Διαχείριση φορτίου σε δίκτυα κινητών επικοινωνιών

Abstract

The object of the present dissertation is the study of load management in mobile communications networks. Being more specific, the attention is drawn to the development of optimized RRM (Radio Resource Management) and CAC (Connection Admission Control) algorithms, taking into consideration the specific features as well as the high variability of the Physical layer. Aiming towards the absolute exploitation of the scarce radio resources in parallel with guaranteeing the requested QoS (Quality of Service), the interaction between these layers of the OSI (Open Systems Interconnection) reference model proves to be completely necessary due to the fact that the spectrum requirements of a connection are greately affected by the transmission/reception conditions. In this framework, initially the study focuses on the capacity of the satellite systems, introducing a CAC algorithm that takes into account the effect of the wireless propagation environment on the performance of the TCP transport protocol. The effectiveness of the algorithm is evaluated under a set of stand-alone as well as hybrid satellite architectures that include geostationary satellites along with the innovative stratospheric platforms. At the next step, the research centers around the functionality of one of the most promising terrestrial, mobile networks of broadband communication, Mobile-WiMAX (IEEE 802.16e), on the basis of the complexity that is imposed on the spectrum management process by the use of OFDMA as well as adaptive modulation-coding at its physical layer. In this respect, firstly, a new hybrid CAC algorithm is formulated, capable of safely predicting the overall bandwidth requirements by implementing both stochastic analysis of the signal's attenuation and suitable routines for processing the available SNR (Signal-to-Noise Ratio) samples. In addition, the special characteristics of the IEEE 802.16e uplink subnet are examined thoroughly and a new RRM algorithm for radio resource saving is presented. The effectiveness of the aforementioned algorithm is theoretically established as well as quantitatively computed via simulations, while the conditions of maximum efficiency are also theoretically determined. Furthermore, a CAC algorithm is proposed that minimizes the blocking probability by making virtue of the RRM feedback.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη της διαχείρισης φορτίου σε δίκτυα κινητών επικοινωνιών. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η διαμόρφωση βελτιστοποιημένων αλγορίθμων Διαχείρισης Πόρων Ασύρματου Καναλιού - ΔΠΑΚ (Radio Resource Management) και Ελέγχου Εισδοχής Συνδέσεων - ΕΕΣ (Connection Admission Control), συνεκτιμώντας τα ιδιαίτερα γνωρίσματα του εκάστοτε Φυσικού επιπέδου όπως και τη γενικότερα υψηλή μεταβλητότητα του. Έχοντας ως στόχο την καθολική εκμετάλλευση των περιορισμένων ασύρματων πόρων με ταυτόχρονη εγγύηση της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών, η αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των επιπέδων του μοντέλου αναφοράς OSI (Open Systems Interconnection) αποδεικνύεται επιβεβλημένη, διότι οι φασματικές ανάγκες μίας σύνδεσης καθορίζονται σε σημαντικό βαθμό από τις υφιστάμενες συνθήκες εκπομπής και λήψης. Έτσι, αρχικά η μελέτη επικεντρώνεται στη χωρητικότητα των δορυφορικών συστημάτων, προτείνοντας έναν αλγόριθμο ΕΕΣ που λαμβάνει υπόψη την επίδραση του ασύρματου περιβάλλοντος διάδοσης στις επιδόσεις του Πρωτοκόλλου Ελέγχου Μετάδοσης (TCP). Η αποτελεσματικότητα του αλγορίθμου αξιολογείται για ένα σύνολο αυτόνομων αλλά και υβριδικών δορυφορικών αρχιτεκτονικών που περιλαμβάνουν γεωστατικούς δορυφόρους καθώς και τις νεωτεριστικές στρατοσφαιρικές πλατφόρμες. Στη συνέχεια, η έρευνα εστιάζεται στη λειτουργία ενός από τα πλέον υποσχόμενα επίγεια δίκτυα κινητής, ευρυζωνικής κάλυψης, το Mobile-WiMAX, εξετάζοντας την πολυπλοκότητα που εισάγει στη διαχείριση του φορτίου αφενός η χρήση της τεχνικής Πολλαπλής Πρόσβασης Ορθογωνικής Διαίρεσης Συχνότητας (OFDMA) και αφετέρου η εφαρμογή προσαρμοστικών αλγορίθμων διαμόρφωσης-κωδικοποίησης. Ως πρώτο βήμα, αναπτύσσεται ένας υβριδικός αλγόριθμος ΕΕΣ, ο οποίος εξασφαλίζει την ασφαλή πρόβλεψη των συνολικών φασματικών απαιτήσεων, χρησιμοποιώντας τόσο αναλυτικές μεθόδους στοχαστικής μελέτης της εξασθένισης του σήματος όσο και ρουτίνες επεξεργασίας των διαθέσιμων σηματοθορυβικών μετρήσεων. Κατόπιν, διερευνώνται οι ιδιαιτερότητες του υποδικτύου ανερχόμενης ζεύξης του Mobile-WiMAX και παρουσιάζεται ένας νέος αλγόριθμος ΔΠΑΚ που συμβάλλει στη σημαντική εξοικονόμηση ασύρματων πόρων. Η αποτελεσματικότητα του εν λόγω αλγορίθμου αποδεικνύεται θεωρητικά αλλά και ποσοτικοποιείται μέσω προσομοιώσεων, ενώ επίσης θεωρητικά προσδιορίζονται και οι συνθήκες βέλτιστης λειτουργίας του. Μάλιστα, διαμορφώνεται και ένας αλγόριθμος ΕΕΣ που ελαχιστοποιεί την πιθανότητα μπλοκαρίσματος, εκμεταλλευόμενος την ανάδραση από τη ρουτίνα ΔΠΑΚ.