Grâce aux avancées technologiques dans le domaine des réseaux cellulaires et des équipements mobiles, le nombre d'applications multimédia à haut débit dans les réseaux mobiles ne cesse d'augmenter. On prévoit que le trafic de données dans les réseaux mobiles en 2017 sera 13 fois plus important que celui en 2012. Pour satisfaire aux besoins des équipements mobiles, de nouvelles approches pour la gestion des ressources radio et des puissances de transmission sont requises.Dans le cadre de cette thèse, on s'intéresse à proposer des solutions pour remédier aux problèmes des interférences intercellulaires dans les réseaux mobiles de dernière génération. Nous enquêtons d'une manière exhaustive les différentes techniques de coordination des interférences intercellulaires existantes. Ces techniques sont qualitativement comparées, puis classées selon le taux de coopération requis entre les différentes stations de base, mais aussi selon leurs principes de fonctionnement. Nous abordons également le problème multicellulaire d'allocation des ressources et des puissances de transmission d'une manière centralisée. Nous formulons ce problème d'optimisation centralisé, puis nous le décomposons en deux sous-problèmes indépendants : l'allocation de ressources et l'allocation des puissances de transmission. De plus, une approche distribuée basée sur la théorie des jeux est proposée pour l'allocation des puissances de transmission. Les techniques centralisées de minimisation des interférences intercellulaires offrent la solution optimale au prix d'une grande charge de signalisation. Par contre, les solutions décentralisées réduisent le trafic de signalisation sans garantir l'optimalité de la solution obtenue. Nous proposons ensuite une heuristique de contrôle de puissance qui modifie localement l'allocation des puissances de transmission de manière à éviter le gaspillage d'énergie et pour réduire les interférences ressenties par les utilisateurs des stations de base voisines. Nous proposons également une technique autonome qui gère la distribution des ressources radio entre les différentes zones de chaque cellule. Cette technique répond aux besoins des utilisateurs dans chaque zone en adaptant la distribution des ressources d'une manière dynamique. Nous abordons aussi le compromis entre les techniques de gestion d'interférences intercellulaires centralisées et décentralisées. Nous proposons une approche hybride où l'allocation des ressources radio et des puissances de transmission est faite d'une manière coopérative entre les différentes cellules. Dans un premier lieu, les cellules voisines collaborent afin d'ajuster les puissances de transmission allouées aux ressources radio. Ensuite, la distribution des ressources entre les différentes zones de chaque cellule est modifiée localement, selon les besoins des utilisateurs dans chaque zone. / The exponentially increasing demand for mobile broadband communications have led to the dense deployment of cellular networks with aggressive frequency reuse patterns. The future Fifth Generation (5G) networks are expected to overcome capacity and throughput challenges by adopting a multi-tier architecture where several low-power Base Stations (BSs) are deployed within the coverage area of the macro cell. However, Inter-Cell Interference (ICI) caused by the simultaneous usage of the same spectrum in different cells, creates severe problems. ICI reduces system throughput and network capacity, and has a negative impact on cell-edge User Equipment (UE) performance. Therefore, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) techniques are required to mitigate the impact of ICI on system performance. In this thesis, we address the resource and power allocation problem in multiuser Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) networks such as LTE/LTE-A networks and dense small cell networks. We start by overviewing the state-of-the-art schemes, and provide an exhaustive classification of the existing ICIC approaches. This qualitative classification is followed by a quantitative investigation of several interference mitigation techniques. Then, we formulate a centralized multi-cell joint resource and power allocation problem, and prove that this problem is separable into two independent convex optimization problems. The objective function of the formulated problem consists in maximizing system throughput while guaranteeing throughput fairness between UEs. ICI is taken into account, and resource and power allocation is managed accordingly in a centralized manner. Furthermore, we introduce a decentralized game-theoretical method to solve the power allocation problem without the need to exchange signaling messages between the different cells. We also propose a decentralized heuristic power control algorithm based on the received Channel Quality Indication (CQI) feedbacks. The intuition behind this algorithm is to avoid power wastage for UEs that are close to the serving cell, and reducing ICI for UEs in the neighboring cells. An autonomous ICIC scheme that aims at satisfying throughput demands in each cell zone is also introduced. The obtained results show that this technique improves UE throughput fairness, and it reduces the percentage of unsatisfied UEs without generating additional signaling messages. Lastly, we provide a hybrid ICIC scheme as a compromise between the centralized and the decentralized approaches. For a cluster of adjacent cells, resource and power allocation decisions are made in a collaborative manner. First, the transmission power is adjusted after receiving the necessary information from the neighboring cells. Second, resource allocation between cell zones is locally modified, according to throughput demands in each zone.

