Le conflit entre la demande de services multimédia en multidiffusion à haut débit (MBMS) et les limites en ressources radio demandent une gestion efficace de l'allocation des ressources radio (RRM) dans les réseaux 3G UMTS. À l'opposé des travaux existant dans ce domaine, cette thèse se propose de résoudre le problème de RRM dans les MBMS par une approche d’optimisation combinatoire. Le travail commence par une modélisation formelle du problème cible, désigné comme Flexible Radio Resource Management Model (F2R2M). Une analyse de la complexité et du paysage de recherche est effectuée à partir de ce modèle. Tout d’abord on montre qu'en assouplissant les contraintes de code OVSF, le problème de RRM pour les MBMS peut s'apparenter à un problème de sac à dos à choix multiples (MCKP). Une telle constatation permet de calculer les limites théoriques de la solution en résolvant le MCKP similaire. En outre, l'analyse du paysage montre que les espaces de recherche sont accidentés et constellés d'optima locaux. Sur la base de cette analyse, des algorithmes métaheuristiques sont étudiés pour résoudre le problème. Nous montrons tout d'abord que un Greedy Local Search (GLS) et un recuit simulé (SA) peuvent trouver de meilleures solutions que les approches existantes implémentées dans le système UMTS, mais la multiplicité des optima locaux rend les algorithmes très instables. Un algorithme de recherche tabou (TS) incluant une recherche à voisinage variable (VNS) est aussi développé et comparé aux autres algorithmes (GLS et SA) et aux approches actuelles du système UMTS ; les résultats de la recherche tabou dépassent toutes les autres approches. Enfin les meilleures solutions trouvées par TS sont également comparées avec les solutions théoriques générées par le solveur MCKP. On constate que les meilleures solutions trouvées par TS sont égales ou très proches des solutions optimales théoriques. / The high throughputs supported by the multimedia multicast services (MBMS) and the limited radio resources result in strong requirement for efficient radio resource management (RRM) in UMTS 3G networks. This PhD thesis proposes to solve the MBMS RRM problem as a combinatorial optimization problem. The work starts with a formal modeling of the problem, named as the Flexible Radio Resource Management Model (F2R2M). An in-depth analysis of the problem complexity and the search landscape is done from the model. It is showed that, by relaxing the OVSF code constraints, the MBMS RRM problem can be approximated as a Multiple-Choice Knapsack Problem (MCKP). Such work allows us to compute the theoretical solution bounds by solving the approximated MCKP. Then the fitness landscape analysis shows that the search spaces are rough and reveal several local optimums. Based on the analysis, some metaheuristic algorithms are studied to solve the MBMS RRM problem. We first show that a Greedy Local Search (GLS) and a Simulated Annealing (SA) allow us to find better solutions than the existing approaches implemented in the UMTS system, however the results are instable due to the landscape roughness. Finally we have developed a Tabu Search (TS) mixed with a Variable Neighborhood Search (VNS) algorithm and we have compared it with GLS, SA and UMTS embedded algorithms. Not only the TS outperforms all the other approaches on several scenarios but also, by comparing it with the theoretical solution bounds generated by the MCKP solver, we observe that TS is equal or close to the theoretical optimal solutions.

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes. / Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas. / In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission.

