La technologie OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access) a été adoptée par les systèmes de télécommunications de 4ème génération (4G) comme technique de transmission et d'accès multiple pour ses performances supérieures en termes d'efficacité spectrale. Dans ce type de systèmes, l'adaptation dynamique du débit en fonction de la qualité du canal CQI (Channel Quality Indicator) constitue une problématique de recherche d'actualité qui attire l'attention de plusieurs acteurs académiques et industriels. Ce problème d'adaptation dynamique est encore plus complexe à gérer dans des environnements multi-utilisateurs hétérogènes et à ressources limitées tels que les systèmes OFDMA comme WiMAX Mobile et Long-term Evolution (LTE). Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème d'allocation de ressources de l'information de feedback relative au CQI dans le cadre de systèmes OFDMA multi-porteuses multi-utilisateurs. Dans le but de réduire la charge (overhead) du feedback, nous proposons une méthode de prédiction du CQI basée sur l'exploitation de la corrélation temporelle de ce dernier et d'une solution inter-couches. L'objectif est de trouver des schémas d'allocation de ressources adaptatifs respectant les contraintes de qualité de service (QoS) applicatives.Nous proposons en premier lieu un algorithme de réduction de feedback PBF (Prediction Based Feedack) qui permet à la station de base (BS) à prédire certaines occurrences du CQI en se basant sur l'algorithme des moindres carrés récursif RLS (Recursive least-square). Les résultats de simulation montrent que l'outil de prédiction du CQI réduit sensiblement l'overhead du feedback et améliore par conséquent le débit de la liaison montante. Nous proposons, par la suite, une version opportuniste de PBF pour atténuer les éventuels effets de sur et sous estimations liées à l'algorithme de prédiction. Dans ce mécanisme, nous exploitons les informations inter-couches pour améliorer les performances des mécanismes de feedbacks périodiques dont PBF fait partie. L'approche opportuniste améliore sensiblement les performances du système pour les cas de mobilité élevée comparés aux cas de faible mobilité.Dans un second temps, nous proposons une plateforme (FEREP : feedback resource allocation and prediction) basée sur une approche inter-couches. Implémentée au niveau de la station BS, FEREP intègre les fonctionnalités de prédiction, d'adaptation dynamique du CQI et d'ordonnancement des demandes de feedback. Elle comporte trois modules. Le module FWA (feedback window adaptation) gère dynamiquement la fenêtre de feedbacks de chaque station mobile (MS) en se basant sur les messages ARQ (Automatic Repeat Request) reçus qui reflètent l'état actuel des canaux respectifs. Le module PBFS (priority-based feedback scheduling) effectue ensuite l'ordonnancement des feedbacks en tenant compte de la taille de la fenêtre de feedback, du profil de l'utilisateur sous la contrainte de la limitation des ressources globales du systèmes réservées au feedback. Afin de choisir les paramètres de transmission MCS (modulation and coding schemes), le module PBF (prediction based feedback) est utilisé pour les utilisateurs dont le feedabck n'a pas pu être ordonnancé dans la trame courante. Les résultats de simulation ont montré un gain significatif des performances de FREREP en comparaison à un mécanisme de référence, en particulier, sous de fortes contraintes de limitation des ressources du feedback.Le protocole ARQ génère un accusé de réception uniquement si l'utilisateur est sélectionné par l'ordonnanceur pour envoyer des données sur la liaison descendante. Dans le cas où la fréquence d'ordonnancement des utilisateurs sur le lien descendant est réduite, les messages ARQ s'en trouvent également réduits, dégradant par conséquent les performances de la plateforme FEREP proposée ci-dessus. En effet, dans ce cas la signalisation ARQ devient insuffisante pour adapter efficacement la fenêtre de feedback de chaque utilisateur. Pour pallier à ce problème, nous proposons l'algorithme DCRA (dynamic CQI resource allocation) qui utilise deux modes d'estimation de la fenêtre de feedback. Le premier est un mode hors-ligne basé sur des études empiriques permettant d'estimer la fenêtre moyenne optimale de feedback en utilisant les profils applicatif et de mobilité de l'utilisateur. Notre analyse de performance par simulation montre que la fenêtre de feedback peut être estimée en fonction de la classe de service des utilisateurs et de leurs profils de mobilité pour un environnement cellulaire donné. Le second mode de fonctionnement de DCRA effectue une adaptation dynamique de la fenêtre en temps réel dans le cas où la signalisation ARQ est suffisante. Une étude comparative avec les mécanismes DFS (deterministic feedback scheduling) et OFS (opportunistic feedback scheduling), a montré que DCRA arrive à réaliser un meilleur gain en ressources montantes grâce à la réduction de l'overhead des feedbacks, sans pour autant trop dégrader le débit descendant des utilisateurs. Du point de vue des utilisateurs, DCRA améliore les contraintes de QoS tels que le taux de perte de paquets et réduit la consommation énergétique des terminaux grâce à la réduction de feedback.

