Resource allocation for mobile networks

High data rate, heterogeneous networks, energy efficiency are some of the trademarks of the current era of cellular communications. In order to fulfill these requirements, the cellular resources allocation, including scheduling and power control, has been subject of extensive study for years. This thesis presents some solutions and techniques in the field of resource allocation for the modern generations of cellular networks technologies. Achieving high data rates, energy efficiency, quality of service and latency poses contrasting and challenging problems. Here we have worked on these performance indicators for different applications. First, we introduce the general concepts related to users' rate limit and global optimization techniques, which will be helpful in the resource allocation research. Then we are going to study resource allocation techniques for device to device communication and narrow band Internet of things. The thesis includes the main contributions in the following topics: - A study on the maximum achievable Signal-to-Interference and Noise Ratio (SINR) by the users of cellular systems, with an investigation on the trade-off between strategies for the achievement of the maximum rate and fairness, related to the position of the users in the cell. In general, this part covers the rate limit issue of the users, which will guide us during more general applications of resource allocation. We use the study on the users' rate limit in order to introduce a power allocation technique for reuse one in cellular systems and a scheduling strategy for device to device communication within the context of narrow band Internet of things. - Fast global optimization techniques: we present some modifications on an existing optimum global optimization technique in order to reduce the computational complexity. This will pose some trade-offs on the accuracy but it will work as a more efficient benchmark for our allocation techniques. - The resource allocation problem for narrow band Internet of things devices: in the current standard, new resource units are introduced for the narrow band Internet of things devices and there are different requirements and operating conditions for these devices. This has led to new considerations for the resource allocation process and novel solutions. - A study on strategies for the power allocation in decentralized device to device (D2D) communication with possible applications in D2D discovery process and broadcast communications. Therefore, the achievements in this work regard current challenges and research issues in the context of resource allocation, from different perspectives and for different applications. From a quantitative point of view, the key results can be listed as follows: - With respect to power allocation strategies, by introducing a hybrid power control for macro cells we managed to have increase in the throughput of edge users and a reduction in the transmission power over conventional power allocation techniques. Using the achieved trade off a good overall cell performance can be maintained, at the same time the cell edge rate is more than doubled w.r.t.the minimum and also the average power consumption is reduced of a factor around 5 dB. - W.r.t. the global optimization technique, the calculation time has been reduced of a factor around 20, while keeping the accuracy higher than 99%. - W.r.t. NB-IoT resource allocation, by introducing specific repetition mechanisms the packet drop rate went down from 29 % to 1.6 %. Furthermore, by using the MAPEL algorithm, we have decreased the power consumption by 3 dB and doubled the throughput in case of high number of devices. - W.r.t. device to device communication, a proper scheduling of the users in case of coexistence between device to device communication users and cellular users allows a rate improvement between 10% and 15% is achieved.

Elevata velocità di trasmissione dati, reti eterogenee, efficienza energetica sono alcuni degli elementi distintivi dell'era attuale delle comunicazioni cellulari. Al fine di soddisfare questi e altri requisiti, l'allocazione delle risorse nei sistemi cellulari, come ad es. la potenza e i canali, deve essere studiata nei minimi dettagli. Questa tesi presenterà algoritmi e tecniche di allocazione delle risorse per le moderne generazioni di reti cellulari. Raggiungere gli obiettivi di alta velocità, efficienza energetica, qualità del servizio e minima latenza pone problemi contrastanti e impegnativi. In questo lavoro, abbiamo studiato questi indicatori di prestazioni e le relative strategie in differenti contesti applicativi. Inizialmente introdurremo uno studio fondato su un approccio generale, riguardante il limite minimo di traffico degli utenti e tecniche di ottimizzazione globale, che saranno di aiuto nella ricerca su applicazioni successive. Quindi studieremo l'allocazione delle risorse, in particolare per la comunicazione da dispositivo a dispositivo (D2D) e Internet delle cose (IoT). La tesi comprende i principali contributi nei seguenti argomenti: - Uno studio sul massimo rapporto segnale / rumore (SINR) raggiungibile dagli utenti in un sistema cellulare, con una ricerca sul compromesso tra strategie per il raggiungimento della massima velocità di trasmissione e la loro relazione con la posizione degli utenti nella loro cella. In generale questa parte dello studio considera il limite di velocità degli utenti, che condizionerà l'allocazione delle risorse degli utenti. Useremo lo studio sul limite di velocità degli utenti al fine di introdurre una tecnica di controllo della potenza per un riuso unitario nel sistema cellulare e una strategia di allocazione per la comunicazione da dispositivo a dispositivo all'interno di un contesto IoT (NB-IoT). - Tecniche di ottimizzazione globale a maggiore efficienza computazionale: presenteremo una serie di modifiche su una tecnica di ottimizzazione globale ottimale già esistente, al fine di ridurre la complessità computazionale. Questo approccio ridurrà in parte l'accuratezza ma funzionerà in modo più efficare per fornire un punto di riferimento ragionevole alle nostre tecniche di allocazione. - Allocazione delle risorse per i dispositivi IoT a banda stretta. Nello standard attuale, viene introdotta una nuova unità di allocazione per le risorse e inoltre sono introdotti diversi requisiti e condizioni operative per questi dispositivi. Tutto ciò porta a nuove considerazioni per il processo di allocazione delle risorse. - Uno studio per le strategie di allocazione della potenza nella comunicazione decentralizzata D2D con possibili applicazioni nella comunicazione broadcast e nel processo di ricerca e sincronizzazione. Pertanto i risultati di questa tesi riguardano le principali sfide della ricerca nel contesto dell'allocazione delle risorse radio, da differenti prospettive e per differenze applicazioni. Da un punto di vista quantitativo, i risultati principali possono essere elencati come segue: - rispetto alle strategie di allocazione, l'introduzione di un meccanismo di controllo di potenza ibrido per le macro-celle ha permesso di avere un incremento nel traffico negli utenti a bordo cella e una riduzione della potenza di trasmissione. Usando questa nuove strategie di compromesso, può essere mantenuta un'eccellente capacità di traffico globale nella cella raddoppiando, al tempo stesso, la prestazione a bordo cella. Anche il consumo medio di potenza risulta attenuato di un fattore intorno ai 5 dB. - Rispetto alla tecnica di ottimizzazione globale (MAPEL), il tempo di calcolo è stato ridotto di un fattore 20, mantenndo l'accuratezza intorno al 99%. - Nel contesto dell'allocazione delle risorse nei sistemi NB-IoT, introducendo specifici meccanismi per la ripetizione dei pacchetti, la perdita dei pacchetti è stata ridotta dal 29 % al 1.6 %. Inoltre, usando l'algoritmo MAPEL, abbiamo ridotto il consumo di potenza di circa 3 dB, e raddoppiato il traffico in caso di alto numero di dispositivi. - Nella comunicazione D2D, un'appropriata strategia di "scheduling" degli utenti in caso di coesistenza con gli utenti di della standard ha permesso un incremento del traffico dati tra il 10% e il 15%.