Abstract This thesis focuses on two important challenges in wireless downlink transmission: multi-user (MU) precoder design and scheduling of users over time, frequency, and spatial resources at any given instant. Data streams intended for different users are transmitted by a multiple-input multiple-output (MIMO) multi-antenna orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. The transmit precoders are designed jointly across space-frequency resources to minimize the number of backlogged packets waiting at the coordinating base stations (BSs), thereby implicitly performing user scheduling. Then the problem of multicast beamformer design is considered wherein a subset of users belonging to a multicasting group are served by a common group-specific data. The design objective is to either minimize the transmit power for a guaranteed quality-of-service, or to maximize the minimum achievable rate among users for a given transmit power. Unlike existing techniques, the proposed design utilizes both the spatial and frequency resources jointly while designing multi-group beamformers. As an extension to coordinated precoding, the problem of beamformer design for cloud radio access network is considered wherein beamformers are designed centrally, quantized and sent along with data to the respective BSs via backhaul. Since the users can be served by multiple BSs, beamformer design becomes a nonconvex combinatorial problem. Unlike existing solutions, beamformer overhead is also included in the backhaul utilization along with the associated data. As the number of antennas increases, backhaul utilization is dominated by the beamformers. Thus, to reduce the overhead, two techniques are proposed: varying the quantization precision, and reducing the number of active antennas used for transmission. Finally, to reduce the complexity involved in the design of joint space- frequency approach, a two-step procedure is proposed, where a MU-MIMO scheduling algorithm is employed to find a subset of users for each scheduling block. The precoders are then designed only for the chosen users, thus reducing the complexity without compromising much on the throughput. In contrast to the null-space-based existing techniques, a low-complexity scheduling algorithm is proposed based on vector projections. The real-time performance of all the schedulers are evaluated by implementing them on both Xilinx ZYNQ-ZC702 system-on-chip (SoC) and TI TCI6636K2H multi-core SoC. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään kahteen tärkeään langattoman tiedonsiirron haasteeseen alalinkkilähetyksissä: usean käyttäjän (MU) esikooderisuunnitteluun ja käyttäjien skedulointiin aika-, taajuus- ja tilaresurssien yli. Eri käyttäjille tarkoitettuja datavirtoja lähetetään käyttämällä monitulo-monilähtötekniikkaa (MIMO) yhdistettynä monikantoaaltomodulointiin (OFDM). Lähettimien esikooderit suunnitellaan yhteisesti tila- ja taajuusresurssien yli, jotta keskenään yhteistoiminnallisten tukiasemien jonossa olevien pakettien määrää voitaisiin minimoida samalla kun tehdään epäsuorasti käyttäjien skedulointia. Tämän jälkeen työssä paneudutaan monilähetysten (multicast) keilanmuodostussuunnitteluun, jossa monilähetysryhmään kuuluvien käyttäjien alijoukolle lähetetään yhteistä ryhmäspesifistä dataa. Suunnittelun päämääränä on joko minimoida kokonaislähetysteho tietyllä palvelunlaatuvaatimuksella tai maksimoida pienin saavutettavissa oleva siirtonopeus käyttäjien joukossa tietyllä lähetysteholla. Toisin kuin olemassa olevat menetelmät, ehdotetussa mallissa käytetään yhteisesti sekä aika- että taajuusresursseja usean ryhmän keilanmuodostusta suunniteltaessa. Laajennuksena yhteistoiminnalliselle esikoodaukselle, väitöskirjassa käsitellään myös keilanmuodostusta pilvipohjaisessa radioliityntäverkkoarkkitehtuurissa. Keilanmuodostajat suunnitellaan keskitetysti, kvantisoidaan ja lähetetään datan mukana tukiasemille käyttäen runkoverkkoyhteyttä. Koska käyttäjiä voidaan palvella usealta tukiasemalta, keilanmuodostussuunnittelu muuttuu ei-konveksiksi kombinatoriseksi ongelmaksi. Toisin kuin olemassa olevissa ratkaisuissa, ehdotettu malli sisällyttää käyttäjien datan lisäksi keilanmuodostajien resursoinnin tarpeen runkoverkkoon. Tukiaseman antennien määrän lisääntyessä, keilanmuodostajien osuus runkoverkon käyttöasteesta kasvaa suureksi. Jotta keilanmuodostajien aiheuttamaa ylimääräistä tiedonsiirtotarvetta voitaisiin minimoida, esitellään kaksi tekniikkaa: kvantisointitarkkuuden muunteleminen sekä lähetykseen käytettävien aktiivisten antennien määrän vähentäminen. Lopuksi, jotta yhdistetyn tila-taajuussuunnittelun aiheuttamaa kompleksisuutta saataisiin vähennettyä, ehdotetaan kaksivaiheista menetelmää. MU-MIMO skedulointialgoritmin avulla etsitään ensin alijoukko käyttäjiä jokaiselle skedulointilohkolle. Esikooderit suunnitellaan vain valituille käyttäjille, mikä vähentää kompleksisuutta, heikentämättä suorituskykyä kuitenkaan olennaisesti. Poiketen nolla-avaruuteen perustuvista tekniikoista, esitetään yksinkertainen vektoriprojektioihin perustuva skeduleri. Kaikkien skedulerien reaaliaikasuorituskykyä on arvioitu toteuttamalla ne ohjelmoitavilla Xilinx ZYNQ-ZC702 system-on-chip (SoC) ja TI TCI6636K2H moniydinalustoilla.