The work reported in this thesis is divided in to two parts. In the first part, we report a closed-form bit error rate (BER) performance analysis of orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) on the uplink in the presence of carrier frequency offsets (CFOs) and/or timing offsets (TOs) of other users with respect to a desired user. We derive BER expressions using probability density function (pdf) and characteristic function approaches, for a Rician faded multi-cluster multi-path channel model that is typical of indoor ultrawideband channels and underwater acoustic channels. Numerical and simulation results show that the BER expressions derived accurately quantify the performance degradation due to non-zero CFOs and TOs. Ultrawideband channels in indoor/industrial environment and underwater acoustic channels are severely delay-spread channels, where the number of multipath components can be of the order of tens to hundreds. In the second part of the thesis, we report low complexity equalization algorithms for cyclic-prefixed single carrier (CPSC)systems that operate on such inter-symbol interference(ISI) channels characterized by large delay spreads. Both single-input single-output and multiple-input multiple-output(MIMO) systems are considered. For these systems, we propose a low complexity graph based equalization carried out in frequency domain. Because of the noise whitening effect that happens for large frame sizes and delay spreads in the frequency domain processing, improved performance compared to time domain processing is shown to be achieved. Since the graph based equalizer is a soft-input soft-output equalizer, iterative techniques(turbo-equalization) between detection and decoding are shown to yield good coded BER performance at low complexities in convolutional and LDPC coded systems. We also study joint decoding of LDPC code and equalization of MIMO-ISI channels using a joint factor graph.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η εκμετάλλευση της διαφορετικότητας πολλών χρηστών και της προσαρμοστικής διαμόρφωσης στα OFDMA συστήματα. Οι αλγόριθμοι που εκμεταλλεύονται αυτά τα κέρδη δεν προσδιορίζονται από το πρότυπο WiMAX, και έτσι όλοι οι κατασκευαστές WiMAX να είναι ελεύθεροι να αναπτύξουν τις δικές τους καινοτόμες διαδικασίες. Η ιδέα είναι η ανάπτυξη αλγορίθμων για την κατανομή των υποφορέων στους χρήστες, για τον προσδιορισμό των ποσοτήτων ισχύος σε αυτούς. Η μελέτη εστιάζεται στην κάτω ζεύξη (downlink) του συστήματος OFDMA, δηλαδή στη μετάδοση δεδομένων από το σταθμό βάσης της κυψέλης στους χρήστες – δέκτες. Οι διαθέσιμοι πόροι του συστήματος είναι οι ορθογώνιοι υποφορείς και η συνολική διαθέσιμη ισχύς στο σταθμό βάσης. Οι χρήστες κάνουν εκτίμηση και ανατροφοδότηση της πληροφορίας κατάστασης του καναλιού (CSI-channel state information) σε έναν κεντρικό σταθμό βάσης, όπου υποφορείς και κατανομή ισχύος προσδιορίζονται σύμφωνα με CSI των χρηστών και τη διαδικασία κατανομής των διαθέσιμων πόρων. Μόλις οι υποφορείς για κάθε χρήστη καθοριστούν, ο σταθμός βάσης πρέπει να ενημερώνει τον κάθε χρήστη για το ποιοι υποφορείς έχουν ανατεθεί στον καθένα. Συνήθως, η κατανομή των πόρων πρέπει να γίνεται σε χρονικά διαστήματα της τάξης του χρόνου συνοχής, αν και μπορεί να γίνει πιο συχνά, αν υπάρχουν πολλοί χρήστες που ανταγωνίζονται για τους πόρους που είναι διαθέσιμοι. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζονται διαφορετικά σενάρια κατανομής των πόρων που περιλαμβάνουν αλγορίθμους για την ανάθεση των υποφορέων και το διαμοιρασμό των κατάλληλων ποσοτήτων ισχύος στους υποφορείς. Ανάλογα με το στόχο και τις ανάγκες των χρηστών του συστήματος, καθώς και με το ποσό της διαθέσιμης πληροφορίας καναλιού στο σταθμό βάσης, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί αλγόριθμοι. Η κατανομή των διαθέσιμων πόρων συνήθως διατυπώνεται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης με περιορισμούς, είτε (1) ελαχιστοποίηση