Διαχείριση γνωστικών συστημάτων επικοινωνιών

Abstract

Cognitive networks constitute a new approach towards the evolution of wireless communication systems, from heterogeneous sets of diverse technologies to unified, autonomous and environment-aware communication systems, capable of sensing, adjusting, acting, reacting and learning. Their main operational principle lies in two focal points: the concept of autonomic management and the opportunistic use of frequencies that remain unexploited in space and time. In the context of the present thesis, a functional model of cognitive networks is presented. This model comprises of three fundamental operational processes; the process of sensing, the process of reasoning and the decision-reaching process. During the sensing phase, the cognitive system monitors the conditions of its RF environment, just as a biological entity monitors and senses its own environment. This sensing process renders the system capable of adjusting to the monitored environmental changes. The reasoning phase aims at processing the raw data collected during the sensing phase, in order to determine the anticipated capabilities of alternate configurations, in case the latter are applied. The ultimate goal of a cognitive system is the selection of the most appropriate configuration for the optimal satisfaction of end users. The decision-reaching phase focuses on, exactly, this selection procedure. The parameters taken into account in the optimization process are the processed data of the reasoning phase, the spatial distribution of mobile terminals, their mobility degree, the reconfiguration cost, as well as the network operators’ policies and strategies. The present thesis focuses on the first and the third phase of the cognitive reference model, namely the sensing and the decision-reaching phase. In detail, regarding the sensing phase, the thesis adopts the concept of using mobile terminals as distributed, low-cost sensors with the corresponding base station responsible for collecting and processing the sensing data. In this light, it defines and dimensions the scalability issues arising during the sensing process, regarding the process of transmitting the sensing data to the cognitive base station. Following this, it studies in detail the scalability options for different types of radio interfaces and examines the corresponding effect of various parameters. Finally, it proposes innovative time scheduling algorithms for the base station updating process, applicable in cases of multiple sensing mobile terminals, with a view to achieving a satisfactory compromise between the allocation of available radio resources and the speed of sensing data collection. Regarding the decision-reaching phase, the thesis proposes an intelligent algorithm for the optimal selection of the cognitive base stations’ configurations, which takes under consideration the type and capabilities of candidate configurations, the network load, the spatial distribution of mobile terminals, the reconfiguration cost and other parameters, achieving a multifaceted evaluation of alternate configurations, in terms of coverage capability, user capacity, transmission capacity, mobility support and cost. Furthermore, the thesis enhances the suggested optimization algorithm by encompassing an intelligent ranking functionality of the performance criteria. Finally, the thesis proceeds with the extraction and evaluation of representative results of the proposed algorithm.

