Localization and mobility management in heterogeneous wireless networks with network-assistance

Abstract

Today’s heterogeneous wireless network (HWN) is a collection of ubiquitous wireless networking elements (WNEs) that support diverse functional capabilities and networking purposes. In such a heterogeneous networking environment, localization and mobility management will play a key role for the seamless support of emerging applications, such as social networking, massive multiplayer online gaming, device-to-device (D2D) communications, smart metering, first-responder communications, and unsupervised navigation of communication-aware robotic nodes. Most of the existing wireless networking technologies enable the WNEs to assess their current radio status and directly (or indirectly) estimate their relative distance and angle with respect to other WNEs of the same Radio Access Technology (RAT); thus, the integration of such information from the ubiquitous WNEs arises as a natural solution for robustly handling localization between (not necessarily homogeneous) WNEs and mobility management of moving WNEs governed by resource-constrained operation. Under this viewpoint, we investigate the utilization of such spatial information can be used to enhance the performance of localization and mobility management in the today’s HWN. In this work we focus and contribute in the following four research areas: i) localization and peer-discovery between non-homogeneous WNEs, ii) network-assisted D2D discovery in cellular networks, iii) energy-efficient handover (HO) decision in the macrocell – femtocell network, and iv) network-assisted vertical handover decision (VHO) for the integrated cellular and WLAN HWN. In the area of localization and peer-to-peer discovery in HWNs, we analyze how different levels of location-awareness affect the performance of localization and peer discovery between (not necessarily homogeneous) WNEs. In the area of D2D discovery in cellular networks, we analyze the performance of network-assisted D2D discovery in random spatial networks and derive useful design guidelines for fine-tuning its performance in cellular systems. In the area of handover decision for the macrocell – femtocell network, we propose an energy-efficient handover decision algorithm for the macrocell – femtocell network and discuss all aspects related to its implementation in the Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) system of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). In the area of vertical handover decision for heterogeneous wireless networks, we propose an energy-efficient VHO decision algorithm that the enhanced radio measurement capabilities at the LTE-A base stations and the IEEE 802.11-2012 conformant access points.

Το σημερινό ετερογενές δίκτυο ασυρμάτων επικοινωνιών αποτελείται από ένα σύνολο πανταχού-παρόντων ασυρμάτων δικτυακών στοιχείων, τα οποία υποστηρίζουν διαφορετικές τεχνολογικές δυνατότητες και εξυπηρετούν διαφορετικού-τύπου ανάγκες δικτύωσης. Σε ένα τέτοιο ετερογενές δικτυακό περιβάλλον, ο υπολογισμός σχετικής θέσης και η διαχείριση κινητικότητας θα διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο στην απρόσκοπτη υποστήριξη αναδυόμενων καινοτόμων εφαρμογών, όπως η κοινωνική δικτύωση, τα δικτυακά παιχνίδια με εξαιρετικά μεγάλο αριθμό χρηστών, επικοινωνίες συσκευής-με-συσκευή, έξυπνων μετρήσεων, επικοινωνιών έκτακτης ανάγκης, καθώς και η αυτόνομη πλοήγηση ρομποτικών κόμβων που έχουν δυνατότητα δικτύωσης. Καθώς όλο και περισσότερες ασύρματες δικτυακές τεχνολογίες επιτρέπουν στα ασύρματα δικτυακά στοιχεία τους να αξιολογούν την τρέχουσα κατάσταση του καναλιού επικοινωνίας τους και να εκτιμούν άμεσα (ή έμμεσα) την σχετική τους απόσταση και γωνία ως προς άλλους δικτυακούς κόμβους της ιδίας τεχνολογίας, η αξιοποίηση-ενοποίηση των ανωτέρω πληροφοριών από τα πανταχού-παρόντα ασύρματα δικτυακά στοιχεία, αναδεικνύεται ως η πλέον εφικτή και αποτελεσματική λύση για α) τον υπολογισμό της σχετικής απόστασης μεταξύ δύο (όχι υποχρεωτικά της ίδιας τεχνολογίας) δικτυακών κόμβων ενδιαφέροντος και β) για την διαχείριση κινητικότητας κινητών δικτυακών κόμβων με περιορισμένους πόρους, π.χ. όσους λειτουργούν με μπαταρία. Υπό το πρίσμα της αξιοποίησης των ανωτέρω πληροφοριών για την βελτίωση του υπολογισμού σχετικής θέσης και της διαχείρισης κινητικότητας, στην παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνουμε και συμβάλλουμε στις ακόλουθες τέσσερις ερευνητικές περιοχές: i) υπολογισμός σχετικής θέσης και εύρεση σημείου-προς-σημείο μεταξύ ετερογενών ασύρματων δικτυακών στοιχείων, ii) εύρεσης συνδέσεων συσκευής-προς-συσκευή σε κυψελωτά δίκτυα με υποβοήθηση από το δίκτυο, iii) ενεργειακά-αποδοτικών οριζόντιων μεταπομπών σε δίκτυα μακροκυψελών - φεμτοκυψελών, iv) υποβοηθούμενης από το δίκτυο κάθετης μεταπομπής σε ενοποιημένα δίκτυα κυψελωτών επικοινωνιών και επικοινωνιών τοπικής πρόσβασης.Στην περιοχή υπολογισμού σχετικής θέσης και εύρεσης σημείου-προς-σημείο σε ετερογενή δίκτυα, εξάγουμε αναλυτικές σχέσεις κλειστού τύπου για την κατανομή της σχετικής απόστασης μεταξύ δύο ετερογενών ασυρμάτων δικτυακών στοιχείων, δοσμένης μερικής (ή πλήρους) γνώσης για την γενικότερη τοπολογία του ετερογενούς δικτύου. Η εξαχθείσες σχέσεις μας επιτρέπουν να αναλύσουμε την απόδοση της διαδικασίας υπολογισμού σχετικής θέσης και εύρεσης σημείου-προς-σημείο μεταξύ ασυρμάτων δικτυακών στοιχείων διαφορετικής τεχνολογίας. Στην περιοχή εύρεσης συνδέσεων συσκευής-προς-συσκευή σε κυψελωτά δίκτυα με υποβοήθηση από το δίκτυο, αναλύουμε την απόδοση της εύρεσης συνδέσεων συσκευής-προς-συσκευή σε κυψελωτά δίκτυα με τυχαία κατανομή κόμβων και δυνατότητα υποβοήθησης από το δίκτυο, και εξάγουμε χρήσιμες κατευθυντήριες γραμμές για την βελτίωση της εν λόγω λειτουργίας σε σημερινά κυψελωτά δίκτυα. Στην περιοχή οριζόντιων μεταπομπών σε δίκτυα μακροκυψελών – φεμτοκυψελών, προτείνουμε έναν ενεργειακά-αποδοτικό αλγόριθμο μεταπομπής για δίκτυα μακροκυψελών – φεμτοκυψελών και εξετάζουμε όλες τις απαιτήσεις εφαρμογής του στο κυψελωτό σύστημα Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) που αναπτύχθηκε από την 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Στην περιοχή κάθετων μεταπομπών σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα, προτείνουμε έναν ενεργειακά-αποδοτικό αλγόριθμο κάθετης μεταπομπής, ο οποίος αξιοποιεί την δυνατότητα εξαγωγής ράδιο-μετρήσεων για την κατάσταση του καναλιού στους κυψελωτούς σταθμούς LTE-A και στα σημεία πρόσβασης που είναι συμβατά με το πρότυπο IEEE 802.11-2012.