της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς με περιορισμό στο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στο χρήστη είτε (2) μεγιστοποίηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων με περιορισμό στην συνολική εκπεμπόμενη ισχύ. Ο αλγόριθμος με περιορισμό αναλογίας των ρυθμών μετάδοσης (Proportional Rate Constraints algorithm - PRC) έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της συνολικής διεκπεραίωσης με τον περιορισμό ότι ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων σε κάθε χρήστη είναι ανάλογος με ένα σύνολο από προκαθορισμένες παραμέτρους του συστήματος. Ενώ ο στόχος του αλγόριθμου μέγιστου ολικού ρυθμού μετάδοσης (MSR- maximum sum rate algorithm), είναι η μεγιστοποίηση του συνόλου των ρυθμών μετάδοσης όλων των χρηστών, λαμβάνοντας υπόψη έναν περιορισμό της συνολικής εκπεμπόμενης ισχύoς. / In this diploma thesis, multiuser diversity and adaptive modulation in OFDMA systems is considered. Algorithms that take advantage of these gains are not specified by the WiMAX standard, and all WiMAX developer are free to develop their own innovative procedures. The idea is to develop algorithms for determining which users to schedule, how to allocate subcarriers to them, and how to determine the appropriate power levels for each user on each subcarrier. The downlink of a single-cell system is considered in the downlink transmission. The available resources to be distributed among the users of the OFDMA system comprise the subcarriers over which the signals of the users are transmitted and the available power that is allocated among subcarriers. Users estimate and feedback the channel state information (CSI) to a centralized base station, where subcarrier and power allocation are determined according to users’ CSI and the resource-allocation procedure. Once the subcarriers for each user have been determined, the base station must inform each user which subcarriers have been allocated to it. Typically, the resource allocation must be performed on the order of the channel coherence time, although it may be performed more frequently if a lot of users are competing for resources. In this diploma thesis, different resource allocation strategies for the downlink of an OFDMA system are compared. Each algorithm has a different objective. The resource allocation is usually formulated as a constrained optimization problem, to either (1) minimize the total transmit power with a constraint on the user data rate or (2) maximize the total data rate with a constraint on total transmit power. The proportional rate constraints (PRC) algorithm is to maximize the sum throughput, with the additional constraint that each user’s data rate is proportional to a set of predetermined system parameters. While the objective of the maximum sum rate (MSR) algorithm, is to maximize the sum rate of all users, given a total transmit power constraint.

Ο αριθμός των συνδρομητών κινητής τηλεφωνίας έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Σε μεγάλο βαθμό οι φωνητικές υπηρεσίες εξυπηρετούνται από κινητά δίκτυα, ενώ παράλληλα αυξήθηκε σε μεγάλο βαθμό η χρήση των δεδομένων στα δίκτυα εκείνα που εφαρμόστηκε το 3GPP High Speed Packet Access (HSPA), αποδεικνύοντας ότι οι χρήστες επιδοκιμάζουν τη χρήση δεδομένων που παρέχονται ασύρματα με ευρυζωνικές ταχύτητες. Ο μέσος αριθμός χρήσης δεδομένων ξεπερνά τα εκατοντάδες megabytes ανά χρήστη κάθε μήνα. Τα ασύρματα δίκτυα πρέπει να αυξήσουν τις ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων έτσι ώστε να πλησιάσουν εκείνες της ενσύρματης επικοινωνίας. Οι χρήστες είναι συνηθισμένοι να χρησιμοποιούν ενσύρματα δίκτυα και έτσι περιμένουν από τα ασύρματα δίκτυα να προσφέρουν συγκρίσιμες αποδόσεις με χαμηλό κόστος μετάδοσης δεδομένων. Το 3GPP Long Term Evolution (LTE) είναι σχεδιασμένο να επιτύχει αυτούς τους στόχους. Η τεχνολογία LTE προσφέρει κλιμακωτό εύρος ζώνης (απο 1.25 έως 20 MHz) με ρυθμούς μετάδοσης στα 100 Mbps για τον κατερχόμενο σύνδεσμο και στα 50 