Τα γνωστικά δίκτυα συνιστούν μία νέα πρόταση για την εξέλιξη των συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών, από ετερογενή σύνολα διαφορετικών τεχνολογιών πρόσβασης σε ενοποιημένα, αυτόνομα συστήματα επικοινωνιών με επίγνωση περιβάλλοντος, ικανά να αντιλαμβάνονται, να προσαρμόζονται, να δρουν, να αντιδρούν και να μαθαίνουν. Η βασική αρχή λειτουργίας τους κινείται σε δύο άξονες: την αυτόνομη διαχείριση και την ευκαιριακή χρήση συχνοτήτων που μένουν αχρησιμοποίητες στο χώρο και στο χρόνο. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, χρησιμοποιείται ένα μοντέλο λειτουργίας των γνωστικών δικτύων, το οποίο αποτελείται από τρεις θεμελιώδεις λειτουργικές διαδικασίες: τη λειτουργία της επαίσθησης, τη λειτουργία της συλλογιστικής και τη λειτουργία της λήψης απόφασης. Στα πλαίσια της λειτουργίας της επαίσθησης, το γνωστικό σύστημα παρακολουθεί τις συνθήκες που διαμορφώνονται στο ραδιοπεριβάλλον του, όπως ακριβώς ένας βιολογικός οργανισμός παρατηρεί και «διαισθάνεται» το δικό του περιβάλλον. Έτσι, καθίσταται δυνατή η προσαρμογή του συστήματος στις παρατηρούμενες μεταβολές. Σκοπός της λειτουργίας της συλλογιστικής είναι η επεξεργασία των πρωτογενών δεδομένων που συλλέγονται μέσω της διαδικασίας της επαίσθησης, προκειμένου να προσδιοριστούν οι προσδοκώμενες επιδόσεις των υποψήφιων διαρθρώσεων, σε περίπτωση εφαρμογής τους. Ο απώτερος σκοπός ενός γνωστικού συστήματος είναι η επιλογή της καταλληλότερης διάρθρωσης για τη βέλτιστη ικανοποίηση των χρηστών του, κάτι που αποτελεί αντικείμενο της λειτουργίας της λήψης απόφασης. Οι παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη σε μια τέτοια διαδικασία βελτιστοποίησης είναι τα δευτερογενή δεδομένα της συλλογιστικής λειτουργίας, η διάταξη των τερματικών, ο βαθμός κινητικότητάς τους και το φορτίο κίνησής τους, το κόστος αναδιάρθρωσης, καθώς και οι προδιαγεγραμμένοι κανόνες και πολιτικές. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με το πρώτο και το τρίτο στρώμα του γνωστικού μοντέλου αναφοράς, δηλαδή με τις λειτουργίες της επαίσθησης και της λήψης απόφασης. Συγκεκριμένα, στο στάδιο της επαίσθησης, η παρούσα διατριβή υιοθετεί την ιδέα της αξιοποίησης των κινητών τερματικών ως κατανεμημένων αισθητήρων λήψης μετρήσεων επαίσθησης, με το γνωστικό σταθμό βάσης να λειτουργεί ως σημείο συγκέντρωσης και επεξεργασίας των επαισθητικών δεδομένων. Σε αυτήν τη βάση, προσδιορίζει και οριοθετεί το πρόβλημα της κλιμακωσιμότητας της λειτουργίας της επαίσθησης, ειδικά ως προς τη διαδικασία συγκέντρωσης των επαισθητικών μετρήσεων στο γνωστικό σταθμό βάσης. Εν συνεχεία, προχωρά στην ενδελεχή μελέτη της δυνατότητας κλιμάκωσης της διαδικασίας της επαίσθησης, για διάφορους τύπους ραδιοδιεπαφών μεταξύ τερματικών και σταθμού βάσης και εξετάζει την επίδραση μιας σειράς διαφορετικών παραμέτρων. Τέλος, προτείνει καινοτόμους αλγόριθμους χρονοπρογραμματισμού της διαδικασίας ενημέρωσης του σταθμού βάσης, εφαρμόσιμους στις περιπτώσεις που συμμετέχουν σε αυτήν πολλαπλά τερματικά, με απώτερο στόχο την επίτευξη ενός ικανοποιητικού συμβιβασμού μεταξύ του βαθμού χρησιμοποίησης των διαθέσιμων ραδιοπόρων και της ταχύτητας συλλογής των επαισθητικών δεδομένων. Όσον αφορά το στάδιο της λήψης απόφασης, η παρούσα διατριβή προτείνει έναν ευφυή αλγόριθμο βέλτιστης επιλογής διαρθρώσεων για τους γνωστικούς σταθμούς βάσης, ο οποίος συνυπολογίζει το είδος και τις δυνατότητες των υποψήφιων διαρθρώσεων, το αιτούμενο φορτίο κίνησης, τη χωρική διάταξη των τερματικών, το κόστος αναδιάρθρωσης και άλλες παραμέτρους, επιτυγχάνοντας μια πολύπλευρη αξιολόγηση των υποψήφιων διαρθρώσεων σε τομείς όπως το ποσοστό κάλυψης, η χωρητικότητα χρηστών, η χωρητικότητα μετάδοσης, η υποστήριξη κινητικότητας και το κόστος. Εν συνεχεία, επεκτείνει τον προτεινόμενο αλγόριθμο βελτιστοποίησης ενσωματώνοντας μια λειτουργία ευφυούς ιεράρχησης των κριτηρίων επίδοσης. Τέλος, προχωρά στην εξαγωγή, το σχολιασμό και την αξιολόγηση αποτελεσμάτων εκτέλεσης του προτεινόμενου αλγορίθμου.