Introducción OFDMA

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OFDMA es un método eficiente de acceso múltiple que ha ganado popularidad para ser adoptado en las redes inalámbricas de las futuras generaciones por su alta eficiencia espectral. Es capaz de obtener un gran beneficio al utilizar la información de la diversidad de multi-usuario si la asignación dinámica de los recursos es bien aprovechada. Por esta razón mucho esfuerzo científico ha sido invertido en desarrollar algoritmos novedosos de asignación de canal, bit, y potencia que obtengan configuraciones optimas o cercanas al optimo, de forma que OFDMA sea una técnica de modulación prometedora para los próximos estándares de comunicación.

-Ahmadi, H. & Chew, Y.H., 2009. Adaptive subcarrier-and-bit allocation in multiclass multiuser OFDM systems using genetic algorithm.

La solución al problema de asignación de recursos en OFDMA ha sido comúnmente separado en dos categorías conocidas en ingles como: Margin Adaptive (MA) y Rate Adaptive (RA).

-A Low Complexity Algorithm for Proportional Resource Allocation in OFDMA Systems.

Donde el objetivo de MA es minimizar la potencia utilizada para la comunicación en todos los canales, con la restricción de que cada usuario alcance una tasa de transferencia requerida. En cambio, RA busca que la tasa de trasferencia del sistema sea maximizada teniendo en cuenta un limite en la potencia total permitida. Ambas estrategias juegan con la asignación de los canales disponibles en el sistema para ser asignados a los usuarios (Channel Allocation), y la potencia (o modulación) con la que se trasmitirá en cada canal.

Cuando la potencia es ajustada con el objetivo de maximizar la capacidad teórica de la trasmisión el problema es conocido como Asignación de Potencia (Power Allocation), es un problema con variables que pertenecen a los reales. En cambio si se considera que cada canal puede ser modulado unicamente en un conjunto de tipos de modulación, los cuales cada uno tienen un numero de bits por símbolo (usualmente 1,2,4,8), entonces el problema se vuelve un problema combinatorio, donde las soluciones están compuestas por un vector de variables discretas, este problema es conocido como Modulación Adaptativa (Adaptive Modulation). Power/Modulation

En MA todos los usuarios en el sistema obtienen al menos la tasa de transferencia que requieren, ya que esta es una restricción del problema. En cambio en RA se tiene un potencia disponible, conocida como el presupuesto de potencia (Power Budget), y el sistema asigna canales con su potencia/modulación para los usuarios, de forma que la suma de las trasferencias de todos los canales sea máxima.

La solución optima utilizando Asignación de Potencia en RA es bien conocida, basta con utilizar potencias equitativas (Equal Power Allocation) y asignar cada canal unicamente al usuario que obtenga la mayor tasa de transferencia al hacer uso del mismo, esto puede calcularse conociendo la información del estado del canal (Channel State Information), la potencia utilizada en el canal, el ancho de banda y el nivel de ruido (comúnmente igual para todos los canales).

-Jang, J., Member, S. & Lee, K.B., 2003. Transmit Power Adaptation for Multiuser OFDM Systems.

El trabajo de Jang demuestra que asignar cada canal a un único usuario, el que mejor lo aprovecha es la configuración optima, ademas que la asignación de potencias fijas idénticas no tiene un rendimiento significantemente menor en comparación con la asignación de potencia utilizando el bien conocido algoritmo watter fillign. Otro aspecto importante es que con forme el numero de usuarios aumenta, entonces la diversidad de multi-usuarios también, por lo que la tasa de trasferencia del sistema aumenta también. Aunque esto podría considerarse un punto positivo conlleva un problema conocido como hambruna de recursos, ya que puede ser que a algunos usuarios no les sea asignado ningún recurso, ya que el RA no tiene ninguna restricción al respecto.

Es por ello que esta solución optima no es utilizada, ya que obtener altas tasas de trasferencia de datos a costa de dejar sin servicio a los usuarios no es benéfico para los operadores. referencia Una solución a la hambruna es considerar la equidad en la distribución de los recursos. Sin embargo considerar la equidad no es simple ya que asignar el mismo numero de recursos para cada usuarios no resulta en velocidades de trasmisiones iguales debido a la naturaleza del desvanecimiento a la que se encuentren expuestos. Este tema es abordado en la sección de Equidad en OFDMA.

Finalmente el problema se considera como un problema de optimización con alta complejidad, perteneciente al grupo de problemas NP-Hard. Debido a esto se considera el problema como intratable, por lo que no existe una solución determinista y enumerar todas las soluciones para encontrar el óptimo es virtualmente imposible en un tiempo coherente. Formas eficientes de asignar los recursos han sido ampliamente investigadas y desarrolladas en los ultmos años, en general todas las propuestas para generar asignaciones dinámicas en OFDMA se van en uno de los 3 diferentes métodos:

• Relajando la restricción de asignación de bit enteros, o la asignación única del canal a un usuario. Pos–procesamiento es requerido después de obtener los resultados para llegar a una solución aplicable.
• El problema se divide en dos etapas, primero a cada terminal se le asigna un numero de sub–portadoras (sub–carrier allocation), luego las sub–portadoras especificas son asignadas a los usuarios, formando los pares sub–portadora usuario.
• Es resolver los problemas de rate adaptive o margin adaptive con heurísticas mayormente basados en algoritmos de ordenamiento.

-Dynamic Mechanisms in OFDM Wireless Systems: A Survey on Mathematical and System Engineering Contributions 2006

En la sección del Estado del Arte se analízan diversos estudios relacionados en el tema, y se mencionan sus principales contribuciones.