Mbps για τον ανερχόμενο. Αυτές οι πτυχές συνοδευόμενες από την τεχνολογία πρόσβασης που χρησιμοποιείται, η οποία είναι η OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), βελτιώνουν τη ρυθμαπόδοση του χρήστη και τη χωρητικότητα, ενώ μειώνουν τις καθυστερήσεις προσφέροντας παράλληλα βελτιωμένες συνθήκες κατά την κινητικότητα του χρήστη. Η OFDM προσφέρει επίσης μεγαλύτερη ανέχεια σε φαινόμενα όπως η εξασθένιση και το multipath σε σύγκριση με τεχνολογίες που εφαρμόζονταν σε προηγούμενα δίκτυα. Επίσης, είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι το LTE χρησιμοποιεί τη μεταγωγή πακέτων και χρησιμοποιεί την τεχνολογία πολλαπλών κεραιών καθώς επίσης πολυπλεξία στο επίπεδο του χρόνου και της συχνότητας. Τέλος, υποστηρίζει unicast και multicast μετάδοση, τόσο σε microcell (κελιά μικρότερου εύρους) όσο και macrocell (μεγαλύτερα κελιά) περιβάλλον. Το αντικείμενο που μελετάται σε αυτή τη διπλωματική είναι το πρόβλημα του περιορισμού των παρεμβολών οι οποίες επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση των LTE συστημάτων. Ιδιαίερη μελέτη γίνεται όσο αφορά στην Inter Cell παρεμβολή και στις Inter Cell Interference Coordination τεχνικές. Συγκεκριμένα, η έρευνα εστιάζει στη βελτίωση της απόδοσης των χρηστών μειώνοντας την παρεμβολή μέσω διαφόρων σχημάτων επαναχρησιμοποίησης συχνότητας. / The number of mobile subscribers has increased tremendously in recent years. Voice communication has become mobile in a massive way and the mobile is the preferred way for voice communication. At the same time the data usage has grown fast in those networks where 3GPP High Speed Packet Access (HSPA) was introduced indicating that the users find value in broadband wireless data. The average data consumption exceeds hundreds of Megabytes per subscriber per month. Wireless networks must make data rates higher in order to match the user experience provided by wireline networks. When customers are used to wireline performance, they expect the wireless network to offer comparable performance with low cost of data delivery. 3GPP Long Term Evolution (LTE) is designed to meet those targets. LTE technology offers scalable bandwidth (from 1.25 up to 20 MHz), with transmission rates of 100 Mbps in downlink and 50 Mbps in uplink. These aspects accompanied with the access technology used, which is the OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), improves end-user throughputs, sector capacity and reduces user plane latency, bringing significantly improved user experience with full mobility. OFDM also offers bigger tolerance in phenomena such as multipath and fading compared to technologies used in previous mobile networks. It is also important to be mentioned that LTE is fully packet switched and uses multiple antenna techniques along with FDD and TDD duplexing. Finally, it supports unicast and multicast transmission, in both microcell and macrocell environment. The subject studied in this thesis is the problem of mitigating Interferences which dramatically affects the performance of LTE system. Extensive study is done concerning Inter Cell Interference and Inter Cell Interference Coordination techniques. In particular, research focuses in enhancing users’ performance by reducing interference via varius schemes of frequency reuse.

In our thesis work, we analyze the performance analysis of a power domain NonOrthogonal Multiple Access (NOMA) system in which the closer user acts as fullduplex relaying to forward the signal to farther user. Because Nakagami-m distribution is a generalized case including the two common fading distributions as specialcases: Rayleigh distribution (m=1), Rician distribution (m>1). We assume that thesystem experiences Nakagami-m fading. Then, we have to analyze outage probabilityof NOMA system. Numerical results are provided for outage probability to show theeffect of system parameters on the performance of the NOMA system in full duplexrelaying over Nakagami-m fading.