Abstract This thesis examines radio resource management techniques for multicell multi-input single-output (MISO) downlink networks. Specifically, the thesis focuses on developing linear transmit beamforming techniques by optimizing certain quality-of-service (QoS) features, including, spectral efficiency, fairness, and throughput. The problem of weighted sum-rate-maximization (WSRMax) has been identified as a central problem to many network optimization methods, and it is known to be NP-hard. An algorithm based on a branch and bound (BB) technique which globally solves the WSRMax problem with an optimality certificate is proposed. Novel bounding techniques via conic optimization are introduced and their efficiency is illustrated by numerical simulations. The proposed BB based algorithm is not limited to WSRMax only; it can be easily extended to maximize any system performance metric that can be expressed as a Lipschitz continuous and increasing function of the signal-to-interference-plus-noise (SINR) ratio. Beamforming techniques can provide higher spectral efficiency, only when the channel state information (CSI) of users is accurately known. However, in practice the CSI is not perfect. By using an ellipsoidal uncertainty model for CSI errors, both optimal and suboptimal robust beamforming techniques for the worst-case WSRMax problem are proposed. The optimal method is based on a BB technique. The suboptimal algorithm is derived using alternating optimization and sequential convex programming. Through a numerical example it is also shown how the proposed algorithms can be applied to a scenario with statistical channel errors. Next two decentralized algorithms for multicell MISO networks are proposed. The optimization problems considered are: P1) minimization of the total transmission power subject to minimum SINR constraints of each user, and P2) SINR balancing subject to the total transmit power constraint of the base stations. Problem P1 is of great interest for obtaining a transmission strategy with minimal transmission power that can guarantee QoS for users. In a system where the power constraint is a strict system restriction, problem P2 is useful in providing fairness among the users. Decentralized algorithms for both problems are derived by using a consensus based alternating direction method of multipliers. Finally, the problem of spectrum sharing between two wireless operators in a dynamic MISO network environment is investigated. The notion of a two-person bargaining problem is used to model the spectrum sharing problem, and it is cast as a stochastic optimization. For this problem, both centralized and distributed dynamic resource allocation algorithms are proposed. The proposed distributed algorithm is more suitable for sharing the spectrum between the operators, as it requires a lower signaling overhead, compared with centralized one. Numerical results show that the proposed distributed algorithm achieves almost the same performance as the centralized one. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tarkastellaan monisoluisten laskevan siirtotien moniantennilähetystä käyttävien verkkojen radioresurssien hallintatekniikoita. Väitöskirjassa keskitytään erityisesti kehittämään lineaarisia siirron keilanmuodostustekniikoita optimoimalla tiettyjä palvelun laadun ominaisuuksia, kuten spektritehokkuutta, tasapuolisuutta ja välityskykyä. Painotetun summadatanopeuden maksimoinnin (WSRMax) ongelma on tunnistettu keskeiseksi monissa verkon optimointitavoissa ja sen tiedetään olevan NP-kova. Tässä työssä esitetään yleinen branch and bound (BB) -tekniikkaan perustuva algoritmi, joka ratkaisee WSRMax-ongelman globaalisti ja tuottaa todistuksen ratkaisun optimaalisuudesta. Samalla esitellään uusia conic-optimointia hyödyntäviä suorituskykyrajojen laskentatekniikoita, joiden tehokkuutta havainnollistetaan numeerisilla simuloinneilla. Ehdotettu BB-perusteinen algoritmi ei rajoitu pelkästään WSRMax-ongelmaan, vaan se voidaan helposti laajentaa maksimoimaan mikä tahansa järjestelmän suorituskykyarvo, joka voidaan ilmaista Lipschitz-jatkuvana ja signaali-(häiriö+kohina) -suhteen (SINR) kasvavana funktiona. Keilanmuodostustekniikat voivat tuottaa suuremman spektritehokkuuden vain, jos käyttäjien kanavien tilatiedot tiedetään tarkasti. Käytännössä kanavan tilatieto ei kuitenkaan ole täydellinen. Tässä väitöskirjassa ehdotetaan WSRMax-ongelman ääritapauksiin sekä optimaalinen että alioptimaalinen keilanmuodostustekniikka soveltaen tilatietovirheisiin ellipsoidista epävarmuusmallia. Optimaalinen tapa perustuu BB-tekniikkaan. Alioptimaalinen algoritmi johdetaan peräkkäistä konveksiohjelmointia käyttäen. Numeerisen esimerkin avulla näytetään, miten ehdotettuja algoritmeja voidaan soveltaa skenaarioon, jossa on tilastollisia kanavavirheitä. Seuraavaksi ehdotetaan kahta hajautettua algoritmia monisoluisiin moniantennilähetyksellä toimiviin verkkoihin. Tarkastelun kohteena olevat optimointiongelmat ovat: P1) lähetyksen kokonaistehon minimointi käyttäjäkohtaisten minimi-SINR-rajoitteiden mukaan ja P2) SINR:n tasapainottaminen tukiasemien kokonaislähetystehorajoitusten mukaisesti. Ongelma P1 on erittäin kiinnostava, kun pyritään kehittämään mahdollisimman pienen lähetystehon