Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) is a multiple access transmission scheme that has been adopted in the 4th generation 3GPP Long Term Evolution (LTE) of cellular systems. In fact, its relatively low peak-to-average power ratio (PAPR) makes it ideal for the uplink transmission where the transmit power efficiency is of paramount importance. Multiple access among users is made possible by assigning different users to different sets of non-overlapping subcarriers. With the current LTE specifications, if an SC-FDMA system is operating at its full capacity and a new user requests channel access, the system redistributes the subcarriers in such a way that it can accommodate all of the users. Having less subcarriers for transmission, every user has to increase its modulation order (for example from QPSK to 16QAM) in order to keep the same transmission rate. However, increasing the modulation order is not always possible in practice and may introduce considerable complexity to the system. The technique presented in this thesis report describes a new way of adding more users to an SC-FDMA system by assigning the same sets of subcarriers to different users. The main advantage of this technique is that it allows the system to accommodate more users than conventional SC-FDMA and this corresponds to increasing the spectral efficiency without requiring a higher modulation order or using more bandwidth. During this work, special attentions wee paid to the cases where two and three source signals are being transmitted on the same set of subcarriers, which leads respectively to doubling and tripling the spectral efficiency. Simulation results show that by using the proposed technique, it is possible to add more users to any SC-FDMA system without increasing the bandwidth or the modulation order while keeping the same performance in terms of bit error rate (BER) as the conventional SC-FDMA. This is realized by slightly increasing the energy per bit to noise power spectral density ratio (Eb/N0) at the transmitters.

Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) is a multiple access transmission scheme that has been adopted in the 4th generation 3GPP Long Term Evolution (LTE) of cellular systems. In fact, its relatively low peak-to-average power ratio (PAPR) makes it ideal for the uplink transmission where the transmit power efficiency is of paramount importance. Multiple access among users is made possible by assigning different users to different sets of non-overlapping subcarriers. With the current LTE specifications, if an SC-FDMA system is operating at its full capacity and a new user requests channel access, the system redistributes the subcarriers in such a way that it can accommodate all of the users. Having less subcarriers for transmission, every user has to increase its modulation order (for example from QPSK to 16QAM) in order to keep the same transmission rate. However, increasing the modulation order is not always possible in practice and may introduce considerable complexity to the system. The technique presented in this thesis report describes a new way of adding more users to an SC-FDMA system by assigning the same sets of subcarriers to different users. The main advantage of this technique is that it allows the system to accommodate more users than conventional SC-FDMA and this corresponds to increasing the spectral efficiency without requiring a higher modulation order or using more bandwidth. During this work, special attentions wee paid to the cases where two and three source signals are being transmitted on the same set of subcarriers, which leads respectively to doubling and tripling the spectral efficiency. Simulation results show that by using the proposed technique, it is possible to add more users to any SC-FDMA system without increasing the bandwidth or the modulation order while keeping the same performance in terms of bit error rate (BER) as the conventional SC-FDMA. This is realized by slightly increasing the energy per bit to noise power spectral density ratio (Eb/N0) at the transmitters.

Τα μελλοντικά ασύρματα δίκτυα και συστήματα επικοινωνιών αναμένεται να παρέχουν αξιόπιστα υπηρεσίες δεδομένων με απαιτήσεις ρυθμού μετάδοσης δεδομένων οι οποίες κυμαίνονται από λίγα kbps μέχρι μερικά Mbps και εξαιτίας του υψηλού κόστους του φάσματος συχνοτήτων, αυτά τα συστήματα χρειάζεται να είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά όσον αφορά στη χρησιμοποίηση του φάσματος. Συγκεκριμένα, η εφαρμογή τεχνικών μετάδοσης δεδομένων οι οποίες βασίζονται σε MIMO και OFDMA θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη λύση για να ικανοποιήσει αυτές τις απαιτήσεις. Από την άλλη μεριά, τα συστήματα MIMO-OFDMA είναι εύκαμπτα και φασματικά αποτελεσματικά αλλά ο αξιοσημείωτα μεγάλος αριθμός υποφορέων και ο συνυπολογισμός της διάστασης χώρου καθιστούν την κατανομή ραδιοπόρων πολύ πολύπλοκη. Στην πραγματικότητα, η βέλτιστη κατανομή ραδιοπόρων η οποία μεγιστοποιεί το συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των χρηστών είναι συχνά πάρα πολύ πολύπλοκη για πρακτικές εφαρμογές. Συνεπώς, απαιτούνται υποβέλτιστες σχετικά αποτελεσματικές και χαμηλής πολυπλοκότητας στρατηγικές κατανομής ραδιοπόρων ώστε να κατανείμουν τους