La technologie OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access) a été adoptée par les systèmes de télécommunications de 4ème génération (4G) comme technique de transmission et d'accès multiple pour ses performances supérieures en termes d'efficacité spectrale. Dans ce type de systèmes, l'adaptation dynamique du débit en fonction de la qualité du canal CQI (Channel Quality Indicator) constitue une problématique de recherche d'actualité qui attire l'attention de plusieurs acteurs académiques et industriels. Ce problème d'adaptation dynamique est encore plus complexe à gérer dans des environnements multi-utilisateurs hétérogènes et à ressources limitées tels que les systèmes OFDMA comme WiMAX Mobile et Long-term Evolution (LTE). Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème d'allocation de ressources de l'information de feedback relative au CQI dans le cadre de systèmes OFDMA multi-porteuses multi-utilisateurs. Dans le but de réduire la charge (overhead) du feedback, nous proposons une méthode de prédiction du CQI basée sur l'exploitation de la corrélation temporelle de ce dernier et d'une solution inter-couches. L'objectif est de trouver des schémas d'allocation de ressources adaptatifs respectant les contraintes de qualité de service (QoS) applicatives.Nous proposons en premier lieu un algorithme de réduction de feedback PBF (Prediction Based Feedack) qui permet à la station de base (BS) à prédire certaines occurrences du CQI en se basant sur l'algorithme des moindres carrés récursif RLS (Recursive least-square). Les résultats de simulation montrent que l'outil de prédiction du CQI réduit sensiblement l'overhead du feedback et améliore par conséquent le débit de la liaison montante. Nous proposons, par la suite, une version opportuniste de PBF pour atténuer les éventuels effets de sur et sous estimations liées à l'algorithme de prédiction. Dans ce mécanisme, nous exploitons les informations inter-couches pour améliorer les performances des mécanismes de feedbacks périodiques dont PBF fait partie. L'approche opportuniste améliore sensiblement les performances du système pour les cas de mobilité élevée comparés aux cas de faible mobilité.Dans un second temps, nous proposons une plateforme (FEREP : feedback resource allocation and prediction) basée sur une approche inter-couches. Implémentée au niveau de la station BS, FEREP intègre les fonctionnalités de prédiction, d'adaptation dynamique du CQI et d'ordonnancement des demandes de feedback. Elle comporte trois modules. Le module FWA (feedback window adaptation) gère dynamiquement la fenêtre de feedbacks de chaque station mobile (MS) en se basant sur les messages ARQ (Automatic Repeat Request) reçus qui reflètent l'état actuel des canaux respectifs. Le module PBFS (priority-based feedback scheduling) effectue ensuite l'ordonnancement des feedbacks en tenant compte de la taille de la fenêtre de feedback, du profil de l'utilisateur sous la contrainte de la limitation des ressources globales du systèmes réservées au feedback. Afin de choisir les paramètres de transmission MCS (modulation and coding schemes), le module PBF (prediction based feedback) est utilisé pour les utilisateurs dont le feedabck n'a pas pu être ordonnancé dans la trame courante. Les résultats de simulation ont montré un gain significatif des performances de FREREP en comparaison à un mécanisme de référence, en particulier, sous de fortes contraintes de limitation des ressources du feedback.Le protocole ARQ génère un accusé de réception uniquement si l'utilisateur est sélectionné par l'ordonnanceur pour envoyer des données sur la liaison descendante. Dans le cas où la fréquence d'ordonnancement des utilisateurs sur le lien descendant est réduite, les messages ARQ s'en trouvent également réduits, dégradant par conséquent les performances de la plateforme FEREP proposée ci-dessus. En effet, dans ce cas la signalisation ARQ devient insuffisante pour adapter efficacement la fenêtre de feedback de chaque utilisateur. Pour pallier à ce problème, nous proposons l'algorithme DCRA (dynamic CQI resource allocation) qui utilise deux modes d'estimation de la fenêtre de feedback. Le premier est un mode hors-ligne basé sur des études empiriques permettant d'estimer la fenêtre moyenne optimale de feedback en utilisant les profils applicatif et de mobilité de l'utilisateur. Notre analyse de performance par simulation montre que la fenêtre de feedback peut être estimée en fonction de la classe de service des utilisateurs et de leurs profils de mobilité pour un environnement cellulaire donné. Le second mode de fonctionnement de DCRA effectue une adaptation dynamique de la fenêtre en temps réel dans le cas où la signalisation ARQ est suffisante. Une étude comparative avec les mécanismes DFS (deterministic feedback scheduling) et OFS (opportunistic feedback scheduling), a montré que DCRA arrive à réaliser un meilleur gain en ressources montantes grâce à la réduction de l'overhead des feedbacks, sans pour autant trop dégrader le débit descendant des utilisateurs. Du point de vue des utilisateurs, DCRA améliore les contraintes de QoS tels que le taux de perte de paquets et réduit la consommation énergétique des terminaux grâce à la réduction de feedback. / Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) technology has been adopted by 4th generation (a.k.a. 4G) telecommunication systems to achieve high system spectral efficiency. A crucial research issue is how to design adaptive channel quality indicator (CQI) feedback mechanisms so that the base station can use adaptive modulation and coding (AMC) techniques to adjust its data rate based on the channel condition. This problem is even more challenging in resource-limited and heterogeneous multiuser environments such as Mobile WiMAX, Long-term Evolution (LTE) networks. In this thesis, we consider CQI feedback resource allocation issue for multiuser multicarrier OFDMA systems. We exploit time-domain correlation for CQI prediction