Βέλτιστη ανάθεση χρηστών και διαμοιρασμός πόρων σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα

Abstract

Today’s wireless networking environment heterogeneity, in terms of various accessnetworks with assorted architectural characteristics, has radically increased itscomplexity, raising scalability and compatibility issues. This thesis addresses theproblem of joint optimal multi-access multi-cell resource allocation over aheterogeneous integrated wireless network, where overlapping cells of various accesstechnologies (including CDMA, WLANs, e.t.c.) are assumed to assemble the wirelessenvironment. The goal is to find the optimal operation point, regarding mobile nodesto cells’ base stations (or access points) assignment, and corresponding resourceallocation that maximizes the network-wide revenue, in terms of users’ QoS-awareservice performance. Optimal and suboptimal mechanisms and their underlyingalgorithms accomplishing the latter goal are proposed, analyzed and evaluatedthrough modeling and simulation.Focus is placed on two directions, ranging from low complexity, easily applicableautonomic heuristic solutions of unverified optimality though, to distributed optimalsolutions, assuring the optimal operational point of the integrated network, under theburden of increased complexity and signaling.Specifically, our first approach is driven by the vision of future networkautonomics, focusing on implementing self-* functions for self-optimization and selfadaptationto context or situation driven behavior changes in the networkingenvironment, services or applications. In order to provide the required flexibility andfunctional scalability in the joint resource management process, we introduceautonomicity as the vehicle that allows the design of a novel autonomic frameworkthat maximizes overall integrated network’s revenue. The latter is accomplished byallowing mobile nodes and base stations to self-adapt and self-optimize their behaviorwith respect to the network selection and resource allocation processes.Our second approach, aiming at the global optimality of the integratedheterogeneous network, focuses on two diverse methodologies with respect to theaccess type and architectural design of the network. Specifically, initially the problemof distributed joint network selection and resource allocation in multi-access multicellheterogeneous wireless networks (CDMA/WLAN/OFDMA), is studied and analyzed. Moreover, the same problem is addressed in the case of two-tier CDMAMacrocell/Femtocell wireless networks. The goal is not only to satisfy users’ QoSprerequisites in the presence of co-tier and cross-tier interference, but also todetermine cells’ optimal coverage area, maximizing network-wide throughputperformance and mitigating intercell interference.Under all proposed schemes and in the light of users’ QoS requirements fulfillment,each methodology is analytically described and solutions are proposed, ensuring theseamless connectivity of the users and networks’ performance maximization.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της βέλτιστηςανάθεσης χρηστών και διαμοιρασμού πόρων σε ενοποιημένα ετερογενή ασύρματαδίκτυα, με στόχο όχι μόνο τη βελτιστοποίηση της συνολικής απόδοσης τουσυστήματος αλλά ταυτόχρονα την αποτελεσματική διασφάλιση των απαιτήσεωνΠοιότητας της Υπηρεσίας των χρηστών με υπηρεσίες μη πραγματικού καιπραγματικού χρόνου. Η παρούσα μελέτη προτείνει, αναλύει, τεκμηριώνει θεωρητικά,και επιβεβαιώνει μέσω μοντελοποίησης και προσομοίωσης, βέλτιστες και μη λύσειςκαι αντίστοιχους αυτόνομους και κατανεμημένους αλγορίθμους για την επίτευξη τουπαραπάνω στόχου.