redes celulares são compostos por uma ampla gama de serviços disponí- veis para usuários móveis, que exigem requisitos de QoS conflitantes. Para alcançar o objetivo de maximizar a satisfação dos usuários nessas redes, formulamos um problema de otimização baseado na teoria da utilidade considerando múltiplas camadas que visa maximizar a satisfação dos usuários em redes celulares com múltiplos serviços. A solução ótima do problema proposto é muito difícil de ser encontrada. Dessa forma, nós manipulamos matematicamente o problema e derivamos uma solução subótima de baixa complexidade a partir da qual nós desenvolvemos um mecanismo adaptativo de RRA. Nosso mecanismo é composto por prioridades relacionadas aos usuários e uma inovadora prioridade relacionada ao serviço que é adaptada para atender um objetivo de satisfação dos usuários de um serviço com maior prioridade escolhido pela opera- dora da rede. Além disso, o algoritmo proposto é escalável para várias classes de serviço e pode ser empregado nas gerações atuais e futuras de sistemas celulares. A avaliação de desempenho do algoritmo proposto foi realizada por meio de simulações sistêmi- cas em vários cenários. A avaliação foi realizada considerando diferentes cenários com múltiplos serviços. Então, o desempenho foi avaliado considerando estimativa imperfeita da informação do estado de canal (do inglês, Channel State Information (CSI)) no transmissor. Ganhos signi- ficativos foram obtidos na capacidade total do sistema em comparação com quatro algoritmos encontrados da literatura, demonstrando que a adaptabilidade e priorização do serviço feita pelo algoritmo proposto são eficazes para atingir o objetivo de maximizar simultaneamente a satisfa- ção dos usuários para múltiplos serviços