vaativa lähetysstrategia, joka pystyy takaamaan käyttäjien palvelun laadun. Ongelma P2 on hyödyllinen tiukasti tehorajoitetussa järjestelmässä, koska se tarjoaa tasapuolisuutta käyttäjien välillä. Molempien ongelmien hajautetut algoritmit johdetaan konsensusperusteisen vuorottelevan kertoimien suuntaustavan avulla. Lopuksi tarkastellaan kahden langattoman operaattorin välisen spektrinjaon ongelmaa dynaamisessa moniantennilähetystä käyttävässä verkkoympäristössä. Spektrinjako-ongelmaa mallinnetaan käyttämällä kahden osapuolen välistä neuvottelua stokastisen optimoinnin näkökulmasta. Tähän ongelmaan ehdotetaan ratkaisuksi sekä keskitettyä että hajautettua resurssien allokoinnin algoritmia. Hajautettu algoritmi sopii paremmin spektrin jakamiseen operaattorien välillä, koska se vaatii vähemmän kontrollisignalointia. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetulla hajautetulla algoritmilla saavutetaan lähes sama suorituskyky kuin keskitetyllä algoritmillakin.

Recent advancements in Transformers have unlocked a new relational analysis technique for Reinforcement Learning (RL). This thesis researches the models for DownLink Link Adaptation (DLLA). Radio resource management methods such as DLLA form a critical facet for radio-access networks, where intricate optimization problems are continuously resolved under strict latency constraints in the order of milliseconds. Although previous work has showcased improved downlink throughput in an online RL approach, time dependence of DLLA obstructs its wider adoption. Consequently, this thesis ventures into uncharted territory by extending the DLLA framework with sequence modelling to fit the Transformer architecture. The objective of this thesis is to assess the efficacy of an autoregressive sequence modelling based offline RL Transformer model for DLLA using a Decision Transformer. Experimentally, the thesis demonstrates that the attention mechanism models environment dynamics effectively. However, the Decision Transformer framework lacks in performance compared to the baseline, calling for a different Transformer model. / De senaste framstegen inom Transformers har möjliggjort ny teknik för Reinforcement Learning (RL). I denna uppsats undersöks modeller för länkanpassning, närmare bestämt DownLink Link Adaptation (DLLA). Metoder för hantering av radioresurser som DLLA utgör en kritisk aspekt för radioåtkomstnätverk, där invecklade optimeringsproblem löses kontinuerligt under strikta villkor kring latens och annat, i storleksordningen millisekunder. Även om tidigare arbeten har påvisat förbättrad länkgenomströmning med en online-RL-metod, så gäller att tidsberoenden i DLLA hindrar dess bredare användning. Följaktligen utökas här DLLA-ramverket med sekvensmodellering för att passa Transformer-arkitekturer. Syftet är att bedöma effekten av en autoregressiv sekvensmodelleringsbaserad offline-RL-modell för DLLA med en Transformer för beslutsstöd. Experimentellt visas att uppmärksamhetsmekanismen modellerar miljöns dynamik effektivt. Men ramverket saknar prestanda jämfört med tidigare forsknings- och utvecklingprojekt, vilket antyder att en annan Transformer-modell krävs.

Cognitive radio is frequently touted as a platform for implementing dynamic distributed radio resource management algorithms. In the envisioned scenarios, radios react to measurements of the network state and change their operation according to some goal driven algorithm. Ideally this flexibility and reactivity yields tremendous gains in performance. However, when the adaptations of the radios also change the network state, an interactive decision process is spawned and once desirable algorithms can lead to catastrophic failures when deployed in a network. This document presents techniques for modeling and analyzing the interactions of cognitive radio for the purpose of improving the design of cognitive radio and distributed radio resource management algorithms with particular interest towards characterizing the algorithms' steady-state, convergence, and stability properties. This is accomplished by combining traditional engineering and nonlinear programming analysis techniques with techniques from game to create a powerful model based approach that permits rapid characterization of a cognitive radio algorithm's properties. Insights gleaned from these models are used to establish novel design guidelines for cognitive radio design and powerful low-complexity cognitive radio algorithms. This research led to the creation of a new model of cognitive radio network behavior, an extensive number of new results related to the convergence, stability, and identification of potential and supermodular games, numerous design guidelines, and several novel algorithms related to power control, dynamic frequency selection, interference avoidance, and network formation. It is believed that by applying the analysis techniques and the design guidelines presented in this document, any wireless engineer will be able to quickly develop cognitive radio and distributed radio resource management algorithms that will significantly improve spectral efficiency and network and device performance while removing the need for significant post-deployment site management. / Ph. D.

Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του “Mobile Broadband”. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point-to-multipoint data transmission). Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία μηχανισμών στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και προτείνονται μηχανισμοί οι οποίοι προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου που επικρατούν στο δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί που ονομάζονται μηχανισμοί προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων είναι κυρίως μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μετάδοση εφαρμογών πραγματικού χρόνου όπως είναι για παράδειγμα η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο ή μια βιντεοκλήση μεταξύ δύο συνδρομητών ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Οι μηχανισμοί προσαρμογής της μετάδοσης πολυμέσων είναι μηχανισμοί μετάδοσης πολυμεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδομένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν τη μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση μηχανισμών προσαρμογής της μετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη μηχανισμών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρμογή των πολυμεσικών δεδομένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των μηχανισμών είναι η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες μεταβάλλονται. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). To MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Έτσι λοιπόν, όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία μηχανισμών, η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting λόγω του γεγονότος ότι εκμεταλλεύεται την κατανομή των χρηστών μέσα στο δίκτυο προς όφελος της οικονομίας στην αποστολή πακέτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται ένας multicast μηχανισμός ο οποίος προσφέρει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή προς μια ομάδα κινητών χρηστών ενός δικτύου UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκτός από τη λειτουργικότητα της multicast δρομολόγησης των πακέτων στους κόμβους του δικτύου, υποστηρίζεται επίσης από ένα σχήμα διαχείρισης της ομάδας των multicast χρηστών. Επιπλέον, στο μηχανισμό έχει ενσωματωθεί επιπλέον λειτουργικότητα η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση των δεδομένων στην ομάδα των multicast χρηστών ακόμα και όταν αυτοί βρίσκονται σε διαρκή κίνηση (Handover functionality). Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μια προσπάθεια να αξιολογηθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο UMTS για μετάδοση δεδομένων από έναν αποστολέα προς μια ομάδα παραληπτών. Συγκεκριμένα, οι τρεις μηχανισμοί που αναλύονται είναι ο Broadcast μηχανισμός, o Multiple Unicast μηχανισμός και ο Multicast μηχανισμός. Η αξιολόγηση των μηχανισμών γίνεται με χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου το οποίο μετρά το τηλεπικοινωνιακό κόστος μετάδοσης των δεδομένων από τον έναν κόμβο του δικτύου στον άλλον. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μηχανισμοί αξιολογούνται για διάφορες τοπολογίες του δικτύου και διαφορετικές κατανομές των χρηστών στο δίκτυο. Τέλος, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αξιολόγηση των καναλιών μεταφοράς του UMTS και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση των δεδομένων. Ειδικότερα, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed – Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν και τέλος την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη. / As communications technology is being developed, users’ demand for multimedia services raises. Meanwhile, the Internet has enjoyed tremendous growth in recent years. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide high-speed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. The recent years, the usage of third generation cellular networks has begun to rise all over the world. These new infrastructures substitute the existed second generation cellular networks and offer broadband services to mobile users. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. The main target of this dissertation is the study and the analysis of the mechanisms that are operated behind the above mentioned services and applications. More specifically, we analyze already existed mechanisms used for the transmission of real time services over 3G networks and furthermore we propose new mechanisms for the effective data transmission in 3G networks in terms of network performance and satisfaction of the mobile user. Generally, we consider two categories of mechanisms for the data transmission: • Mechanisms for point to point data transmission. • Mechanisms for point to multipoint data transmission. Regarding the first category of the mechanisms, in this dissertation, we analyze and propose mechanisms for real time data transmission in 3G networks. We focus firstly on schemes that reliable transmit the real time data to mobile users and secondly on mechanisms for adaptive multimedia transmission in UMTS. Bandwidth is a valuable and limited resource for UMTS and every wireless network, in general. Therefore, it is of extreme importance to exploit this resource in the most efficient way. It is essential for a wireless network to have an efficient bandwidth allocation scheme in order the mobile user to experience both real time applications and Internet applications such as HTTP or SMTP. Consequently, when a user experiences a real time application, there should be enough bandwidth available at any time for any other application that the mobile user might realize. In addition, when two different applications run together, the network should guarantee that there is no possibility for any of the above-mentioned applications to prevail against the other by taking all the available channel bandwidth. Taking into consideration the fact that Internet applications adopt mainly TCP as the transport protocol, while real time applications mainly use RTP, the network should guarantee that RTP does not prevail against the TCP traffic. Consequently, this means that there should be enough bandwidth available in the wireless