and cross-layer information to reduce feedback overhead for OFDMA systems. Our aim is find resource allocation schemes respecting the users QoS constraints.Our study begins with proposing prediction based feedback (PBF) which allows the base station to predict the CQI feedbacks based on recursive least-square (RLS) algorithm. We showed that it is useful to use channel prediction as a tool to reduce the feedback overhead and improve the uplink throughput. Then, we propose an opportunistic periodic feedback mechanism to mitigate the possible under and over estimation effects of CQI prediction. In this mechanism, we exploited the cross-layer information to enhance the performance of periodic feedback mechanisms. The opportunistic mechanism improves the system performance for high mobility cases compared to low mobility cases.For OFDMA systems with limited feedback resource, we propose an integrated cross-layer framework of feedback resource allocation and prediction (FEREP). The proposed framework, implemented at the BS side, is composed of three modules. The feedback window adaptation (FWA) module dynamically tunes the feedback window size for each mobile station based on the received ARQ (Automatic Repeat Request) messages that reflect the current channel condition. The priority-based feedback scheduling (PBFS) module then performs feedback allocation by taking into account the feedback window size, the user profile and the total system feedback budget. To choose adapted modulation and coding schemes (MCS), the prediction based feedback (PBF) module performs channel prediction by using recursive least square (RLS) algorithm for the user whose channel feedback has not been granted for schedule in current frame. Through extensive simulations, the proposed framework shows significant performance gain especially under stringent feedback budget constraint.ARQ protocol receives users acknowledgement only if the user is scheduled in the downlink. The reduction in users scheduling frequency also reduces the rate of ARQ hints and degrades the performance of above contributions. In this case, it is difficult to exploit the ARQ signal to adapt the feedback window for that user. To address this issue, we propose a cross-layer dynamic CQI resource allocation (DCRA) algorithm for multiuser multicarrier OFDMA systems. DCRA uses two modes for feedback window estimation. The first one is an off-line mode based on empirical studies to derive optimal average feedback window based on user application and mobility profile. Our experimental analysis shows that the feedback window can be averaged according to users service class and their mobility profile for a given cell environment. DCRA performs a realtime dynamic window adaptation if sufficient cross-layer hints are available from ARQ signaling. DCRA increases uplink resource by reducing feedback overhead without degrading downlink throughout significantly compared to deterministic feedback scheduling (DFS) and opportunistic feedback scheduling (OFS). From the users perspective, DCRA improves QoS constraints like packet loss rate and saves users power due to feedback reduction.

Selected mapping (SLM) schemes are commonly employed to reduce the peak-to-average power ratio (PAPR) in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. It has been shown that the computational complexity of the traditional SLM scheme can be substantially reduced by adopting conversion vectors obtained by using the inverse fast Fourier transform (IFFT) of the phase rotation vectors in place of the conventional IFFT operations. To ensure that the elements of these phase rotation vectors have an equal magnitude, conversion vectors should have the form of a perfect sequence. This study firstly presents three novel classes of perfect sequence, each of which comprises certain base vectors and their cyclically shifted versions. Three novel low-complexity SLM schemes are then proposed based upon the unique structures of these perfect sequences. It is shown that while the PAPR reduction performances of the proposed schemes are marginally poorer than that of the traditional SLM scheme, the three schemes achieve a substantially lower computational complexity. Since the three proposed PAPR reduction schemes cannot be utilized in the orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) system. A low-complexity scheme for PAPR reduction in OFDMA uplink systems using either an interleaved or a sub-band sub-carrier assignment strategy is also proposed in the second part of this study. The proposed scheme requires just one IFFT operation. The PAPR reduction performance of the proposed scheme is only marginally poorer than that of the traditional SLM scheme. However, the proposed schemes have significantly lower computational complexities. Besides, multiple-input multiple-output (MIMO) OFDM systems with space-frequency block coding (SFBC) are well-known for their robust performance in time selective fading channels. However, SFBC MIMO-OFDM systems have a high computational complexity since the number of IFFTs required scales in direct proportion to the number of antennas at the transmitter. Furthermore, SFBC MIMO-OFDM systems have a high PAPR. Accordingly, a low-complexity PAPR reduction scheme for SFBC MIMO OFDM systems with the Alamouti encoding scheme is proposed in this study. Extending this scheme obtains two low-complexity transmitter architectures for SFBC MIMO-OFDM systems with a general encoding matrix and an arbitrary number of transmitter antennas. The proposed schemes achieve a significant reduction in computational complexity by fully exploiting the time-domain signal properties of the transmitted signal. In addition, a PAPR reduction scheme is presented based on the proposed transmitter schemes. It is shown that the PAPR reduction performance of the proposed scheme is almost as good as that of the traditional SLM scheme, but is achieved with a substantially lower computational complexity.