Πιο συγκεκριμένα στοχεύει και επιτυγχάνει τη σχεδίαση, ανάπτυξη και επίλυσηενός ενοποιημένου πλαισίου που αντιμετωπίζει ολόκληρο το ετερογενές ασύρματοσύστημα σαν ένα ενιαίο πρόβλημα βελτιστοποίησης. Η συγχώνευση αυτήεπιτυγχάνεται θέτοντας ένα κοινό στόχο ανεξαρτήτως του υποκείμενου δικτύουπρόσβασης, αυτόν της μεγιστοποίησης της συνολικής απόδοσης των υπηρεσιών τωνχρηστών σε σχέση με την διασφάλιση των αντίστοιχων κριτηρίων Ποιότητας τηςΥπηρεσίας τους. Τα τελευταία εκφράζονται με χρήση κανονικοποιημένων συναρτήσεων της απόδοσης της υπηρεσίας, τις επονομαζόμενες συναρτήσειςχρησιμότητας, υιοθετώντας έτσι ένα κοινό πλαίσιο βασισμένο στην θεωρίαΜεγιστοποίησης Χρησιμότητας Δικτύου (Network Utility Maximization).Το σύνολο της μελέτης επικεντρώνεται σε δύο βασικούς άξονες, και εκτείνεταιαπό αυτόνομες ευρετικές (heuristic) λύσεις που εξασφαλίζουν χαμηλήςπολυπλοκότητας, εύκολα υιοθετήσιμες και υλοποιήσιμες, πλήρως αυτόνομες λύσεις,με το αντάλλαγμα της μη αποδεδειγμένης βελτιστότητας τους, σε κατανεμημένεςβέλτιστες λύσεις που αντιθέτως εξασφαλίζουν το βέλτιστο σημείο λειτουργίας τουσυνολικού ενοποιημένου συστήματος, εισάγοντας όμως επιπλέον πολυπλοκότητα καισηματοδοσία στο σύστημα.Συγκεκριμένα, η πρώτη προσέγγιση μας παρακινείται από το γεγονός ότι το όραματων μελλοντικών αυτόνομων δικτύων στοχεύει στην υλοποίηση αυτό-* (self-*)λειτουργιών για την βελτιστοποίηση και αυτό-προσαρμογή στο περιεχόμενο ή σταγεγονότα που απαιτούν αλλαγή συμπεριφοράς των συστημάτων, υπηρεσιών και εφαρμογών. Συνεπώς, προκειμένου να παράσχουμε την απαιτούμενη ευελιξία καικλιμάκωση στην διαδικασία διαχείρισης πόρων σε ένα ενοποιημένο ετερογενέςδίκτυο, εισάγουμε την έννοια της αυτονομίας ως κινητήριας δύναμης που μαςεπιτρέπει την σχεδίαση ενός καινοτόμου αυτόνομου πλαισίου που μεγιστοποιεί τοκέρδος του ενοποιημένου δικτύου. Αυτό επιτυγχάνεται επιτρέποντας την αυτό-προσαρμογή και αυτό-βελτιστοποίηση τόσο των κινητών κόμβων, όσο και τωνσταθμών βάσης, αναφορικά με τις διαδικασίες επιλογής του καταλληλότερου σημείουσύνδεσης και διαμοιρασμού των πόρων.Στον δεύτερο άξονα, στοχεύοντας στην βελτιστοποίηση του συνολικούετερογενούς συστήματος υπό την υπόθεση της συνεργασίας μεταξύ των διαφόρωντεχνολογιών και επιπέδων, κινούμαστε σε δύο κατευθύνσεις αναλόγως με τον τύποκαι τη δομή του ετερογενούς συστήματος. Συγκεκριμένα, στην πρώτη περίπτωσημελετάμε και σκιαγραφούμε το πρόβλημα της ταυτόχρονης ανάθεσης χρηστών καιδιαμοιρασμού πόρων σε ένα ετερογενές σύστημα αποτελούμενο από πολλαπλέςκυψέλες διαφορετικών τεχνολογιών πρόσβασης (CDMA/WLAN/OFDMA). Στηνδεύτερη περίπτωση, εξετάζουμε το ίδιο πρόβλημα αυτή τη φορά όμως επικεντρωνόμενοι σε ένα ετερογενές σύστημα αποτελούμενο μονάχα από κυψελωτάσημεία πρόσβασης ίδιας τεχνολογίας πρόσβασης, αλλά πολλαπλών επιπέδων. Στόχοςείναι εκτός από την ικανοποίηση των απαιτήσεων Ποιότητας της Υπηρεσίας τωνχρηστών παρουσία διακυψελικών παρεμβολών, και ο βέλτιστος σχεδιασμός τηςπεριοχής κάλυψης των κυψελών που θα μεγιστοποιήσουν την συνολική απόδοση τουσυστήματος.Σε κάθε περίπτωση και πάντα υπό το πρίσμα της ικανοποίησης ελάχιστωνκριτηρίων Ποιότητας της Υπηρεσίας των χρηστών, προτείνουμε λύσεις καιπεριγράφουμε τις εκάστοτε μεθοδολογίες που εξασφαλίζουν την μεγιστοποίηση τηςαπόδοσης του δικτύου αλλά και την αρραγή συνδεσιμότητα των χρηστών.