Τεχνικές αποσυμφόρησης και βελτιστοποίησης δικτύων κινητών επικοινωνίας 2ης, 3ης γενιάς και ασύρματων τοπικών δικτύων WLAN

Abstract

At the recent years the telecommunication demands of people and the personal computers, have met a spectacular increase. As a result, this extremely growth on telecommunication resources have led to a rapid technological development on wire and wireless networks. The introduction of mobile telecommunication has a lot of effects on the human’s life and social customs. The penetration of mobile telephony in the global telecommunication market, has already overcome all the initial expectations. The number of mobile subscriptions have already overcome the number of that on fixed telephony. The results of this enormous growth is that the number of subscribers and services becomes bigger and bigger. On the other, we have a corresponding development on mobile networks but it is not adequate and the modem networks faces up various capacity problems, like congestion and lack of QoS. In mobile telecommunication networks, dimensioning is a very difficult and sophisticated procedure. The engineers have to design networks that have the appropriate radio coverage but also the adequate radio resources in order to provide all the services with guarantee QoS. In this way the end user of the network will utilize various services without problems. For example for the voice service the call blocking probability will be low, which means that the probability a user to demand a voice service and its request to be rejected is low. On the other hand, it is well known that the scarce radio spectrum provide a limited number of telecommunication resources. Thus, the engineer has to utilize it, with efficiency, like as perform dense frequency reuse while we keep the interferences level as low as possible. Another problem, that the mobile networks have, is that it is not possible to predict the number of users in a determined geographical area, something that it is possible in fixed networking. As well as the new generation mobile networks support a wide variety of services. We have the circuit switch service like the conventional voice service, fax and multi-channel data services (HSCSD) and on the other hand the broadband packet switched services like video conference, broadband data services, multimedia and TV streaming. Especially, the latest introduced services have extremely bandwidth demands. The boom on these services has not been followed from a corresponding growth on the radio resource management techniques. Thus, there is a lack of dynamic and efficient congestion avoidance mechanisms, which leads frequently the mobile networks to be congested especially during busy hours or under emergency situations like earthquake etc. For these reasons the mobile providers become recipients of bad review from user that demands high QoS on their services according to service provision contracts. The modem mobile networks have radio resource management mechanisms in order to face up congestion situations. But because they are not dynamic and demand, an already optimized network, in order to perform the expected results. For this reason it is imperative challenge and need to invent new dynamic, reconfigurable and efficient radio resource management techniques that with the cooperation of a network monitoring element, will be capable to face up all congestion scenarios. For this reason, the objective of this doctoral study is to invent and study innovative and dynamic radio resource management techniques for mobile networks of 2nd and 3rd generation as such for the wireless local networks like IEEE 802.11 networks. In this work, we present novel techniques, which have as target the dynamic alteration of the dominance areas of congested base stations, in order to achieve uniformly user distribution along the mobile network. These kind of techniques could be implemented in all Radio Access Technologies (RATs). Also, we present a congestion avoidance mechanism which could be implemented on all infrastructure RATs. This mechanism aims to broadcast via system information of each base station supplementary information about the traffic status, which are going to be evaluated in the cell resection mechanism. All the techniques are tested and evaluated in real networks (WLAN) and test beds for GSM 900, DCS 1800 and UMTS. Also, we present results from simulations with state of the art radio planning tools like ASTRDC for GSM 900, DCS 1800 and UMTS networks. Suggestively, we are going to present the following techniques: • Bandwidth reservation (GSM 900 - DCS 1800, UMTS) • Dynamic cell resizing with dynamic alteration of cell reselection criteria (GSM 900 - DCS 1800, UMTS, WLAN) • Dynamic cell resizing with the minimum Rx Level modification (GSM 900 - DCS1800, UMTS) • Dynamic modification of BCCH frequency list (GSM 900 - DCS 1800, UMTS) • Utilization of multiple BCCH TRXs (GSM 900 - DCS 1800, UMTS) • Congestion avoidance mechanism (GSM 900 - DCS 1800, UMTS, WLAN). All the radio resource management techniques and the congestion avoidance mechanism are being deployed during this work and for first time in the literature.