In this thesis, we focus on interference cancelling (IC) detectors for advanced communication systems. The contents of this thesis is divided into the following four parts: 1. Multiuser interference (MUI) cancellation in uplink orthogonal frequency division multiple access (OFDMA). 2. Inter-carrier interference (ICI) and inter-symbol interference (ISI) cancellation in space-frequency block coded OFDM (SFBC-OFDM). 3. Single-symbol decodability (SSD) of distributed space-time block codes (DSTBC) in partially-coherent cooperative networks with amplify-and-forward protocol at the relays 4. Interference cancellation in cooperative SFBC-OFDM networks with amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) protocols at the relays. In uplink OFDMA systems, MUI occurs due to different carrier frequency offsets of different users at the receiver. In the first part of the thesis, we present a weighted multistage linear parallel interference cancellation approach to mitigate the effect of this MUI in uplink OFDMA. We also present a minimum mean square error (MMSE) based approach to MUI cancellation in uplink OFDMA. We present a recursion to approach the MMSE solution and show structure-wise and performance-wise comparison with other detectors in the literature. Use of SFBC-OFDM signals is advantageous in high-mobility broadband wireless access, where the channel is highly time- as well as frequency-selective because of which the receiver experiences both ISI as well as ICI. In the second part of the thesis, we are concerned with the detection of SFBC-OFDM signals on time- and frequency-selective MIMO channels. Specifically, we propose and evaluate the performance of an interference cancelling receiver for SFBC-OFDM, which alleviates the effects of ISI and ICI in highly time- and frequency-selective channels The benefits of MIMO techniques can be made possible to user nodes having a single transmit antenna through cooperation among different nodes. In the third part of the thesis, we derive a new set of conditions for a distributed DSTBC to be SSD for a partially-coherent relay channel (PCRC), where the relays have only the phase information of the source-to-relay channels. We also establish several properties of SSD codes for PCRC. In the last part of the thesis, we consider cooperative SFBC-OFDM networks with AF and DF protocols at the relays. In cooperative SFBC-OFDM networks that employ DF protocol, i) ISI occurs at the destination due to violation of the `quasi-static' assumption because of the frequency selectivity of the relay-to-destination channels, and ii) ICI occurs due to imperfect carrier synchronization between the relay nodes and the destination, both of which result in error-floors in the bit error performance at the destination. We propose an interference cancellation algorithm for this system at the destination node, and show that the proposed algorithm effectively mitigates the ISI and ICI effects.

Les systèmes cellulaires modiles WiMAX ont pour objectif de fournir des services multimédias à haut débit à n'importe quel moment, n'importe quel endroit avec un prix abordable. La combinaison d'orthogonale accès multiples (OFDMA) et le relais en Wimax donnent plusieurs opportunités pour des réseaux moins coûteux et plus performances. La norme Wimax 802.16j élargit non seulement la couverture de la cellule, mais aussi augmente le débit moyen des utilisateurs. Plusieurs recherches de cette norme ont été publiées afin d'optimiser la performance du réseau. Cependant, lorsque nous étudions les architectures existantes du Wimax 802.16j standard et leur rendement, nous nous sommes aperçus que le débit du système pourrait être encore amélioré à l'aide de la réutilisation de fréquence. Dans la première partie de ce travail de recherche, nous avons examiné l'architecture existante de la norme 802.16j. Le débit total du système est légèrement plus élevé dans ces architectures que dans la norme sans relais. Afin d'améliorer le rendement du système de cette norme, nous avons proposé une nouvelle architecture de cette norme avec réutilisation de fréquence et de la technique de sectorisation. Le débit total augmente fortement dans notre approche comparant aux études existantes. Dans la deuxième partie, nous avons étudié l'impact de l'interférence dans notre modèle de relais. Les résultats de simulation montrent que les SINR de station mobile augmentent très légèrement. Cet impact d'interférence est assez faible et pourrait être négligeable. Nous concluons que notre proposition fournit toujours une meilleure performance. Dans la troisième partie, nous avons proposé une nouvelle approche d'allocation de ressources en liaison descendante afin de garantir les mêmes qualités de service pour les utilisateurs en maintenant un haut débit total. Les résultats de simulation montrent qu'il existe un compromis entre l'équité de la qualité de service et le débit total du système.

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.

Long Term Evolution (LTE) known in the market as 4G LTE, it is an evolution of the GSM/UMTS standard. The overall aim of LTE was to provide a new radio access technology focusing on packet-switched data only. LTE has provided a new peak download rates, low data transfer latencies, and improved the support for mobility. 3Th Generation Partnership Project (3GPP) specialized that LTE released 10 and beyond known as LTE-advanced it is the second evolution of LTE. It has some services such as Coordinated Multipoint Transmission and Reception (CoMP), evolved Multimedia Broadcast and Multicast Service (eMBMS) with Multicast-Broadcast Single-Frequency Network (MBSFN). The development still continuous on LTE-advanced, it is intended to meet the requirement of advanced application that will become common in the wireless marketplace in future. The goals of this project is to simulate one of LTE-A services on LTE standard such as CoMP or/and eMBMS with MBSFN using OPENT LTE, and measure some statistic such as spectral efficiency and also some other statistics, describe centralization vs. decentralization in LTE, and synchronization in the base station in LTE. OPNET LTE support eMBMS with MBSFN, and don’t support CoMP, the simulation has been done by using eMBMS with MBSFN. Finally the objectives of the project has achieved, the result show that when eMBMS with MBSFN is implemented the throughput increased in the downlink to about 5.52 Mbps and in the uplink to about 5.18 Mbps, and also the system spectral efficiency increased in eNB1 from about 10.25 (bits/s/Hz/cell) to about 13.75 (bits/s/Hz/cell) and in eNB2 from about 10.25 (bits/s/Hz/cell) to about 17.25 (bits/s/Hz/cell). The project also answers if it is possible to have centralization in LTE, describe synchronization in the base station in LTE, and if OPNET is useful for big research.

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

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.