Μηχανισμοί βελτιστοποίησης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων για διασφάλιση ποιότητας υπηρεσίας σε ασύρματα δίκτυα

Abstract

The objective of this PhD Thesis is to study and develop novel optimization mechanisms for QoSdrivenscheduling and resource management in wireless networks. The research contribution of thisThesis can be divided in two main parts.At the first part, the Thesis focuses on the solution of the energy consumption problem in wirelesscommunication devices, using transmission scheduling techniques. Given that the communicationinterface of wireless devices consumes a significant portion of energy, reduction of the transmissionenergy consumption is very important for modern wireless networks, in order to maintain high batteryautonomy. For this reason, novel energy efficient opportunistic transmission scheduling mechanisms,that assure specific QoS requirements, are proposed in this PhD Thesis. Particularly, even though thewireless channel fluctuations are traditionally treated as a source of unreliability, these variations canbe opportunistically exploited, by scheduling data transmissions when the channel conditions are good,according to the proposed mechanisms. This can prolong the battery lifetime of a wireless device. Morespecifically, two distributed opportunistic scheduling mechanisms that employ the optimal stoppingtheory to find the optimal time instant to transmit depending on channel conditions, are proposed,taking also into account specific QoS constraints. Furthermore, the opportunistic scheduling techniqueis utilized in order to design energy efficient satellite links that operate at the frequency range above10GHz under rainfall conditions, proposing a climatic dependent energy efficient mechanism.The second part deals with the resource management problems for QoS provisioning, focusing onthe cognitive radio networks, which target at the efficient usage of the limited and under-utilized radiospectrum resources. Particularly, the concept of effective capacity is studied, since it constitutes apowerful tool for the cross-layer design of efficient QoS provisioning mechanisms, connecting thewireless channel’s service rate with the statistical QoS performance of the network. The PhD Thesisintroduces novel resource management mechanisms for QoS provisioning in cognitive radio networks,studying two different implementation approaches. More specifically, considering an underlay cognitiveradio system, where the fading channels of the communication links are cross-correlated, this Thesisproposes a distributed power control mechanism for the (unlicensed) secondary user. This mechanismmaximizes the effective capacity of the secondary link using principles of convex optimization theory,under specific power and interference constraints. Furthermore, a distributed mechanism that solvesthe spectrum sharing problem among multiple secondary users with different QoS requirements in aninterweave cognitive radio system, is proposed. This QoS-driven spectrum sharing problem is formulated as a non-cooperative game with a view to maximizing the effective capacity of eachsecondary user, subject to the coupled constraint of the available bandwidth. A novel solution isproposed by employing the variational inequalities theory.

O σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμωνμηχανισμών βελτιστοποίησης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων με κεντρικό γνώμονα τηδιασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας στους ασύρματους χρήστες. Η κύρια ερευνητική συνεισφορά τηςΔιδακτορικής Διατριβής μπορεί να χωριστεί σε δυο βασικά μέρη.Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος η Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην επίλυση τουπροβλήματος κατανάλωσης ενέργειας των ασύρματων τερματικών, μέσω της τεχνικήςχρονοπρογραμματισμού μετάδοσης. Η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας αποτελεί μια πολύσημαντική απαίτηση για τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα, προκειμένου να επιτυγχάνεται υψηλήαυτονομία μπαταρίας στα τερματικά. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνονταικαινοτόμοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού μετάδοσηςδεδομένων, οι οποίοι παράλληλα διασφαλίζουν συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας.Αναλυτικότερα, παρόλο που τα χρονομεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά των ασύρματων καναλιώναντιμετωπίζονται συνήθως ως πηγή αναξιοπιστίας, οι προτεινόμενοι μηχανισμοί εκμεταλλεύονταιοπορτουνιστικά αυτές τις μεταβλητές συνθήκες προγραμματίζοντας την ασύρματη επικοινωνία όταν οισυνθήκες του καναλιού είναι ευνοϊκές, με στόχο την αποδοτικότερη χρησιμοποίηση της μπαταρίας. Πιοσυγκεκριμένα, προτείνονται δυο κατανεμημένοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικούχρονοπρογραμματισμού, οι οποίοι χρησιμοποιούν τη θεωρία βέλτιστης παύσης (optimal stoppingtheory), έτσι ώστε να βρεθεί η βέλτιστη χρονική στιγμή για μετάδοση δεδομένων ανάλογα με τιςσυνθήκες του καναλιού, λαμβάνοντας υπόψη συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας.Επιπρόσθετα, η τεχνική του οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού χρησιμοποιείται για τη σχεδίασηενεργειακά αποδοτικών δορυφορικών ζεύξεων που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10GHz υπόσυνθήκες βροχής και προτείνεται ένας κλιματικά εξαρτώμενος ενεργειακά αποδοτικός μηχανισμός.Το δεύτερο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής ασχολείται με τα προβλήματα διαχείρισης πόρων O σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμωνμηχανισμών βελτιστοποίησης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων με κεντρικό γνώμονα τηδιασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας στους ασύρματους χρήστες. Η κύρια ερευνητική συνεισφορά τηςΔιδακτορικής Διατριβής μπορεί να χωριστεί σε δυο βασικά μέρη.Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος η Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην επίλυση τουπροβλήματος κατανάλωσης ενέργειας των ασύρματων τερματικών, μέσω της τεχνικήςχρονοπρογραμματισμού μετάδοσης. Η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας αποτελεί μια πολύσημαντική απαίτηση για τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα, προκειμένου να επιτυγχάνεται υψηλήαυτονομία μπαταρίας στα τερματικά. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνονταικαινοτόμοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού μετάδοσηςδεδομένων, οι οποίοι παράλληλα διασφαλίζουν συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας.Αναλυτικότερα, παρόλο που τα χρονομεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά των ασύρματων καναλιώναντιμετωπίζονται συνήθως ως πηγή αναξιοπιστίας, οι προτεινόμενοι μηχανισμοί εκμεταλλεύονταιοπορτουνιστικά αυτές τις μεταβλητές συνθήκες προγραμματίζοντας την ασύρματη επικοινωνία όταν οισυνθήκες του καναλιού είναι ευνοϊκές, με στόχο την αποδοτικότερη χρησιμοποίηση της μπαταρίας. Πιοσυγκεκριμένα, προτείνονται δυο κατανεμημένοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικούχρονοπρογραμματισμού, οι οποίοι χρησιμοποιούν τη θεωρία βέλτιστης παύσης (optimal stoppingtheory), έτσι ώστε να βρεθεί η βέλτιστη χρονική στιγμή για μετάδοση δεδομένων ανάλογα με τιςσυνθήκες του καναλιού, λαμβάνοντας υπόψη συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας.Επιπρόσθετα, η τεχνική του οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού χρησιμοποιείται για τη σχεδίασηενεργειακά αποδοτικών δορυφορικών ζεύξεων που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10GHz υπόσυνθήκες βροχής και προτείνεται ένας κλιματικά εξαρτώμενος ενεργειακά αποδοτικός μηχανισμός.Το δεύτερο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής ασχολείται με τα προβλήματα διαχείρισης πόρων για διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας, εστιάζοντας στα γνωστικά ασύρματα δίκτυα, τα οποίαστοχεύουν στην αποδοτική χρήση του πεπερασμένου και υποχρησιμοποιούμενου ραδιοφάσματος.Αναλυτικότερα, αρχικά μελετάται η έννοια της αποτελεσματικής χωρητικότητας (effective capacity). Ησυγκεκριμένη έννοια αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο σχεδίασης αποδοτικών μηχανισμών που παρέχουνστατιστικές εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας, αφού συσχετίζει το ρυθμό εξυπηρέτησης του ασύρματουκαναλιού με την απόδοση ποιότητας υπηρεσιών του δικτύου. Στο πλαίσιο της παρούσας ΔιδακτορικήςΔιατριβής προτείνονται καινοτόμοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων για διασφάλιση ποιότητας υπηρεσίαςσε γνωστικά ασύρματα δίκτυα, μελετώντας δυο διαφορετικές προσεγγίσεις υλοποίησης των δικτύωναυτών. Αναλυτικότερα, θεωρείται ένα underlay γνωστικό σύστημα, όπου τα κανάλια διαλείψεων τωνχρηστών είναι ετεροσυσχετισμένα και προτείνεται ένας κατανεμημένος μηχανισμός ελέγχου ισχύος γιατον (μη αδειοδοτημένο) δευτερεύοντα χρήστη. Ο μηχανισμός αυτός μεγιστοποιεί την αποτελεσματικήχωρητικότητα του δευτερεύοντα χρήστη μέσω της θεωρίας κυρτής βελτιστοποίησης, δεδομένωνπεριορισμών ισχύος και παρεμβολής. Επιπρόσθετα, προτείνεται ένας κατανεμημένος μηχανισμόςεπίλυσης του προβλήματος διαμοιρασμού φάσματος μεταξύ πολλαπλών δευτερευόντων χρηστών μεδιαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας, σε ένα interweave γνωστικό σύστημα. Το πρόβλημααυτό αντιμετωπίζεται ως ένα μη συνεργατικό παίγνιο, σύμφωνα με το οποίο κάθε δευτερεύων χρήστηςανταγωνίζεται με τους υπόλοιπους, με στόχο τη βελτιστοποίηση της ατομικής του αποτελεσματικήςχωρητικότητας, δεδομένου του από κοινού περιορισμού του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Για την επίλυσητου συγκεκριμένου προβλήματος χρησιμοποιείται η θεωρία ανισοτήτων μεταβολών.