Τα τελευταία χρόνια, οι τηλεπικοινωνιακές απαιτήσεις των ανθρώπων, αλλά και οι δικτυακές απαιτήσεις των ηλεκτρονικών υπολογιστών γενικά, έχουν γνωρίσει θεαματική αύξηση. Αποτέλεσμα αυτής της εκρηκτικής τηλεπικοινωνιακής ζήτησης, είναι η ραγδαία τεχνολογική ανάπτυξη των ενσύρματων και ασύρματων δικτύων. Η εισαγωγή των κινητών επικοινωνιών επέφερε σημαντικότατες αλλαγές στην ζωή και στις κοινωνικές συνήθειες των ανθρώπων. Η διείσδυση της κινητής τηλεφωνίας στην παγκόσμια αγορά τηλεπικοινωνιών, έχει ξεπεράσει κατά πολύ τις αρχικές προσδοκίες. Ο αριθμός των συνδρομητών στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών έχει ήδη ξεπεράσει κατά πολύ αυτών της σταθερής τηλεφωνίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο ρυθμός εισαγωγής χρηστών αλλά και υπηρεσιών στα ασύρματα δίκτυα να είναι ραγδαίος, που παρά την αντίστοιχη ανάπτυξη και επέκταση των δικτύων, η αυξημένη ζήτηση σε τηλεπικοινωνιακούς πόρους, να οδηγεί συχνά τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών, σε καταστάσεις συμφόρησης. Στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, η διαστασιοποίηση (dimensioning) του δικτύου είναι μια πολύ δύσκολη και χρονοβόρα διαδικασία για τον σχεδιαστή, ο οποίος θα πρέπει να αναπτύξει ένα δίκτυο, το οποίο όχι μόνο θα παρέχει επαρκή ραδιοκάλυψη αλλά και εξασφαλισμένη ποιότητα QoS στις διάφορες υπηρεσίες. Αυτό εξασφαλίζει ότι θα απολαμβάνει τις υπηρεσίες χωρίς προβλήματα, όπως π.χ. επιτυχή διεκπεραίωση όλων των κλήσεων, χωρίς αποτυχημένες προσπάθειες και καθυστερήσεις. Όπως είναι γνωστό η ραδιοπόροι είναι αρκετά περιορισμένοι σε αριθμό στα κυψελωτά δίκτυα, καθώς επίσης είναι και πανάκριβη η άδεια απόκτησης τους. Έτσι, ο μηχανικός θα πρέπει να αξιοποίηση των διαθέσιμο αριθμό καναλιών με αποδοτικότητα, όπως συχνή αναχρησιμοποίηση των πόρων χωρίς όμως να δημιουργούνται επιβλαβής παρεμβολές. Επίσης, είναι τέτοια η φύση των δικτύων κινητών επικοινωνιών, που ποτέ δεν μπορείς να εγγυηθείς την απόλυτη παροχή τηλεπικοινωνιακών πόρων, σε αντίθεση με ένα σταθερό τηλεφωνικό δίκτυο, στο οποίο υπάρχει η πληροφορία, του μεγίστου αριθμού χρηστών που αναμένονται ανά πάσα στιγμή, σε μια γεωγραφική περιοχή. Φυσικά, αυτό δεν μπορεί να γίνει σε ένα δίκτυο κινητών επικοινωνιών, διότι ο αριθμός των χρηστών γεωγραφικά μπορεί να αλλάξει δραματικά. Ένα επιπρόσθετο χαρακτηριστικό είναι, ότι τα νέας γενιάς δίκτυα κινητών επικοινωνιών υποστηρίζουν ένα μεγάλο πλήθος υπηρεσιών, άλλες υποστηριζόμενες πάνω από υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος CS (circuit switch) και άλλες πάνω μεταγωγή πακέτου (packet switch) PS. Αυτό οδήγησε στην εισαγωγή υπηρεσιών που έχουν μεγάλη απαίτηση σε δικτυακούς πόρους, όπως η αποστολή και λήψη MMS, mobile TV, videoconference κλπ. Αυτή η εκρηκτική ανάπτυξη νέων υπηρεσιών δεν έχει ακολουθηθεί από ανάλογη έρευνα και ανάπτυξη στο τομέα των τεχνικών διαχείρισης των ραδιοπόρων. Επιπρόσθετα δεν υπάρχουν ευφυείς και δυναμικοί μηχανισμοί - τεχνικές επίλυσης της συμφόρησης στα δίκτυα. Αυτή η έλλειψη, από τα σύγχρονα δίκτυα, οδηγεί στο να παρατηρούνται αρκετά συχνά προβλήματα, κατά τις ώρες αιχμής, σε περιπτώσεις κοινωνικών - αθλητικών εκδηλώσεων αλλά ειδικά σε καταστάσεις έκτακτων αναγκών - φυσικών καταστροφών (π.