channel for the Internet applications to run properly. To this direction, rate control of real time applications is an important issue in mobile networks. With the aid of rate control schemes the network could adapt the packet transmission rate of real time applications according to the current network conditions giving the opportunity to the mobile users to experience both real time and non real time applications at the same time in their mobile devices. Regarding the second category of the mechanisms, although UMTS networks offer high capacity, the expected demand will certainly overcome the available resources. Thus, the multicast transmission over the UMTS networks constitutes a challenge and an area of research. To this direction the third Generation Partnership Project (3GPP) is currently standardizing the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) framework of UMTS. In this dissertation, we present a new mechanism for the efficient multicast data routing in UMTS. The proposed mechanism is enhanced with multicast group management functionality as well as with functionality related to the user mobility (handover and relocation). Furthermore, it is known that multicasting is more efficient method of supporting group communication than unicasting or broadcasting, as it allows transmission and routing of packets to multiple destinations using fewer network resources. In this dissertation, the three above mentioned methods of supporting group communication in UMTS are analyzed in terms of their performance. The critical parameters of primary interest for the evaluation of any method are the packet delivery cost and the scalability of the method. Finally, this dissertation analyses the role of power control in the multicast transmission in UMTS. It is proposed a power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station.

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.

The field of wireless communications is arguably one of the most rapidly developing technological fields. Therefore, with each new advancement in this field, the complexity of wireless systems can grow significantly. This phenomenon is most visible in mobile communications, where the current 5G and 6G radio access networks (RANs) have reached unprecedented complexity levels to satisfy diverse increasing demands. In such increasingly complex environments, managing resources is becoming more and more challenging. Thus, experts employed performant artificial intelligence (AI) techniques to aid radio resource management (RRM) decisions. However, these AI techniques are often difficult to understand by humans, and may receive unimportant inputs which unnecessarily increase their complexity. In this work, we propose an explainability pipeline meant to be used for increasing humans’ understanding of AI models for RRM, as well as for reducing the complexity of these models, without loss of performance. To achieve this, the pipeline generates diverse feature importance explanations of the models with the help of three explainable artificial intelligence (XAI) methods: Kernel SHAP, CERTIFAI, and Anchors, and performs an importance-based feature selection using one of three different strategies. In the case of Anchors, we formulate and utilize a new way of computing feature importance scores, since no current publication in the XAI literature suggests a way to do this. Finally, we applied the proposed pipeline to a reinforcement learning (RL)- based RRM system. Our results show that we could reduce the complexity of the RL model between ∼ 27.5% and ∼ 62.5% according to different metrics, without loss of performance. Moreover, we showed that the explanations produced by our pipeline can be used to answer some of the most common XAI questions about our RL model, thus increasing its understandability. Lastly, we achieved an unprecedented result showing that our RL agent could be completely replaced with Anchors rules when taking RRM decisions, without a significant loss of performance, but with a considerable gain in understandability. / Området trådlös kommunikation är ett av de snabbast utvecklande tekniska områdena, och varje framsteg riskerar att medföra en signifikant ökning av komplexiteten för trådlösa nätverk. Det här fenomenet är som tydligast i mobil kommunikaiton, framför allt inom 5G och 6G radioaccessnätvärk (RANs) som har nåt nivåer av komplexitet som saknar motstycke. Detta för att uppfylla de ökande kraven som ställs på systemet. I dessa komplexa system blir resurshantering ett ökande problem, därför används nu artificiell intelligens (AI) allt mer för att ta beslut om hantering av radioresurser (RRM). Dessa AI tekniker är dock ofta svåra att förstå för människor, och kan således ges oviktig input vilket leder till att öka AI modellernas komplexitet. I detta arbete föreslås en förklarande pipeline vars mål är att användas för att öka människors förståelse av AI modeller för RRM. Målet är även att minska modellernas komplexitet, utan att förlora prestanda. För att åstadkomma detta genererar pipelinen förklaringar av betydande predikatorer för modellen med hjälp av tre metoder för förklarande artificiell intelligens (XAI). Dessa tre metoder är, Kernel SHAP, CERTIFAI och Anchors. Sedan görs ett predikatorurval baserat på predikatorbetydelse med en av dessa tre metoder. För metoden Anchors formuleras ett nytt sätt att beräkna betydelsen hos predikatorer, eftersom tidigare forskning inte föreslår någon metod för detta. Slutligen appliceras den föreslagna pipelinen på en förstärkt inlärnings- (RL) baserat RRM system. Resultaten visar att komplexiteten av RL modellen kunde reduceras med mellan ∼ 27, 5% och ∼ 62, 5% baserat på olika nyckeltal:er, utan att förlora någon prestanda. Utöver detta visades även att förklaringarna som producerats kan användas för att svara på de vanligaste XAI frågoran om RL modellen, och på det viset har även förståelsen för modellen ökat. Sistnämnt uppnåddes enastående resultat som visade att RL modellen helt kunde ersättas med regler producerade av Anchor-metoden för beslut inom RRM, utan någon störra förlust av prestanda, men med an stor vinst i förståelse.

Ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία. Στη ραγδαία εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας παράλληλα πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους πελάτες - χρήστες του. Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό που προτυποποιεί τις νέες τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Κατά συνέπεια, η αγορά κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας» (Mobile Broadband). Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής (multicasting) δεδομένων στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast), επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Το κρισιμότερο σημείο που εντοπίζεται κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι ο αποτελεσματικός έλεγχος ισχύος. Οι σταθμοί βάσης των κυψελωτών αυτών δικτύων διαθέτουν περιορισμένους πόρους ισχύος, γεγονός που περιορίζει τη χωρητικότητα της κυψέλης (cell) και επιβάλλει τη χρήση μίας βέλτιστης στρατηγικής για την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος στοχεύει στη μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος, στην ελαχιστοποίηση του θορύβου στο κυψελωτό δίκτυο και κατά συνέπεια στη διασφάλιση μεγαλύτερης χωρητικότητας επιπλέον χρηστών. Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς κατά τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων αποτελεί η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς για τη μετάδοση των δεδομένων στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS πρότυπο έχουν αναπτυχθεί διάφοροι μηχανισμοί, με χαρακτηριστικό τον MBMS Counting Mechanism. Στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UMTS/HSPA δικτύου. Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού, καθώς και των αρκετών άλλων μηχανισμών που έχουν προταθεί από το 3GPP, διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα των μηχανισμών αυτών είναι η απουσία ευρυζωνικών χαρακτηριστικών καθώς και η σπατάλη σημαντικού τμήματος των ούτως ή άλλως περιορισμένων πόρων ισχύος. Εν γένει, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των πολυμεσικών δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία μίας ολόκληρης κυψέλης. Γίνεται σαφές λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση των υπαρχόντων μηχανισμών για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων/μηχανισμών για τη βελτιστοποίηση του. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της διατριβής αυτής είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και αξιολογούνται όλα τα υπάρχοντα κανάλια μεταφοράς του UMTS και της τεχνολογίας HSPA τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, και κατά συνέπεια με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν, την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη, τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της κυψέλης κ.α. Οι ιδιαίτερα αυξημένες απαιτήσεις των MBMS υπηρεσιών μας οδήγησαν στη συνέχεια στη διερεύνηση και αξιολόγηση ορισμένων τεχνικών μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος, με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως μία MBMS υπηρεσία με ρυθμό μετάδοσης 128 Kbps μπορεί να καταναλώσει έως και το 80% των πόρων ισχύος ενός σταθμού βάσης. Επομένως, γίνεται κατανοητό ότι η μετάδοση MBMS υπηρεσιών με τόσο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης καθίσταται δύσκολη έως και αδύνατη. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί τεχνικές, όπως η FACH Dynamic Power Setting, η Macro Diversity Combining και το Rate Splitting, ικανές να μειώσουν τα επίπεδα ισχύος κατά τη μετάδοση multicast δεδομένων στους MBMS χρήστες. Η διδακτορική αυτή διατριβή εξετάζει την αποδοτικότητα της χρήσης αυτών των τεχνικών εξοικονόμησης ισχύος και παρουσιάζει πειραματικά αποτελέσματα που αποκαλύπτουν το ποσό ισχύος που εξοικονομείται από κάθε μία τεχνική. Η αξιολόγηση τόσο των καναλιών μεταφοράς όσο και των τεχνικών μείωσης ισχύος θα οδηγήσει στην εύρεση ενός κατάλληλου σχήματος/μηχανισμού, ο οποίος θα εξασφαλίζει την αποδοτική εναλλαγή μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ο μηχανισμός αυτός, τον οποίο καλούμε MBMS Channel Assignment Mechanism (ή χάριν συντομίας «MCAM»), αναμένεται να εξασφαλίσει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με τους αντίστοιχους μηχανισμούς που έχουν προταθεί από το 3GPP, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Ωστόσο, το πιο αξιοπρόσεκτο πλεονέκτημα του προτεινόμενου μηχανισμού, που ουσιαστικά τον διαφοροποιεί από τις άλλες προσεγγίσεις, είναι ότι προσαρμόζεται στις αυξημένες απαιτήσεις των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς για ταυτόχρονη παροχή πολλαπλών πολυμεσικών συνόδων. