Eingang zum Volltext
Lizenz
Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18513
URL: http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2008/1851/
Michel, Thomas
multiple antenna Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
uplink and downlink systems is studied. A special focus lies on the
incorporation of minimum rate constraints in order to reflect the
increasing importance of Quality of Service requirements in real
systems.
In the first part we investigate the optimum power allocation for
time-invariant channels in the single antenna case. To this end we
solve three reference problems modeling OFDM systems as a set of
parallel Gaussian channels. We present a downlink approach as well as
an equivalent uplink formulation where the derived uplink algorithms
have an appealing interpretation as water-filling with respect to
rates.
Equipped with these results we turn towards the topic of
delay-limited transmission over single antenna OFDM channels in the
second part. The delay-limited capacity is an important metric to
quantify the possibilities for delay-sensitive communication. As a
first step, point-to-point links are studied in order to derive
conditions on the existence of a non-zero delay-limited capacity and
to understand the general dependency on system parameters.
Subsequently we turn towards the more complicated downlink and derive
an algorithm to evaluate the OFDM delay limited capacity region as
well as lower bounds. The last section of this part focuses on the
practically important topic of power minimization under rate
constraints with exclusive subcarrier assignment and presents
algorithms generalizing principles from the first part.
Thereafter we extend our study of optimum resource allocation for
time-invariant channels to the case of multiple antennas in part
three. We study the introduced reference problems in the uplink and
use recent duality results to transform the solutions to the dual
downlink. A direct downlink formulation is not possible anymore since
the necessary mathematical structure is lost due to the additional
spatial degrees of freedom. Taking the fading statistics into account
we then characterize the influence of the number of users on the
multiple antenna OFDM sum capacity and on the sum rate achievable with
exclusive subcarrier assignment. Further, we derive a rate
water-filling algorithm for the case of a throughput constraint which
exhibits an excellent convergence behavior. Finally, we comment on the
possibilities to generalize the dual optimization methods used for
single antenna systems under exclusive subcarrier assignment
constraints to scenarios with multiple antennas.
Ressourcenvergabe in zellularen Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM)-Mehrträgersystemen mit einer sowie
mehreren Antennen, wobei Aufwärts- und Abwärtsstrecke
behandelt werden. Besonderes Interesse gilt der Berücksichtigung von
nutzerspezifischen Ratenanforderungen, um der zunehmenden
Bedeutung von Quality of Service in realen Systemen Rechnung zu
tragen.
Im ersten Teil wird die optimale Leistungsallokation für den Fall
nur je einer Antenne und zeit-invarianter Kanäle untersucht. Drei
Referenzprobleme werden vorgestellt und gelöst, wobei parallele
Gauß-Kanäle zur informationstheoretischen Modellierung von
OFDM-Systemen dienen. Sowohl die Abwärtsstecke als auch die
Aufwärtsstrecke liefern Möglichkeiten die vorgestellten
Referenzprobleme zu lösen. Die Algorithmen, die die Formulierung
der Aufwärtsstrecke nutzen, können hierbei besonders anschaulich
als Water-filling bezüglich allozierter Raten interpretiert werden.
Basierend auf den erzielten Ergebnissen widmet sich der zweite Teil
der verzögerungsbeschränkten Übertragung mittels OFDM. Das
Konzept der verzögerungsbeschränkten Kapazität bietet in diesem
Kontext eine gute Möglichkeit das Potenzial verzögerungssensitiver
Nachrichten-Übertragung zu quantifizieren. Um Bedingungen
herzuleiten, unter denen verzögerungsbeschränkte Übertragung
möglich ist, werden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einer Antenne
untersucht. Auch wird in diesem Rahmen der Einfluss verschiedener
Systemparameter auf die verzögerungsbeschränkte Kapazität
charakterisiert. Der folgende Teil wendet sich der komplizierteren
Abwärtsstrecke zu, deren verzögerungsbeschränkte
Kapazitätsregion man mit Hilfe eines iterativen Algorithmus
evaluieren kann. Ferner werden untere Schranken für diese Region
präsentiert. Der letzte Abschnitt schließlich untersucht das
für die Praxis sehr wichtige Problem der Leistungsminimierung bei
gegebenen Ratenanforderungen, wenn zusätzlich zu berücksichtigen
ist, dass Unterträger an nur je einen einzigen Nutzer vergeben
werden dürfen. Die präsentierten Algorithmen zur Lösung des
Problems können als duale Optimierungsverfahren interpretert werden
und verallgemeinern Ideen aus dem ersten Teil der Arbeit.