ραδιοπόρους συχνότητας, ισχύος και χώρου του συστήματος στους χρήστες του συστήματος. Η παρούσα ΔΔ διαπραγματεύεται στρατηγικές κατανομής ραδιοπόρων στην κατερχόμενη και στην ανερχόμενη ζεύξη συστημάτων OFDMA, στην κατερχόμενη ζεύξη συστημάτων MISO-OFDMA και στην κατερχόμενη ζεύξη συστημάτων MIMO-OFDMA στοχεύοντας στη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών εγγυώντας οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων των χρηστών να τηρούν μια προκαθορισμένη αναλογία μεταξύ τους ή να ξεπερνούν προκαθορισμένους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Στο πλαίσιο της επίλυσης του προβλήματος της μεγιστοποίησης του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με ανεκτή πολυπλοκότητα για κάθε μία από τις προαναφερθείσες περιπτώσεις, προτείνονται νέοι υποβέλτιστοι αλγόριθμοι. Στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων SISO, στόχος είναι η μεγιστοποίση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στη συνολική διαθέσιμη ισχύ και με αναλογικούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μεταξύ των χρηστών. Η προτεινόμενη μέθοδος, η οποία είναι αποτελεσματική όσον αφορά στην πολυπλοκότητα, αποτελείται από τρεις αλγόριθμους: έναν αλγόριθμο ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των υποφορέων για κάθε χρήστη, έναν αλγόριθμο κατανομής υποφορέων διαιρώντας τους χρήστες σε δύο ομάδες και τον αλγόριθμο water-filling. Οι πρώτοι δύο αλγόριθμοι αναθέτουν τους διαθέσιμους υποφορείς στους χρήστες του συστήματος και ο τρίτος αλγόριθμος κατανέμει τη διαθέσιμη ισχύ με βέλτιστο τρόπο για μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Στην ανερχόμενη ζεύξη των συστημάτων SISO, στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στην ισχύ κάθε χρήστη και σε ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μεταξύ των χρηστών. Η προτεινόμενη τεχνική, η οποία είναι αποτελεσματική όσον αφορά στην πολυπλοκότητα, αποτελείται από τρεις αλγόριθμους: έναν αλγόριθμο ο οποίος προσδιορίζει τον αριθμό των υποφορέων για κάθε χρήστη, έναν αλγόριθμο κατανομής υποφορέων διαιρώντας τους χρήστες σε δύο ομάδες και τον αλγόριθμο water-filling. Οι πρώτοι δύο αλγόριθμοι αναθέτουν τους διαθέσιμους υποφορείς στους χρήστες του συστήματος και ο τρίτος αλγόριθμος κατανέμει τη διαθέσιμη ισχύ. Στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων MISO αναπτύσσονται τρεις αλγόριθμοι επιλογής χρηστών και κατανομής πόρων για πολυχρηστικά συστήματα κατερχόμενης ζεύξης οι οποίοι είναι λιγότερο πολύπλοκοι από άλλες προσεγγίσεις και ενσωματώνουν τη δικαιοσύνη. Στους πρώτους δύο αλγόριθμους επιβάλλονται αναλογικοί περιορισμοί μεταξύ των ρυθμών μετάδοσης δεδομένων των χρηστών και στον τρίτο αλγόριθμο περιορισμοί στους ελάχιστους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων λαμβάνονται υπόψη. Επίσης, πραγματοποιείται επέκταση του αλγόριθμου μεγιστοποίησης του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με αναλογικούς περιορισμούς δικαιοσύνης σε ΣΚΚ και για μείωση της πολυπλοκότητας οι υποφορείς ομαδοποιούνται σε τεμάχια. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα τους στη διανομή του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων δίκαια μεταξύ των χρηστών αλλά και ότι σε ΣΚΚ επιτυγχάνονται μεγαλύτεροι συνολικοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων. Τέλος, στην κατερχόμενη ζεύξη των συστημάτων MIMO, το πρόβλημα διατυπώνεται με στόχο τη μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων των χρηστών με περιορισμό στη συνολική διαθέσιμη ισχύ και ελέγξιμο εύρος ζώνης στο σύστημα εισάγοντας την παράμετρο α. Αφού αυτό το πρόβλημα βελτιστοποίησης πρέπει να εκτελεστεί σε πραγματικό χρόνο, προτείνεται ένας αλγόριθμος αποδοτικός, υποβέλτιστος και αποτελεματικός όσον αφορά στην πολυπλοκότητα ο οποίος παρουσιάζει λογική απώλεια όσον αφορά στην περίπτωση χωρίς περιορισμούς όπου ο μόνος στόχος είναι η μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων και εντυπωσιακό όφελος συγκρινόμενος με τη στατική τεχνική TDMA. Πέραν της θεωρητικής ανάλυσης των παραπάνω αλγόριθμων, ο προσομοιωτικός κώδικας που δημιουργήθηκε βασισμένος σε ρεαλιστικές υποθέσεις και απλουστεύσεις, μάς έδωσε τα αποτελέσματα εκείνα τα οποία μετρούν το συνολικό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων των χρηστών ο οποίος παρέχεται από κάθε έναν από τους προαναφερθέντες αλγόριθμους και εξετάζουν την πιθανή καταλληλότητα για χρήση τους σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα. Τα τελικά συμπεράσματα είναι ότι τα συστήματα MIMO-OFDMA είναι ικανά να προσφέρουν πραγματικές ευρυζωνικές υπηρεσίες πάνω από το ασύρματο κανάλι επικοινωνίας. / Future wireless communication networks and systems are expected to reliably provide data services with data rate requirements ranging from a few kbps up to some Mbps and, due to the high costs of frequency spectrum, these systems also need to be extremely efficient in terms of the spectrum usage. In particular, the application of transmission schemes based on OFDMA and on MIMO is considered as a promising solution to meet these requirements. On the one hand, MIMO-OFDMA systems are flexible and spectrally efficient but the considerably large number of subcarriers and the inclusion of the space dimension make the RRA in such systems very complex. In fact, the optimum