The cognitive radio-based wireless networks have been proposed as a promising technology to improve the utilization of the radio spectrum through opportunistic spectrum access. In this context, the cognitive radios opportunistically access the spectrum which is licensed to primary users when the primary user transmission is detected to be absent. For opportunistic spectrum access, the cognitive radios should sense the radio environment and allocate the spectrum and power based on the sensing results. To this end, in this thesis, I develop a novel cooperative spectrum sensing scheme for cognitive radio networks (CRNs) based on machine learning techniques which are used for pattern classification. In this regard, unsupervised and supervised learning-based classification techniques are implemented for cooperative spectrum sensing. Secondly, I propose a novel joint channel and power allocation scheme for downlink transmission in cellular CRNs. I formulate the downlink resource allocation problem as a generalized spectral-footprint minimization problem. The channel assignment problem for secondary users is solved by applying a modified Hungarian algorithm while the power allocation subproblem is solved by using Lagrangian technique. Specifically, I propose a low-complexity modified Hungarian algorithm for subchannel allocation which exploits the local information in the cost matrix. Finally, I propose a novel dynamic common control channel-based medium access control (MAC) protocol for CRNs. Specifically, unlike the traditional dedicated control channel-based MAC protocols, the proposed MAC protocol eliminates the requirement of a dedicated channel for control information exchange. / October 2015

Ο στόχος της διπλωματικής αυτής είναι η περιγραφή της αναδυόμενης τεχνολογίας PLC (PowerLine Communication). Η τεχνολογία αυτή με τη χρήση του πανταχού παρόντος ηλεκτρικού δικτύου προσφέρει ακόμα και σε απομακρυσμένους χρήστες πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών και πρόσβαση στο διαδίκτυο, αποτελώντας μια ανταγωνιστική επιλογή τρόπου επικοινωνίας. Για την κατανόηση της PLC τεχνολογίας αρχικά κρίνουμε απαραίτητη την λεπτομερή περιγραφή της δομής του ηλεκτρικού δικτύου, του εξοπλισμού που απαιτείται για την εφαρμογή της και των αρχιτεκτονικών της. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στα προβλήματα που παρουσιάζονται και χρήζουν αντιμετώπισης. Επιπρόσθετα, γίνεται σύντομη παρουσίαση των εναλλακτικών υπηρεσιών και σύγκριση των PLC με αυτές. Η μετάδοση μέσω ηλεκτροφόρων καλωδίων προσφέρει ένα μεγάλο εύρος ζώνης, παρέχοντας μία γκάμα πολυάριθμων υπηρεσιών, όπως το έξυπνο σπίτι ή το AMR (Automatic Meter Reading) για τη διευκόλυνση τόσο των οικιακών χρηστών όσο και των επιχειρησιακών. Η χρήση των γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας ως τηλεπικοινωνιακό κανάλι απαιτεί την εφαρμογή των κατάλληλων τεχνικών πρόσβασης. Οι πιο διαδεδομένες τεχνικές είναι οι FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) και CDMA (Code Division Multiple Access) . Η παρούσα διπλωματική επικεντρώθηκε στην TDMA και την FDMA με διαμόρφωση σήματος OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) η οποία ονομάζεται OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Πραγματοποιήθηκαν εξομοιώσεις σε Matlab διάφορων αλγορίθμων αναλογικής δικαιοσύνης με τεχνική OFDMA και ταυτόχρονη εξομοίωση της TDMA. Στόχος είναι να συγκρίνουμε τους αλγόριθμους αυτούς ως προς το συνολικό ρυθμό μετάδοσης και τη δικαιοσύνη κατανομής των πόρων στους χρήστες. Από τη σύγκριση αυτή προκύπτει ότι η τεχνική TDMA αποδίδει λιγότερο, ενώ από τους υπόλοιπους αλγόριθμους τα καλύτερα αποτελέσματα επιφέρει ο αλγόριθμος των Bill et al., με ισορροπία του συνολικού ρυθμού μετάδοσης και της επιθυμητής δικαιοσύνης. / Main goal of this diploma thesis is the description of the up and coming PLC (PowerLine Communication) technology. This technology offers access to the web and to several broadband services to even distant and isolated users, by exploiting the power line grid, widely spread to nearly all surface land sites, consisting this way a competitive communication alternative. For a better comprehension of the PLC technology, this work starts with a detailed description of the power line grid, the several PLC technology architectures