Der dritte Teil erweitert die Untersuchung optimaler
Leistungsallokationen für zeit-invariante Kanäle auf den Fall
mehrerer Antennen. Anders als im vorherigen Fall mit nur einer Antenne
ist eine Lösung der Referenzprobleme für die Abwärtstrecke nicht
mehr direkt möglich. Es müssen Dualitätsbeziehungen genutzt
werden um die Probleme über den Umweg der Aufwärtsstrecke
anzugehen. Der Grund hierfür ist in der mathematischen Struktur zu
finden, welche die Existenz räumlicher Freiheitsgrade im Fall
mehrerer Antennen stark verändert. Im weiteren Verlauf wird der
Einfluss der Nutzerzahl auf die Summenrate charakterisiert und für
den Fall einer Summenratenanforderung eine algorithmische Lösung
präsentiert, die ein sehr gutes Konvergenzverhalten auch für
Probleme mit vielen Nutzern und vielen Unterträgern aufweist.
Abschließend werden Möglichkeiten diskutiert die dualen
Optimierungsansätze im Fall exklusiver Unterträgervergabe für
Szenarien mit mehreren Antennen zu verallgemeinern.
URN: urn:nbn:de:kobv:83-opus-18513
URL: http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2008/1851/
Michel, Thomas
Resource Allocation for Single and Multiple Antenna OFDM Uplink and Downlink Systems
Ressourcenvergabe für die Auf- und Abwärtsstrecke von OFDM Systemen mit einer sowie mehreren Antennen
| pdf-Format: |
|
Kurzfassung in Englisch
In this thesis the optimum allocation of resources in single andmultiple antenna Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
uplink and downlink systems is studied. A special focus lies on the
incorporation of minimum rate constraints in order to reflect the
increasing importance of Quality of Service requirements in real
systems.
In the first part we investigate the optimum power allocation for
time-invariant channels in the single antenna case. To this end we
solve three reference problems modeling OFDM systems as a set of
parallel Gaussian channels. We present a downlink approach as well as
an equivalent uplink formulation where the derived uplink algorithms
have an appealing interpretation as water-filling with respect to
rates.
Equipped with these results we turn towards the topic of
delay-limited transmission over single antenna OFDM channels in the
second part. The delay-limited capacity is an important metric to
quantify the possibilities for delay-sensitive communication. As a
first step, point-to-point links are studied in order to derive
conditions on the existence of a non-zero delay-limited capacity and
to understand the general dependency on system parameters.
Subsequently we turn towards the more complicated downlink and derive
an algorithm to evaluate the OFDM delay limited capacity region as
well as lower bounds. The last section of this part focuses on the
practically important topic of power minimization under rate
constraints with exclusive subcarrier assignment and presents
algorithms generalizing principles from the first part.
Thereafter we extend our study of optimum resource allocation for
time-invariant channels to the case of multiple antennas in part
three. We study the introduced reference problems in the uplink and
use recent duality results to transform the solutions to the dual
downlink. A direct downlink formulation is not possible anymore since
the necessary mathematical structure is lost due to the additional
spatial degrees of freedom. Taking the fading statistics into account
we then characterize the influence of the number of users on the
multiple antenna OFDM sum capacity and on the sum rate achievable with
exclusive subcarrier assignment. Further, we derive a rate
water-filling algorithm for the case of a throughput constraint which
exhibits an excellent convergence behavior. Finally, we comment on the
possibilities to generalize the dual optimization methods used for
single antenna systems under exclusive subcarrier assignment
constraints to scenarios with multiple antennas.
Kurzfassung in Deutsch
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der optimalenRessourcenvergabe in zellularen Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM)-Mehrträgersystemen mit einer sowie
mehreren Antennen, wobei Aufwärts- und Abwärtsstrecke
behandelt werden. Besonderes Interesse gilt der Berücksichtigung von
nutzerspezifischen Ratenanforderungen, um der zunehmenden
Bedeutung von Quality of Service in realen Systemen Rechnung zu
tragen.
