Θέματα διαχείρισης πόρων, έλεγχος αποδοχής κλήσεων και αξιολόγηση επίδοσης σε ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα επικοινωνιών

Abstract

The present thesis, deals with a number of issues related to Resource Management, Call Admission Control and the Performance Evaluation of the proposed schemes in order to provide Quality of Service (QoS) in broadband wireless communication networks. The research work presented in this thesis, takes into account die technical standards and specifications that have been proposed during last years for wireless networks, emphasizing on cellular communication systems that are widely adopted. Chapter 1 provides a general overview of the recent and future developments of wireless communications technologies, referring also to the relevant resource management issues of each one. The second chapter emphasizes on studying the QoS provision mechanisms, which are necessary for the optimum exploitation of the network resources and the support of emerging applications belonging to different service classes. Furthermore, the most widely accepted network services models are presented along with the appropriate resource management architectures that are expected to offer the required solutions for efficient QoS provision in wireless networks. In chapter 3, a thorough survey of the schemes that have been proposed in the literature to deal with resource management and especially call admission control in wireless networks is performed. Subsequently, novel call admission control schemes for broadband wireless networks are presented, concentrating mainly to the models of the probabilistic call admission control schemes. The probabilistic call admission control schemes proposed, aim at controlling gradually the telecommunication traffic in order to enhance network performance and to improve resource utilization. The proposed schemes, that take into account the current network conditions, aim at providing and guaranteeing the requested QoS to the service classes supported. The study of the proposed schemes is performed employing the Markov chain theory, providing analytical expressions for the call blocking probabilities evaluation. Moreover, simulation results are provided to validate the accuracy of the proposed model, employing also different distributions for the channel holding time. Then, in chapter 4 the performance evaluation of the proposed probabilistic call admission control schemes is performed. The evaluation is based on new criteria and metrics, in order to assess the performance of the priority assigning mechanism among the different service classes supported, fairness and network throughput. In the fifth chapter, the probabilistic approach is extended by developing an appropriate optimization technique based on game theory. The game theoretic framework developed for resource allocation and price bargaining for the required resources is integrated to the call admission control scheme providing efficient dynamic operation and capability enhancement. The optimization ameliorates the dynamic structure and the performance of the proposed scheme, demonstrating significant improvement under heavy traffic load conditions. Finally, in chapter 6 the main conclusions of our research work are deduced, stressing out the most essential points of our contribution, providing also certain future research directions.

Στην παρούσα διατριβή, κύριος στόχος αποτελεί η μελέτη των θεμάτων της Διαχείρισης Πόρων και του Ελέγχου Αποδοχής Κλήσεων σε συνδυασμό με την Αξιολόγηση Επίδοσης των σχετικών αλγορίθμων με στόχο την παροχή ποιότητας υπηρεσίας (QoS) σε ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα επικοινωνιών. Η έρευνα που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή λαμβάνει υπόψη τις προδιαγραφές των τεχνικών προτύπων και τις εξελίξεις που δημιουργήθηκαν τα τελευταία χρόνια για τα ασύρματα δίκτυα δίνοντας έμφαση στα κυψελωτά τηλεπικοινωνιακά συστήματα που γνωρίζουν μεγάλη απήχηση. Στο 1° κεφάλαιο της διατριβής παρέχεται μια γενική παρουσίαση των τεχνολογιών ασυρμάτων επικοινωνιών με ειδικές αναφορές στα ειδικά προβλήματα διαχείρισης πόρων κάθε μιας. Στο 2° κεφάλαιο δίνεται έμφαση στη μελέτη και περιγραφή των μηχανισμών παροχής ποιότητας υπηρεσίας με ιδιαίτερο βάρος στις παραμέτρους QoS που προδιαγράφονται, με στόχο τη βέλτιστη εκμετάλλευση του πόρων του δικτύου και την υποστήριξη των διαρκώς αναπτυσσόμενων πολλαπλών κλάσεων υπηρεσιών. Έπειτα παρουσιάζονται τα επικρατέστερα μοντέλα δικτυακών υπηρεσιών σε συνδυασμό με τις κατάλληλες αρχιτεκτονικές που αναμένονται να προσφέρουν τις αναγκαίες λύσεις για την παροχή QoS. Στα πλαίσια του 3ου κεφαλαίου γίνεται εκτενής επισκόπηση και μελέτη στη διεθνή βιβλιογραφία για την επίλυση του σχετικών προβλημάτων και ειδικότερα των αλγορίθμων που έχουν ήδη προταθεί. Στη συνέχεια, προτείνονται αλγόριθμοι ελέγχου αποδοχής κλήσεων για ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα επικοινωνιών που βασίζονται στην ανάπτυξη των μοντέλων πιθανοτικού ελέγχου αποδοχής κλήσεων. Οι πιθανοτικοί αλγόριθμοι ελέγχου αποδοχής κλήσεων που προτείνονται έχουν ως στόχο τον προοδευτικό έλεγχο της ροής τηλεπικοινωνιακού φορτίου κάθε τύπου με σκοπό την αύξηση της απόδοσης του δικτύου και τη βέλτιστη χρήση των διατιθέμενων πόρων. Οι νέοι προτεινόμενοι αλγόριθμοι οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου αποσκοπούν στην εξασφάλιση της παροχής QoS στις υποστηριζόμενες κλάσεις υπηρεσιών. Η μελέτη των προτεινόμενων αλγορίθμων πραγματοποιείται με χρήση Μαρκοβιανού μοντέλου και παρέχονται αναλυτικοί τύποι για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων μη αποδοχής κλήσεων. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των σχετικών προσομοιώσεων για την επιβεβαίωση της ακρίβειας του προτεινόμενου μοντέλου σε συνδυασμό με την εξέταση της περίπτωσης της λογαριθμοκανονικής κατανομής για το χρόνο εξυπηρέτησης των κλήσεων. Στη συνέχεια, στο 4° κεφαλαίο, ακολουθεί η περαιτέρω αξιολόγηση της επίδοσης των προτεινόμενων σχημάτων του πιθανοτικού ελέγχου αποδοχής κλήσεων με βάση νέα κριτήρια που αφορούν τις επιδόσεις του μηχανισμού απόδοσης προτεραιότητας, την αξιολόγηση της δικαιοσύνης του πιθανοτικού σχήματος ελέγχου αποδοχής κλήσεων στην εξυπηρέτηση των κλήσεων καθώς και τα επίπεδα απόδοσης του αλγορίθμου ως προς τη διεκπεραιωτικότητα των κλήσεων. Επίσης, στο 5° κεφάλαιο επεκτείνοντας την αρχική προσέγγιση αναπτύσσονται τεχνικές βελτιστοποίησης των προτεινόμενων μοντέλων πιθανοτικού ελέγχου αποδοχής κλήσεων με χρήση θεωρίας παιγνίων και τεχνικών διαπραγμάτευσης τιμολόγησης σε συνδυασμό με την ενσωμάτωση τους στο υπάρχον μοντέλο. Μέσα από την βελτιστοποίηση, ενισχύονται ο δυναμικός χαρακτήρας του σχήματος και η λειτουργία του, παρουσιάζοντας σημαντικά βελτιωμένα αποτελέσματα επίδοσης. Τέλος, στο 6° κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα συμπεράσματα της όλης ερευνητικής εργασίας και τονίζονται τα σημεία στα οποία προάγεται η επιστήμη ενώ επιπλέον γίνονται και οι υποδείξεις για μελλοντική έρευνα.