RRA that maximizes the sum of the users' data rates is often too complex for practical application. Consequently, suboptimal rather efficient and low-complexity RRA strategies are required in order to allocate the frequency, power, and space radio resources of the system to the users of the system. This doctoral thesis deals with RRA strategies in the downlink and uplink of OFDMA systems, the downlink of MISO-OFDMA systems, and the downlink of MIMO-OFDMA systems aiming at the maximization of the sum of the users' data rates guaranteeing proportional data rates or minimum data rates among users. In order to solve the problem of maximizing the sum of the users' data rates with affordable complexity in each one of the aforementioned cases, new suboptimal algorithms are proposed. In the SISO downlink the objective is to maximize the sum of the users' data rates subject to constraints on the total available power and proportional data rates among users. The proposed method, which is also complexity effective, consists of three algorithms; an algorithm that determines the number of subcarriers for each user, a subcarrier allocation algorithm by dividing the users in two groups and the water-filling algorithm. The first two algorithms assign the available subcarriers to the users of the system and the third one allocates the available power optimally in order to maximize the sum of the users' data rates. In the SISO uplink the objective is to maximize the sum of the users' data rates subject to constraints on per user power and minimum data rates among users. The proposed scheme, which is also complexity effective, consists of three algorithms; an algorithm that determines the number of subcarriers for each user, a subcarrier allocation algorithm by dividing the users in two groups and the water-filling algorithm. The first two algorithms assign the available subcarriers to the users of the system and the third one allocates the available power. In the MISO downlink three user selection and resource allocation algorithms for multiuser downlink systems are developed that are less complex than other approaches and incorporate fairness. In the first two algorithms proportional constraints among the users' data rates are imposed and in the third algorithm minimum data rate constraints are taken into account. The proposed algorithm that maximizes the sum of the users' data rates with proportional data rate constraints is also applied to DAS and subcarriers are grouped to chunks. Simulation results sustain their effectiveness in distributing the sum data rate fairly and flexibly among users and that in DAS higher sum of the users' data rates are obtained. Finally, in the MIMO downlink the problem is formulated in order to maximize the sum of the users' data rates subject to total available power constraint with controllable bandwidth introducing system parameter α. Since this optimization should be performed in real time, an efficient, suboptimal and complexity effective algorithm is proposed which shows reasonable loss with respect to the unconstrained case where the only target is the maximization of the sum data rate and impressive profit compared to static TDMA scheme. Apart from the theoretical analysis of the above algorithms, simulation code, which was created based on realistic assumptions and simplifications, gave us results which measure the sum of the users' data rates that provide each one of the aforementioned algorithms and examine the possible appropriateness for use in specific environments. The final concluding results are that MIMO-OFDMA systems are able to offer real broadband services over the wireless communication channel.

Opportunistic selection algorithms have grown in importance as next generation wireless systems strive towards higher data rates and spectral efficiencies. For example, in orthogonal frequency division multiple access(OFDMA), the system bandwidth is divided into many sub channels. For each sub channel, the user with the highest channel gain is opportunistically assigned to it. .Likewise, in a multi-source, multi-destination (MSD) cooperative relay system, a relay node must be assigned for every source-destination (SD) pair. The assignment decisions are based on local channel knowledge and must be fast so as to maximize the time available for data transmission. We develop novel multiple access based splitting-based selection algorithms for OFDMA and MSD systems. These systems are unique in that the same user and relay can be the most suitable one for multiple sub channels and multiple SD pairs, respectively. For OFDMA systems, we propose an algorithm called Split Select that assigns for every sub channel the user with the highest channel gain over it. For MSD systems, we propose a contention-based en masse assignment (CBEA) algorithm that assigns to each SD pair a relay that is capable of aiding it. Both Split Select and CBEA are fast and scale well with the number of nodes. For example, Split Select requires just 2.2 slots, on average, to assign a sub channel to its best user even when there are an asymptotically large number of contending users. Likewise, CBEA often takes far less than one slot, on average, to assign a relay to each SD pair.

