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Doctor's Theses (authored and supervised):

L. Marijanovic:
"Multiplexing Services in 5G New Radio: Optimal Resource Allocation based on Mixed Numerology and Mini-slot Approach";
Supervisor, Reviewer: S. Schwarz, M. Rupp, H. Arslan, J. Blumenstein; Institute of Telecommunications, 2021; oral examination: 2021-02-18.



English abstract:
In order to meet the diverse requirements imposed by a massive number of applications, the fifth generation (5G) New Radio (NR) Physical Layer (PHY) is designed to provide a highly flexible
framework. This flexibility is made possible through a scalable numerology. The term numerology refers to the PHY waveform parametrization and allows the use of different subcarrier spacings, symbol and slot durations. In addition to an efficient support of various service requirements, employing a scalable numerology allows a better adjustment of the PHY waveform to different channel conditions, providing more robustness against channel variations. Despite increased flexibility provided by multiplexing different numerologies, there is also a drawback
of this concept, i.e., Internumerology Interference (INI) caused by non-orthogonal subcarriers between different numerologies. In this thesis, a closed-form expression of INI is derived for both,
Cyclic Prefix (CP)-Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Universal Filtered Multicarrier (UFMC) as a possible beyond 5G technology. In addition to INI, interference induced
by doubly-selective channels as well as the channel estimation error are considered in this thesis. Considering a multi-user mixed numerology scenario under different channel conditions, a novel optimization algorithm for joint numerology and resource allocation is proposed in the thesis. The proposed algorithm is first represented by the optimal Integer Linear Programming (ILP) solution. In order to reduce the computational complexity for large scale scenarios with many users and/or large transmission bandwidth, several less complex methods are proposed. The tradeoff between the performance and complexity is also discussed.
To multiplex different applications within the same band and thereby enhance the adaptability of the PHY, Third Generation Partnership Project (3GPP) proposes the mini-slot concept in addition to the mixed numerology concept. Employing these two concepts, this thesis proposes novel optimization algorithms for the joint numerology and resource allocation considering both, different channel conditions and user requirements. Emphasis is, in particular, placed on the achievement of Low Latency (LL) communications. Furthermore, the impact of UFMC on the performance is also discussed.

German abstract:
Um den mannigfaltigen Anforderungen, die von einer Vielzahl an Anwendungen gefordert werden, gerecht zu werden, wurde die 5G NR PHY so gestaltet, dass sie ein äußerst anpassungsfähiges Framework
zur Verfügung stellt. Diese Anpassungsfähigkeit wird durch eine skalierbare Numerologie möglich gemacht. Der Begriff Numerologie bezieht sich auf die Parametrisierung der Wellenform
der physikalischen Schicht und erlaubt die Verwendung unterschiedlicher Subträger-Abstände und Symbol- sowie Slot-Dauern. Neben der effizienten Unterstützung diverser Anforderungen unterschiedlicher Dienste erlaubt eine skalierbare Numerologie auch eine bessere Anpassung der Wellenformen an verschiedene Kanalbedingungen, und bietet so größere Robustheit gegen Kanalschwaungen.
Trotz der erhöhten Flexibilität, die durch das Multiplexen von verschiedenen Numerologien erreicht wird, kommt dieses Konzept auch mit einem Nachteil. Dieser besteht in INI, welche durch
nicht-orthogonale Subträger zwischen den verschiedenen Numerologien verursacht wird. In dieser Arbeit wird ein geschlossener Ausdruck der INI hergeleitet, und zwar sowohl für OFDM als auch UFMC als potenzielle Nachfolger-Technologie in beyond 5G Funknetzen. Zusätzlich zur INI wird
auch die Interferenz und der Kanalschätzfehler, die bei doppelt selektiven Kanälen auftreten, in dieser Arbeit betrachtet.
Unter der Annahme eines Mehr-Benutzer Szenarios mit gemischter Numerologie und unter Betrachtung unterschiedlicher Kanalbedingungen wird in dieser Arbeit ein neuartiger Optimierungs- Algorithmus zur gleichzeitigen Zuteilung von Numerologie und Ressourcen (im Zeit-Frequenz Raster)
vorgestellt. Der vorgeschlagene Algorithmus wird zuerst durch die optimale ILP Lösung abgebildet.
Um die Berechnungskomplexität für ausgedehnte Szenarien mit vielen Benutzern und/oder großer Bandbreite zu verringern, werden mehrere weniger komplexe Methoden vorgestellt. Auch der
Kompromiss zwischen Performanz und Komplexität wird diskutiert.
Um unterschiedliche Anwendungen innerhalb des selben Bandes multiplexen zu können und somit die Anpassungsfähigkeit der PHY zu erweitern, schlägt das 3GPP ein Mini-Slot Konzept
zusätzlich zur gemischten Numerologie vor. Unter Anwendung dieser zwei Konzepte werden in dieser Arbeit neuartige Optimierungs-Algorithmen für die gleichzeitige Zuweisung von Numerologie
und Ressourcen unter der Berücksichtigung von einerseits unterschiedlichen Kanalzuständen und andererseits Benutzeranforderungen vorgestellt. Hierbei wird das Augenmerk insbesondere auf LL Kommunikation gelegt. Des Weiteren wird der Einfluss von UFMC auf die Performance diskutiert.

Keywords:
OFDM , optimal scheduling , physical layer , resource management , scalability , 5G mobile communication


Electronic version of the publication:
https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_295370.pdf


Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.