Priority aware frame packing for OFDMA systems in distributed permutation mode

Abstract

ABSTRACT: As of today the two candidates for 4G which has been commercially deployed are the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) standard 802.16e (“Mobile WiMaX”) and the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard Long Term Evolution (LTE-Advanced). Both standards make use of Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) as their downlink modulation schemes and allocations for users must be carried out using both time and frequency (sub-channels vs. symbols). In this thesis we focus on the IEEE 802.16e in Partially Used Sub-Carrier (PUSC) mode which is taking advantage of frequency diversity. For each 5 milliseconds frame, the data for different users must be placed into the DL part of the frame based on the decision of a scheduler. Once the scheduling is complete a packing algorithm will then try to fit all requests into the frame considering channel quality, selecting Modulation and Coding Scheme (MCS) and deciding on the number of bytes per slot per burst. The empirical channel model adopted in the thesis is the COST 231 extended version of the Hata model using 2360-2370 MHz band. All simulations were done using the MATLAB platform and writing dedicated functions for each task. We consider an urban microcell environment and assume that based on the traffic characteristics the admission control module has admitted 20 connections. The cell coverage area was assumed to be circular with a diameter of 4 km. The starting values of the radial distance (in meters) of the mobile stations in the cell were determined using varieties drawn from a uniform distribution in the range 100-2000 meters. Then, for the future frames, the position of each Mobile Station (MS) was re-calculated assuming a vehicular speed chosen uniformly between 0-60 km/h either towards or away from the Base Station (BS). First, the well-known Enhanced One Column Stripping with Non-Increasing Area First Mapping (eOCSA) algorithm was used for packing and then a novel packing algorithm making use of priority aware packing was proposed to extend the eOCSA in order to get a more efficient packing algorithm. In the priority-aware extended eOCSA algorithm each user was given a priority number between 1 and 6. When the number is 1 or 2, the user’s bursts are assumed to be “low-priority”, and when it is between 3 and 6, the bursts are considered to be “high-priority.” The priority-aware packing algorithm would first pack the bursts in the high-priority class and then would move on to the ones in the low-priority class. If a burst cannot be fitted into a frame, its priority number would be increased (by one unit) in an attempt to upgrade its class in the next frame. That way, the leftover bursts would be progressively given higher priority numbers in upcoming frames. If the priority number associated with a burst become larger than 6, the algorithm would drops that burst. To show the effectiveness of the newly proposed priority aware packing algorithm we compared the average percentage of unallocated burst in our proposed algorithm against that of eOCSA which was obtained using 6 seconds worth of simulation (1200 frames) for the 100 times the simulation was repeated. Keywords: SOFDMA; WiMaX; PUSC; eOCSA; Priority-Aware eOCSA. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ÖZ: 4G’nin ticari olarak işletime konan iki adayı Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE) standardı 802.16e (mobil WiMaX) ve 3. Nesil Ortaklık Projesi (3GPP) standardı Uzun Süreli Evrim dir (LTE-İleri Düzey). Bu standartların ikisi de aşağı bağlantı kiplemesi olarak Dikgen Frekans Bölmeli Çoklu Erişimini (OFDMA) kullanmakta ve özgüleme hem zaman hem de frekansda (alt kanallara karşı semboller) yapılmaktadır. Bu tez, frekans çeşitliliğini avantaj olarak kullanan Kısmi Kullanılmış Alt Taşıyıcı (PUSC) modundaki IEEE 802.16e üzerinde yoğunlaşmaktadır. Farklı kullanıcılara ait veriler çizelgeleyicinin kararına göre beş mili saniye aralarla olan çerçevelerin aşağı bağlantı bölümüne yerleştirilmelidir. Çizelgeleme sona erdikten sonra, bir yerleştirme algoritması kanal kalitesini göz önünde bulundurarak, Modülasyon Kodlama Düzenini (MCS) seçerek ve dilim başına düşen bayt sayısını belirleyerek bütün istekleri çerçeveye sığdırmaya çalışacaktır. Bu tezde kullanılan ampirik kanal modeli, 2360-2370 MHz bandını kullanan Hata modelinin geliştirilmiş bir versiyonu olan COST 231’dir. Tüm benzetimler MATLAB platformunu kullanarak ve her görev için özel fonksiyonlar yazarak gerçekleştirilmiştir. Benzetimler kentsel makrohücre ortamı ve 20 kullanıcı varsayımı ile elde edilmiştir. Hücre kapsama alanının 4 km çapında ve dairesel olduğu varsayılmış ve düzgün dağılımdan elde edilen rastgele değerlerle (100-2000 metre arası bir değer alacak şekilde) hücredeki mobil istasyonların radyal mesafeleri belirlenmiştir. Daha sonra, gelecekteki çerçeveler için her Mobil İstasyonun (MS) pozisyonu taşıt hızı Baz İstasyonundan (BS) yada Baz İstasyonuna doğru saatte 0-60 km olarak tahmin edilerek yeniden hesaplanmıştır. İlk olarak, yoğunlaşma sağlamak için iyi bilinen eOCSA algoritması kullanılmış ve daha sonra de daha etkin bir yoğunlaşma sağlayacak ve önceliklerin farkında olan eOCSAin geliştirilmiş bir versiyonu önerilmiştir. Başlangıçta önceliklerin farkında olan genişletilmiş eOCSA algoritması her kullanıcıya 1 ve 6 arasında bir öncelik sayısı vermiştir. Bu sayı 1 veya 2 olduğunda kullanıcıların önceliğinin "düşük "; 3 ve 6 arasında olduğunda ise “yüksek" olduğu varsayılmıştır. Öncelik-farkındalığı olan algoritma ilk olarak yüksek öncelikli patlamaları yoğunlaştırmaya başlamakta ve daha sonra düşük öncelikleri olanlara geçmektedir. Bir patlamanın çerçeveye yerleştirilememsi durumunda bir sonraki çerçevede sınıfının yükseltilmesi amacı ile bu patlamaların öncelik sayısı bir birim artırılmıştır. Bu sayede, artık patlamalara bir sonraki çerçeveler için kademeli olarak daha yüksek öncelik numaraları verilmektedir. Bir patlama için verilen öncelik sayısı 6’yı aştığında ise bu patlama düşürülmektedir. Yeni önerilen ve öncelik farkındalığı olan algoritmanın etkinliğini göstermek amaçlı 100 kez tekrarlanan 6 saniyelik (1200 çerçeve) benzetimler gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar ve eOCSA için patlamaları yoğunlaştıramama avaraj yüzdelik değerleri karşılaştırılmıştır. Anahtar kelimeler: SOFDMA; WiMaX; PUSC; eOCSA; Priority-Aware eOCSA.