and the necessary equipment for their application. Following this work, there is a reference to any possible problems that need to be overcome and a short comparative presentation of the PLC technology versus other alternatives to it. The data transmission over electricity lines offers a wide bandwidth and thus it may support a variety of applications, as the smart home and AMR (Automatic Meter Reading) for the proper service of either domestic or industrial users. The use of electricity power lines as a communication channel necessitates the application of multiple access Strategies as FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) and CDMA (Code Division Multiple Access), which are currently the most popular. This thesis is focused on TDMA and FDMA with OFDM signal modulation. This technique is called OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Several proportional rate constraints algorithms were simulated in Matlab applying both OFDMA and TDMA strategies in order to compare these algorithms in terms of the maximized total throughput and the fair allocation of resources to the end users (fairness). From this comparison it comes up that TDMA technique is less efficient, whereas from the other algorithms the most efficient is the one of Bill et al., that offers a good balance between total throughput and fairness.

Digital communication systems which use Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) are now widely used and have many advantages. The main disadvantage is the requirement for highly linear analogue electronics including the high power amplifier (HPA). This requirement cannot be met in all circumstances because of the occurrence of symbols with high peak to average power ratio (PAPR). Such symbols may be non-linearly distorted by limiting. Approaches to solve this problem have been either to reduce the PAPR at the transmitter or to try to mitigate the effect of the non-linearity at the receiver. Soft-limiting, i.e. applying limiting in software prior to the HPA is a simple way to reduce the PAPR. It produces non-linear distortion which will cause an increase in the bit-error-rate (BER) at the receiver. This thesis surveys existing alternatives ways of reducing the effect of non-linearity and proposes some new ones. Two iterative receiver techniques, based on statistical analysis of the nature of the non-linearity, have been implemented and investigated. These are the ‘Bussgang Noise Cancellation’ (BNC) technique and the ‘Decision Aided Reconstruction’ (DAR) techniques. As these techniques are valid for any memory-less nonlinearity, an alternative form of limiting, named as Inverted-Wraparound (IWRAP) has been included in the BNC investigation. A new method is proposed which is capable of correcting the received time-domain samples that are clipped, once they have been identified. This is named the ‘Equation-Method’ and it works by identifying constellation symbols that are likely to be correct at the receiver. If there are a sufficient number of these and they are correctly identified, the FFT may be partitioned to produce a set of equations that may be solved for the clipped time-domain samples. The thesis proposes four enhancements to this new method which improve its effectiveness. It is shown that the best form of this method outperforms conventional techniques especially for severe clipping levels. The performance of these four enhancements is evaluated over channels with additive white Gaussian noise (AWGN) in addition to clipping distortion. A technique based on a ‘margin factor’ is designed to make these methods work more effectively in the presence of AWGN noise. A new combining algorithm referred as ‘HARQ for Clipping’ is presented where soft bit decisions are combined from multiple transmissions. ‘HARQ for Clipping’ has been combined with the best version of the Equation-Method, and the performance of this approach is evaluated in terms of the BER with different levels of AWGN. It has been compared to other approaches from the literature and was found to out-perform the BNC iterative receiver by 3dB at signal to noise ratios around 10dB. Without HARQ, the best version of the Equation-Method performs better than the BNC receiver, at signal-to-nose ratios above about 17dB.