Cross layer schemes for QoS provisioning in mobile communication networks

Abstract

Next generation wireless and mobile cellular networks are expected to support multimedia applications with different quality of service (QoS). User mobility and time-varying multipath fading of wireless channels make QoS provisioning a challenging issue in wireless and mobile networks. In order to provide service differentiation and QoS guarantee in such networks, many new technologies have been proposed. Wideband code division multiple access (WCDMA) is the major multiple access technology for the third generation (3G) and beyond mobile communication systems. One major challenge in multimedia services over WCDMA-based networks is QoS provisioning with efficient resource utilization. The allocation and management of radio resources are crucial for such networks, where the scarce wireless spectrum resources are shared by multiple users. On the other hand, in the standard layered networking architecture, each layer is designed and operated independently. However, wireless channels suffer from both interference and inherent instability; moreover, the statistical channel characteristics of different users are different. The inflexibility of this architecture results in inefficient resource utilization in wireless systems and efficient interaction design across different layers is essential. Motivated by this fact, in this thesis, we focus on employing cross-layer techniques for resource allocation in mobile wireless networks; and a main objective is to improve the system performance by incorporating information from the physical layer at MAC layer into the design of radio resource management. Concluding, our study was mainly focused on WCDMA based 3G and beyond networks and how to develop cross-layer mechanisms for QoS provisioning. Firstly, we propose a cross-layer framework for efficient packet scheduling procedure in WCDMA-based networks. At the medium access control (MAC) layer, we perform a prediction of the future state of the wireless channel for each user by utilizing information from the physical layer. The prediction criterion is based on the signal-to-interference ratio (SIR) measurements of the received signal at each mobile user; we then employ a finite state Markov chain (FSMC) model for predicting the future state of the wireless channel. According to this prediction we define which users should be served by the packet scheduler during the next frame. The main idea of the scheduling scheme is to prioritize the connections not only according to their delay sensitivity, but also according to the predicted state of their wireless channel during the next frame. Next we propose radio resource management scheme as an effective combination of a call admission control (CAC) mechanism together with a traffic scheduling algorithm. These two schemes are designed and operated in a complementary fashion in order to support QoS provisioning for handover (HO) calls in WCDMA systems. The CAC mechanism is based on a guard code scheme in WCDMA system which employs orthogonal variable spreading factor (OVSF) codes as channelization codes. The guard code scheme reserves some code capacity to favor the continuation of handover (HO) calls over the new calls. However, during the handover procedure the HO calls experience high delays as a number of packets have to be forwarded through the wireline infrastructure to the target cell. Thus, we additionally employ a delay-aware traffic scheduler namely delay driven scheduler (DDS) at the MAC layer which aims to prioritize calls which experience high delays such as HO calls. Furthermore, DDS is able to exploit information from the physical layer in order to avoid erroneous packet transmission and increases system performance. Finally, we propose an improved channel quality information (CQI) reporting scheme which aims to reduce the required CQI signaling overhead in high speed packet access (HSPA) systems by exploiting a CQI prediction method. According to this scheme, Node B predicts all the intermediary CQI reports between two subsequent CQI reports by utilizing a FSMC model of the wireless channel. The main benefit of the proposed scheme is the decrease of the uplink interference and thus the improvement of the uplink reception quality at the negligible cost of slight reduction of the efficiency of Node B scheduling procedure.