Im ersten Teil wird die optimale Leistungsallokation für den Fall
nur je einer Antenne und zeit-invarianter Kanäle untersucht. Drei
Referenzprobleme werden vorgestellt und gelöst, wobei parallele
Gauß-Kanäle zur informationstheoretischen Modellierung von
OFDM-Systemen dienen. Sowohl die Abwärtsstecke als auch die
Aufwärtsstrecke liefern Möglichkeiten die vorgestellten
Referenzprobleme zu lösen. Die Algorithmen, die die Formulierung
der Aufwärtsstrecke nutzen, können hierbei besonders anschaulich
als Water-filling bezüglich allozierter Raten interpretiert werden.
Basierend auf den erzielten Ergebnissen widmet sich der zweite Teil
der verzögerungsbeschränkten Übertragung mittels OFDM. Das
Konzept der verzögerungsbeschränkten Kapazität bietet in diesem
Kontext eine gute Möglichkeit das Potenzial verzögerungssensitiver
Nachrichten-Übertragung zu quantifizieren. Um Bedingungen
herzuleiten, unter denen verzögerungsbeschränkte Übertragung
möglich ist, werden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einer Antenne
untersucht. Auch wird in diesem Rahmen der Einfluss verschiedener
Systemparameter auf die verzögerungsbeschränkte Kapazität
charakterisiert. Der folgende Teil wendet sich der komplizierteren
Abwärtsstrecke zu, deren verzögerungsbeschränkte
Kapazitätsregion man mit Hilfe eines iterativen Algorithmus
evaluieren kann. Ferner werden untere Schranken für diese Region
präsentiert. Der letzte Abschnitt schließlich untersucht das
für die Praxis sehr wichtige Problem der Leistungsminimierung bei
gegebenen Ratenanforderungen, wenn zusätzlich zu berücksichtigen
ist, dass Unterträger an nur je einen einzigen Nutzer vergeben
werden dürfen. Die präsentierten Algorithmen zur Lösung des
Problems können als duale Optimierungsverfahren interpretert werden
und verallgemeinern Ideen aus dem ersten Teil der Arbeit.
Der dritte Teil erweitert die Untersuchung optimaler
Leistungsallokationen für zeit-invariante Kanäle auf den Fall
mehrerer Antennen. Anders als im vorherigen Fall mit nur einer Antenne
ist eine Lösung der Referenzprobleme für die Abwärtstrecke nicht
mehr direkt möglich. Es müssen Dualitätsbeziehungen genutzt
werden um die Probleme über den Umweg der Aufwärtsstrecke
anzugehen. Der Grund hierfür ist in der mathematischen Struktur zu
finden, welche die Existenz räumlicher Freiheitsgrade im Fall
mehrerer Antennen stark verändert. Im weiteren Verlauf wird der
Einfluss der Nutzerzahl auf die Summenrate charakterisiert und für
den Fall einer Summenratenanforderung eine algorithmische Lösung
präsentiert, die ein sehr gutes Konvergenzverhalten auch für
Probleme mit vielen Nutzern und vielen Unterträgern aufweist.
Abschließend werden Möglichkeiten diskutiert die dualen
Optimierungsansätze im Fall exklusiver Unterträgervergabe für
Szenarien mit mehreren Antennen zu verallgemeinern.
| Freie Schlagwörter (deutsch): | OFDM , Mehrantennensysteme , Ressourcenvergabe | |
| Freie Schlagwörter (englisch): | OFDM , MIMO , resource allocation | |
| Institut: | Institut für Telekommunikationssysteme | |
| Fakultät: | Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik | |
| DDC-Sachgruppe: | Ingenieurwissenschaften | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Hauptberichter: | Boche, Holger (Dr.-Ing. Dr. rer.nat) | |
| Sprache: | Englisch | |
| Tag der mündlichen Prüfung: | 24.04.2008 | |
| Erstellungsjahr: | 2008 | |
| Publikationsdatum: | 15.05.2008 | |
| Lizenz: | Minimallizenz mit PoD (Print-on-Demand): Typ Dissertation |
