La próxima cuarta generación (4G) de redes de comunicaciones móviles celulares considera una interfaz radio basada en OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Esta tecnología ofrece robustez a la propagación multicamino y diversidad en frecuencia gracias a la división del ancho de banda de operación en un conjunto de pequeños subcanales en frecuencia para así alcanzar un uso eficiente del espectro. Sin embargo, un importante desafío en una interfaz radio OFDMA es la manera en la que los subcanales en frecuencia se asignan a las distintas celdas. En primer lugar, la carga de tráfico podría variar a lo largo del tiempo y del espacio, de modo que los clásicos patrones fijos de asignación de espectro (es decir, los esquemas de planificación de frecuencias) pueden conducir a una carencia de recursos en ciertas celdas o a una falta de aprovechamiento de los mismos en otras. En segundo lugar, los futuros marcos reguladores del espectro cambiarán la mentalidad sobre su uso, planteando la coexistencia de usuarios primarios y secundarios del espectro en una misma área geográfica. Por lo tanto, una adecuada gestión del espectro primario podría facilitar la aparición de oportunidades del uso del espectro para usuarios secundarios a la vez que el operador podría obtener una nueva entrada de ingresos por ese uso. Finalmente, los futuros escenarios celulares tenderán a ser descentralizados, especialmente con la aparición de nuevos despliegues basados en femtoceldas (puntos de acceso de limitada cobertura desplegados por el propio usuario en la banda espectral en la que el operador tiene licencia), donde se requerirá un alto grado de independencia a la hora de decidir los canales que usa cada femtocelda, ya que, obviamente, las tareas centralizadas planificación de frecuencias tienen poco sentido práctico en estos escenarios.Esta tesis contribuye a la investigación sobre la asignación de espectro en redes móviles celulares 4G basadas en OFDMA proponiendo una solución para manejar dinámicamente la asignación de espectro por celda. Con este fin, se proponen estrategias dinámicas asignación de espectro (en inglés Dynamic Spectrum Assigment: DSA) y un marco práctico para ejecutarlas. Para reducir costes operacionales y la intervención humana en el proceso, el marco DSA propuesto se ha diseñado basándose en conceptos de autoorganización de modo que la red puede de forma autónoma (i) observar el funcionamiento de la asignación actual de espectro, (ii) analizar si una nueva asignación de espectro es necesaria, y (iii) decidir una nueva asignación de espectro que se adapte mejor a las condiciones de la red. Además, se propone una arquitectura funcional centralizada y descentralizada que permite que el marco DSA pueda aplicarse a varios escenarios, desde escenarios macrocelulares donde típicamente se emplea un control centralizado, a futuros escenarios con femtoceldas donde los nodos son prácticamente independientes y requieren de decisiones autónomas a nivel de celda para la asignación de espectro. La tarea de decisión del marco DSA reside en las estrategias DSA propuestas, donde una de ellas se basa en el aprendizaje máquina para explotar el conocimiento adquirido previamente en el pasado. Además, esta estrategia tiende a seleccionar una asignación de espectro óptima en el sentido de que maximiza una señal de recompensa definida apropiadamente en términos de métricas del funcionamiento de la red (e.g., eficiencia espectral, SINR, entre otras). Ciertamente, la autoorganización y el aprendizaje máquina en el contexto de la asignación de espectro en interfaces radio basadas en OFDMA se han explotado poco y constituyen así una novedad importante derivada del trabajo de esta tesis.Los resultados revelan importantes mejoras sobre estrategias del estado del arte en términos de eficiencia espectral (en bits/s/Hz), satisfacción de la calidad de servicio de los usuarios, fairness entre el throughput obtenido por los usuarios, y la capacidad para generar oportunidades para el uso secundario del espectro en grandes áreas geográficas. También, el marco DSA propuesto basado en autoorganización muestra atractivas capacidades desde la perspectiva del despliegue inicial, donde los nodos son capaces de autoconfigurarse después de su encendido introduciendo un impacto mínimo en sistema ya desplegado. Así el marco propuesto constituye una contribución práctica para solucionar el despliegue de millares de femtoceldas en un escenario macrocelular. / Next fourth generation (4G) of cellular mobile networks envisage a radio interface based on OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDMA offers frequency diversity and robustness against multipath channel propagation thanks to the division of a wide bandwidth into small OFDMA frequency resources, so that an efficient spectrum usage is attained. However, one important challenge in a 4G OFDMA-based radio interface of a cellular network is the way in which OFDMA frequency resources are assigned to cells. First, intercell interference must be mitigated to achieve the highest spectral efficiency. Second, traffic loads could vary along time and space, so typical fixed spectrum assignment patterns (i.e., frequency planning) could lead to lack of spectrum resources in some cells or underutilization of them in others. Third, future regulatory spectrum frameworks will change the mindset about the usage of the spectrum by planning the co-existence of primary (licensees) and secondary users of the spectrum in the same geographical area. Hence, an adequate primary management of the spectrum could ease the appearance of spectrum usage opportunities for secondary users at the same time that the primary operator could obtain a new revenue income for that usage. Finally, future cellular scenarios will tend to be decentralized, especially with the appearance of new femtocell deployments (short-range user-deployed access points in the operator's licensed spectrum band), where a high degree of independency when deciding the usage of OFDMA frequency resources will be needed, since, obviously, centralized frequency planning tasks has little practical sense in those scenarios.This thesis contributes to the research on the spectrum assignment in 4G OFDMA-based mobile cellular networks by proposing a solution to dynamically manage the cell-by-cell spectrum assignment. To this end, adequate Dynamic Spectrum Assignment (DSA) strategies and a practical framework to execute them are proposed. In order to reduce operational costs and to reduce human intervention, the DSA framework has been designed based on self-organization so that the network is able to autonomously (i) observe the performance of current spectrum assignment, (ii) analyze if a new spectrum assignment is needed, and (iii) decide a new spectrum assignment to better adapt to networks conditions. Furthermore, a centralized and decentralized functional architecture is proposed so that the framework can be applied to a vast number of scenarios, ranging from typical macrocell scenarios where centralized control is employed, to future femtocell scenarios where nodes are almost independent and require autonomous spectrum assignment decisions at the cell level. The decision task of the framework resides on proposed DSA strategies, where one of them is based on machine learning to exploit knowledge previously acquired in the past. Moreover, this machine learning strategy tends to select a spectrum assignment that is optimal in the sense that maximizes a given reward signal appropriately defined in terms of network performance metrics (e.g., spectral efficiency, SINR, among others). Certainly, self-organization and machine learning on the context of spectrum assignment in OFDMA based radio interfaces have been little exploited and thus constitutes a major novelty of the work of this thesis.Performance results reveal important improvements over state-of-the-art strategies in terms of spectral efficiency (i.e. in bits/s/Hz), users' QoS satisfaction, fairness between the throughput obtained by users, and capacity for generating opportunities for secondary spectrum usage in large geographical areas. Also, the proposed DSA framework, based on self-organization, demonstrates appealing capabilities from the perspective of initial deployment, where nodes are able to self-configure after switch-on introducing a minimal impact on the already deployed system, being then a practical contribution to solve the deployment of thousands of femtocells in macrocell environments.

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.