Στην επομένη γενεά ασύρματων και κινητών επικοινωνιών αναμένεται η παροχή πολυμεσικών υπηρεσιών και εφαρμογών υποστηρίζοντας διαφορετικά επίπεδα ποιότητας. Η κινητικότητα των χρηστών (user mobility) συνδυαζόμενη με το φαινόμενο διαλείψεων πολλαπλών διαδρομών (multipath fading) που παρατηρούνται στα ασύρματα κανάλια επικοινωνίας καθιστά την επίτευξη του απαραίτητου επιπέδου ποιότητας της παρεχομένης υπηρεσίας βασικό θέμα έρευνας. Μέχρι πρότινος διαφορετικά σχήματα έχουν προταθεί για την διαφοροποίηση και την επίτευξη του απαραίτητου επιπέδου ποιότητας της παρεχομένης υπηρεσίας. Στα συστήματα κινητών 3ης και επομένης γενεάς η ευρυζωνική πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα (Wideband code division multiple access WCDMA) αποτελεί την κυρία τεχνική προσπέλασης του μέσου μετάδοσης. Μεταξύ των βασικών ερευνητικών ερωτημάτων σε αυτά τα συστήματα αποτελεί η παροχή εγγυημένης ποιότητας υπηρεσίας συνδυαζόμενη με την αποδοτική αξιοποίηση των διαθέσιμων (ασύρματων) πόρων. Η ορθή διαχείριση των πόρων αυτών θεωρείται κρίσιμη για αυτού του είδους τα δίκτυα καθώς το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι περιορισμένο και πρέπει να διαμοιραστεί μεταξύ πολλαπλών χρηστών. Από την άλλη πλευρά η γενική αρχιτεκτονική των δικτύων βασίζεται στη στρωματοποίηση διαφορετικών επιπέδων τα οποία λειτουργούν ανεξάρτητα μεταξύ τους και η οποία θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν. Επιπλέον τα ασύρματα κανάλια υποφέρουν τόσο από παρεμβολές όσο και από αστάθειες. Επιπροσθέτως τα διαφορετικά στατιστικά χαρακτηριστικά μεταξύ των χρηστών είναι διαφορετικά. Η δυσκολία προσαρμογής σε όλες αυτές τις απαιτήσεις στην αρχιτεκτονική των συστημάτων που αξιοποιούν το WCDMA έχει ως αποτέλεσμα τη μη αποδοτική διαχείριση αξιοποίηση των διαθέσιμων (ασύρματων) πόρων. Στηριζόμενοι σε αυτό το γεγονός και στην επιθυμητή αποδοτική αλληλεπίδραση μεταξύ των διαφορετικών επιπέδων σε αυτή τη διδακτορική διατριβή επικεντρωνόμαστε στη δημιουργία και ανάπτυξη τεχνικών πολλαπλών επιπέδων (cross layer techniques) με στόχο την ορθολογικότερη διαχείριση των διαθέσιμων πόρων πραγματοποιώντας ταυτόχρονα βελτίωση της απόδοσης αξιοποιώντας δεδομένα και πληροφορίες από το φυσικό επίπεδο. Συνοψίζοντας, η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στα δίκτυα 3ης και επομένης γενεάς που αξιοποιούν την τεχνική προσπέλασης WCDMA αναπτύσσοντας τους κατάλληλους μηχανισμούς για την παροχή του επιθυμητού επιπέδου ποιότητας υπηρεσίας. Αρχικά προτείνεται μια πολυεπίπεδη αρχιτεκτονική για την αποδοτική χρονοδρομολόγηση (scheduling) των δεδομένων στα δίκτυα βασισμένα στην τεχνική WCDMA. Πιο συγκεκριμένα στο επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control Layer) πραγματοποιείται πρόβλεψη της μελλοντικής κατάστασης του ασύρματου καναλιού για κάθε χρήση κάνοντας χρήση των δεδομένων τους φυσικού επιπέδου. Το κριτήριο πρόβλεψης βασίζεται στις μετρήσεις του λόγο σήματος προς παρεμβολή (signal to interference) για κάθε χρήστη εφαρμόζοντας μιας πεπερασμένης κατάστασης αλυσίδα Markov για τον προσδιορισμό πρόβλεψη της μελλοντικής κατάστασης του ασύρματου καναλιού. Αξιοποιώντας την πρόβλεψη αυτή προσδιορίζεται ποιοι χρήστες πρέπει να εξυπηρετηθούν από το χρονοδρομολογητή στην επόμενη χρονική στιγμή. Η κύρια ιδέα αυτού του σχήματος είναι η παροχή προτεραιότητας στους χρήστες όχι μόνο με βάση την καθυστέρηση αλλά λαμβάνοντας υπόψη και την μελλοντική κατάσταση του καναλιού όπως προσδιορίζεται από τον προτεινόμενο μηχανισμό. Στη συνέχεια προτείνεται ένα νέο σχήμα διαχείρισης των ασύρματων πόρων συνδυάζοντας ένα κατάλληλο μηχανισμό ελέγχου αποδοχής κλήσεων (call admission control) με τον κατάλληλο αλγόριθμο χρονοδρομολόγησης. Τα δύο αυτά σχήματα σχεδιάστηκαν και λειτουργούν ως συμπληρωματικά στοιχεία των συστημάτων βασισμένα στο WCDMA για την υποστήριξη του κατάλληλου επιπέδου ποιότητας υπηρεσίας κατά τη διάρκεια μεταπομπής (handover) από μία κυψέλη σε μια άλλη. Ο μηχανισμός ελέγχου αποδοχής κλήσεων βασίζεται σε ένα σχήμα ελεγκτή κωδίκων (guard code scheme). Ο ελεγκτής αυτός δεσμεύει ένα τμήμα του διαθέσιμου εύρους για την διασφάλιση της συνέχισης της διαδικασίας μεταπομπής κατά τη διάρκεια νέων κλήσεων. Παρολαυτά έχει παρατηρηθεί ότι οι κλήσεις που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της μεταπομπής παρουσιάζουν μεγάλη καθυστέρηση καθώς πλήθος των δεδομένων δρομολογούνται μέσω της σταθερής διακτυακής υποδομής του παρόχου προς την κυψέλη η οποία θα λάβει την κλήση. Για το λόγο αυτό αναπτύσσεται ένας επιπρόσθετος χρονοδρομολογητής (ενήμερος της καθυστέρησης που θα εισαχθεί στην κλήση) με στόχο την παροχή προτεραιότητας στις κλήσεις που λαμβάνουν αυξημένη καθυστέρηση. Επιπλέον ο μηχανισμός αυτός λαμβάνει επιπρόσθετες πληροφορίες από το φυσικό επίπεδο για την αποφυγή λανθασμένων πακέτων και την αύξηση της αποδοτικότητας του συστήματος. Τέλος, εισάγεται ένα νέο βελτιωμένο σχήμα αναφοράς σχετικά με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το κανάλι επικοινωνίας το οποίο έχει ως στόχο να μειώσει την επιπρόσθετη επιβάρυνση δεδομένων στα μηνύματα σηματοδοσίας σε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων. Το κύριο όφελος του σχήματος αυτού είναι η μείωση των παρεμβολών στην ανοδική ζεύξη (up link) έχοντας ως άμεσο αποτέλεσμα την βελτίωση της ποιότητας στην ανοδική ζεύξη.