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών, θέτοντας κατά τον τρόπο αυτό τον MCAM σαν έναν ισχυρό υποψήφιο για τα δίκτυα επόμενης γενιάς. / The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication. The fast development of this area was mainly motivated by the requirements of modern market for a unified and functional system of mobile communications that, at the same time, may provide numerous broadband services to its users. More specifically, in the recent years, the usage of third generation (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) cellular networks has begun to rise in most European countries, as in Greece. 3G networks have replaced the second generation mobile networks and moreover, are in position of offering advanced services to mobile users. However, the need for higher (broadband) speeds led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. However, despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel project is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to UMTS and HSPA networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. Simultaneously, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and re-use the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a “killer” application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. The main requirement during the provision of MBMS multicast services is to make an efficient overall usage of radio and network resources. This necessity mainly translates into improved power control strategies, since the base stations’ transmission power is the limiting factor of downlink capacity in UMTS networks. Under this prism, power control is one of the most critical aspects in MBMS due to the fact that downlink transmission power in UMTS networks is a limited resource and must be shared efficiently among all MBMS users in a cell. Moreover, power control aims at minimizing the transmitted power, eliminating in this way the intercell interference. However, when misused, the use of power control may lead to a high level of wasted power and worse performance results. In order to have efficient power control in MBMS, one of the most critical aspects is the selection of the transport channel for the transmission of MBMS multicast traffic. MBMS services can be provided in each cell by either multiple point-to-point (PTP) channels or by a single point-to-multipoint (PTM) channel. A wrong channel selection may result to a significant capacity decrease, thus, preventing the mass delivery of multimedia applications. It is worth mentioning that channel selection is still an open issue in today’s MBMS infrastructure mainly due to its catalytic role in MBMS performance. In the frame of MBMS power control and transport channel selection several approaches have been proposed, with main representative the 3GPP MBMS Counting Mechanism. However, none of these approaches performs optimal transport channel selection either due to the fact that some of them do not consider the power consumption as the selection criterion or because of the fact that they do not consider all the available transport channels (or combination of them) for the transmission of the MBMS data. All the above stress the need for an advanced version of these mechanisms that could deliver multimedia content to a large number of mobile users in a more efficient and economic way. After taking into account the above analysis, objective of this dissertation is the study of power control issues in next generation mobile communication networks and the development of new approaches/ mechanisms for its optimization. To this direction, this dissertation analyzes and evaluates all the available UMTS and HSPA transport channels that could be used for the transmission of MBMS multicast services. Moreover, this dissertation investigates and evaluates several power saving techniques that aim at the efficient usage of radio and network resources. Techniques, such as Dynamic Power Setting, Macro Diversity Combining and Rate Splitting are capable of decreasing the power consumption during the provision of MBMS services and may enable the mass market delivery of multimedia services to mobile users. The evaluation of the available transport channels and power saving techniques will lead to the development of a novel scheme/mechanism that will enable the efficient selection of transport channels for the transmission of MBMS services. The proposed mechanism, which we call MBMS Channel Assignment Mechanism (or «MCAM»), is expected to optimally utilize the available power resources of base stations to MBMS sessions running in the network, resulting in that way to an extensive increase on the system’s capacity. Therefore, MCAM may allow the mass provision of multimedia data to a large number of mobile users, which makes MCAM a strong candidate for next generation networks.