Motivated by the increasing demand for higher data rates, coverage, and spectral efficiency, current and next generation wireless systems adapt transmission parameters and even who is being transmitted to, based on the instantaneous channel states. For example, frequency-domain scheduling(FDS) is an instance of adaptation in orthogonal frequency division multiple access(OFDMA) systems in which the base station opportunistically assigns different subcarriers to their most appropriate user. Likewise ,transmit antenna selection(AS) is another form of adaptation in which the transmitter adapts which subset of antennas it transmits with. Cognitive radio(CR), which is a next generation technology, itself is a form of adaptation in which secondary users(SUs) adapt their transmissions to avoid interfering with the licensed primary users(PUs), who own the spectrum. However, adaptation requires channel state information(CSI), which might not be available apriori at the node or nodes that are adapting. Further, the CSI might not be perfect due to noise or feedback delays. This can result in suboptimal adaptation in OFDMA systems or excessive interference at the PUs due to transmissions by the SUs in CR. In this thesis, we focus on adaptation techniques in current and next generation wireless systems and evaluate the impact of CSI –both perfect and imperfect –on it. We first develop a novel model and analysis for characterizing the performance of AS in frequency-selective OFDMA systems. Our model is unique and comprehensive in that it incorporates key LTE features such as imperfect channel estimation based on dense, narrow band demodulation reference signal and coarse, broad band sounding reference signal. It incorporates the frequency-domain scheduler, the hardware constraint that the same antenna must be used to transmit over all the subcarriers that are allocated to a user, and the scheduling constraint that the allocated subcarriers must all be contiguous. Our results show the effectiveness of combined AS and FDS in frequency-selective OFDMA systems even at lower sounding reference signal powers. We then investigate power adaptation in underlay CR, in which the SU can transmit even when the primary is on but under stringent interference constraints. The nature of the interference constraint fundamentally decides how the SU adapts its transmit power. To this end, assuming perfect CSI, we propose optimal transmit power adaptation policies that minimize the symbol error probability of an SU when they are subject to different interference and transmit power constraints. We then study the robustness of these optimal policies to imperfections in CSI. An interesting observation that comes out of our study is that imperfect CSI can not only increase the interference at the PU but can also decrease it, and this depends on the choice of the system parameters, interference, and transmit power constraints. The regimes in which these occur are characterized.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται τεχνικές για την βελτιστοποίηση της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών στους χρήστες σύγχρονων ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που ως τεχνολογίες πρόσβασης έχουν την πολλαπλή πρόσβαση ορθογωνικής διαίρεσης συχνότητας και την πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης κώδικα. Οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν αφορούν επαναληπτικούς αλγόριθμους κατανομής των διαθέσιμων ραδιοπόρων και εφαρμόζοναι κυρίως στην κατερχόμενη των ασύρματων συστημάτων. Ως παράμετροι της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών θεωρούνται: το ελάχιστο απαιτούμενο επίπεδο ρυθμού μετάδοσης των δεδομέων, ο ρυθμός των λανθασμέων bit, και η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα ραδιοπόρων σε κάθε χρήστη. Η αξιολόγηση των τεχνικών που προτείνονται γίνεται μέσω δεικτών της απόδοσής τους, οι οποίοι είναι: η πιθανότητα παραβίασης της ποιότητας της υπηρεσίας, ο δείκτης δικαιοσύνης του συστήματος, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων στα άκρα της κυψέλης και η χωρητικότητα της κυψέλης. Για την εξαγωγή των δεικτών αυτών είναι απαραίτητα στατιστικά δεδομένα, τα οποία συλλέγονται μέσα από μεγάλο αριθμό προσομοιώσεων. / This doctoral thesis proposes QoS optimization techniques in modern wireless telecommunication systems, whereby orthogonal frequency division multiple access and code division are used. The proposed techniques are iterative resource allocation algorithms which are mainly suitable for the downlink of wireless networks. The minimum required level of data rate, the bit error rate and the minimum number of resources per user are considered as quality of service parameters. The validation of the proposed techniques is done through the performance of performance metrics like the : the quality of service violation probability, the system fairness index, the cell-edge data rate and the cell capacity. Statistical data are required which are collected through extensive simulation