χ. σεισμοί), στις οποίες η επικοινωνία είναι πολύ σημαντική. Αυτό όπως είναι φυσικό μειώνει κατακόρυφα την ποιότητα των υπηρεσιών που παρέχονται, QoS στους χρήστες, μ’ αποτέλεσμα οι εταιρίες παροχής κινητών επικοινωνιών να γίνονται αποδέκτες αρνητικών σχολίων από τους πελάτες τους. Τα σύγχρονα δίκτυα έχουν κάποιους μηχανισμούς και τεχνικές για τη καλύτερη αξιοποίηση των πόρων του δικτύου, που όμως δεν είναι δυναμικές και απαιτούν ένα πλήρως βελτιστοποιημένο δίκτυο για να επιφέρουν τα αναμενόμενα. Έτσι προκύπτει η επιτακτική ανάγκη για την δημιουργία νέων τεχνικών και δυναμικών μηχανισμών, που σε συνεργασία με μια πλατφόρμα συνεχής παρακολούθησης του δικτύου (network monitoring), να εφαρμόζει δυναμικά τις τεχνικές, έτσι ώστε να επιλύονται γρήγορα και αποτελεσματικά τα προβλήματα συμφόρησης. Βάση όλων αυτών, αντικείμενο αυτής διδακτορικής διατριβής, είναι η επινόηση και μελέτη τεχνικών βελτιστοποίηση και αποσυμφόρησης σε κυψελωτά δίκτυα 2ης, 3ης καθώς για τα ασύρματα τοπικά δίκτυα IEEE 802.11x γνωστά και σαν WLANs. Σε αυτήν την εργασία, γίνονται καινοτόμες προτάσεις για την εισαγωγή νέων μηχανισμών, που έχουν σαν σκοπό την δυναμική μεταβολή των περιοχών κυριαρχίας των σταθμών βάσεων, για την επίτευξη ομοιόμορφης κατανομής των χρηστών στο δίκτυο και αποφυγής καταστάσεων συμφόρησης. Επίσης, προτείνεται ένας μηχανισμός αποφυγής καταστάσεων συμφόρησης που βασίζεται στην ιδέα, ότι κάθε σταθμός βάσης πρέπει να εκπέμπει προς όλα τα τερματικά κινητά, εκτός από τις πληροφορίες του συστήματος και στοιχεία για την διαθεσιμότητα των τηλεπικοινωνιακών του πόρων. Όλα αυτά θα συνυπολογίζονται σε ένα νέο μηχανισμό επιλογής κυρίαρχου σταθμού βάσης. Σημειώνεται, ότι οι παραπάνω τεχνικές καθώς και οι άλλες που θα αναφερθούν, μπορούν να εφαρμοστούν σε όλα τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών. Η μελέτη και η ανάπτυξη των τεχνικών γίνεται τόσο σε θεωρητικό όσο και πρακτικό επίπεδο, με την εφαρμογή τους σε πραγματικά δίκτυα WLAN (δίκτυο WonderLANd που καλύπτει το NTUA campus) άλλα και σε πλατφόρμες δοκιμών (testbed) 2ης και 3ης γενιάς, που παραχωρήθηκαν από την COSMOTE. Τα αποτελέσματα των δοκιμών σε πραγματικές συνθήκες, συνοδεύονται και με αποτελέσματα από την χρήση εξομοιωτών ραδιοκάλυψης και άλλων εργαλείων (ASTRIX για δίκτυα GSM 900, DCS 1800 και UMTS, WinProp για WLAN), όπως και χρήση ειδικών τερματικών με εξειδικευμένο λογισμικό για μηχανικούς (net monitor), έτσι ώστε να γίνονται πιο κατανοητές ορισμένες λειτουργίες πάνω στις οποίες επιδρούν οι τεχνικές. Οι τεχνικές αποσκοπούν στη βελτιστοποίηση της χρήση των ραδιοπόρων και την ελαχιστοποίηση της πιθανότητα απώλειας μιας κλήσης. Οι βασικές δικτυακές λειτουργίες στις οποίες επιδρούν οι τεχνικές είναι ο μηχανισμός επιλογής του κυρίαρχου σταθμού βάσης (cell reselection), έτσι ώστε όπως αναφέραμε, να γίνεται ομοιόμορφη κατανομή των χρηστών στο δίκτυο, καθώς και η εκπομπή από του σταθμούς βάσης κρίσιμων πληροφοριών τηλεπικοινωνιακής κίνησης του συστήματος ανά κυψέλη, έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένας μηχανισμός πρόληψης καταστάσεων συμφόρησης. Ενδεικτικά κάποιες από τις τεχνικές, που θα εξεταστούν είναι: • Κράτηση φάσματος • Dynamic cell resizing with dynamic alteration of cell reselection criteria (GSM 900 - DCS 1800, UMTS, WLAN) • Dynamic cell resizing with the minimum Rx Level modification (GSM 900 - DCS 1800, UMTS) • Τροποποίηση της λίστας των BCCH συχνοτήτων, εξαιτίας δικτυακής συμφόρησης (GSM 900 - DCS 1800, UMTS, WLAN) • Χρήση πολλαπλών BCCH πομποδεκτών (GSM 900 - DCS 1800, UMTS) • Μηχανισμός αποφυγής και πρόληψης συμφόρησης σε δίκτυα (GSM 900 - DCS 1800, UMTS, WLAN). Πρέπει να σημειωθεί, ότι οι παραπάνω τεχνικές αποσυμφόρησης δεν αναφέρονται σε προηγούμενη βιβλιογραφία και αναπτύχθηκαν αποκλειστικά κατά τη διάρκεια αυτής της διδακτορικής διατριβής.