Πρόβλεψη και αξιοποίηση ασύρματων διαύλων

Abstract

This doctoral thesis deals with the study and development of mechanisms for the predictionand utilization of wireless channels. The enormous increase in the number of spectrumusers, the evolution of wireless services and the necessity for beƩer utilizaƟon has renderedefficient spectral resources management imperaƟve. Cognitive radio networks have beenintroduced to address spectrum scarcity by implementing heterogeneous architectures andadvanced techniques for spectrum access. Cognitive radio networks allow secondary usersto access non-licensed frequency bands or frequency bands already allocated to other users,the so-called primary users.The thesis is divided into three parts. The first part introduces the basic concepts relatedto the thesis and the tools employed to solve the problems related to prediction and utilizationof wireless channels. In the beginning, the key elements of cognitive radio networks and​spectrum management are presented as open research issues. Next, the various kinds of spectrum access are presented. A detailed description of various methods for the predictionof primary users traffic performed by secondary users is given in the framework of opportunisticspectrum access. Then, the general concept of spectrum market is discussedfocusing on the different kinds of traded goods, the optimization objectives and the variousforms of spectrum markets. 5G networks and the relevant role of cognitive radio networksis briefly presented. Finally, the basic mathematical tools for tackling problems related tothe predicƟon and utilization of spectrum channels are briefly presented.The second part of the thesis deals with the prediction of wireless channels. The secondaryusers sense the channels unƟl the first channel available is found. Determining the optimalchannel sensing order is crucial for proper exploitation of spectral opportunities. This problemis dealt using reinforcement learning that takes into account information acquired duringthe normal operaƟon of secondary users. This procedure aims at determining the optimalchannel classificaƟon based on (i) their probability of being idle and (ii) their average availabilityduration. The performance of the proposed learning algorithms, which are distributed andbased only on own information, is examined both in staƟc and dynamic environments.The exploitation of wireless channels through spectrum trading is addressed in the thirdpart of the thesis. Enabling hybrid spectrum access of secondary users is investigated. Inthis framework, various system models as well as types of spectrum operators are examined Initially, spectrum trading is approached employing contract theory. Optimal contract designfor traded spectrum and price is determined under complete or incomplete information asto the transmission characteristics of the secondary users. The spectrum trading problem inan environment where different kinds of spectrum operators coexist with secondary usersis addressed with game theory. A spectrum access selection game governing the secondaryusers behaviour and a pricing game played by the spectrum operators are formulated. Nashequilibria are sought for these games and their dependence on the system’s parameters isinvestigated.

Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη και ανάπτυξη μηχανισμών για τη πρόβλεψη και βέλτιστη διαχείριση ασυρμάτων διαύλων. Η ραγδαία αύξηση των χρηστών, των ασυρμάτων υπηρεσιών αλλά και των απαιτήσεών τους σε εύρος ζώνης, έχει καταστήσει αναγκαία τη βέλτιστη διαχείριση του ραδιοφάσματος. Προς τούτο έχουν προταθεί τα γνωστικά δίκτυα επικοινωνιών, τα οποία, μέσω ετερογενών αρχιτεκτονικών και εξελιγμένων τεχνικών πρόσβασης στο φάσμα, ανοίγουν νέες προοπτικές για την αξιοποίησή του. Τα γνωστικά δίκτυα επικοινωνιών προσφέρουν τη δυνατότητα σε δευτερεύοντες χρήστες να έχουν τη δυνατότητα πρόσβασης είτε σε μη αδειοδοτημένες ζώνες συχνοτήτων είτε σε ζώνες συχνοτήτων που έχουν αποδοθεί σε πρωτεύουσα βάση σε άλλους (πρωτεύοντες) χρήστες.Η διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος εστιάζει στην εισαγωγή των βασικών εννοιών που πραγματεύεται η διατριβή και των εργαλείων που χρησιμοποιούνται για την επίλυση των προβλημάτων πρόβλεψης και διαχείρισης ασυρμάτων διαύλων. Αρχικά, πραγματοποιείται ανασκόπηση των γνωστικών επικοινωνιών και εισάγονται οι βασικές έννοιες στην περιοχή της διαχείρισης του φάσματος που αποτελούν ανοικτά ερευνητικά ζητήματα. Στη συνέχεια, περιγράφονται οι διαφοροι τρόποι πρόσβασης στο φάσμα. Στη περίπτωση της ευκαιριακής πρόσβασης στο φάσμα παρουσιάζονται οι εναλλακτικές μέθοδοι πρόβλεψης της κίνησης των πρωτευόντων χρηστών από τους δευτερεύοντες χρήστες. Κατόπιν, εισάγεται η έννοια της αγοράς φάσματος, τα είδη αγοραπωλησίας φάσματος, οι στόχοι βελτιστοποίησης στο πλαίσιο μιας αγοράς φάσματος καθώς και οι διάφορες μορφές αγορών φάσματος. Ακολουθεί σύντομη αναφορά στα δίκτυα 5ης γενεάς και στη χρήση των γνωστικών δικτύων επικοινωνιών σε αυτά. Τέλος, περιγράφονται τα βασικά μαθηματικά εργαλεία που θα χρησιμοποιηθούν στη διατριβή για την αντιμετώπιση των προβλημάτων πρόβλεψης και διαχείρισης ασυρμάτων διαύλων.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αντιμετωπίζεται το γενικό πρόβλημα της πρόβλεψης ασυρμάτων διαύλων. Οι δευτερεύοντες χρήστες πραγματοποιούν ανίχνευση των καναλιών μέχρι να εντοπιστεί το πρώτο διαθέσιμο κανάλι. Στο πλαίσιο αυτό, ο προσδιορισμός της σειράς ανίχνευσης των καναλιών είναι καθοριστικός για τη βέλτιστη αξιοποίηση των φασματικών ευκαιριών. Το πρόβλημα προσεγγίζεται με χρήση ενισχυτικής μάθησης που βασίζεται σε πληροφορία που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας των δευτερευόντων χρηστών και αποσκοπεί στην ορθή ταξινόμηση των καναλιών με βάση (ι) την πιθανότητα να είναι ελεύθερα και (ιι) τη μέση χρονική διάρκεια κατά την οποία είναι ελεύθερα. Η απόδοση των προτεινομένων αλγορίθμων, που είναι πλήρως κατανεμημένοι βασιζόμενοι αποκλειστικά σε πληροφορία που συλλέγεται ατομικά από τους δευτερεύοντες χρήστες,εξετάζεται τόσο σε στατικά όσο και σε δυναμικά περιβάλλοντα.Η βέλτιστη διαχείριση ασυρμάτων διαύλων μέσω της αγοράς φάσματος αντιμετωπίζεται στο τρίτο μέρος της διατριβής. Μετά την εισαγωγή της έννοιας της υβριδικής πρόσβασης στο φάσμα, εξετάζονται εναλλακτικά μοντέλα συστήματος καθώς και διάφορα είδη διαχειριστών φάσματος. Αρχικά, το θέμα της αγοράς φάσματος προσεγγίζεται μέσω της θεωρίας συμβολαίων και προσδιορίζεται ο βέλτιστος σχεδιασμός συμβολαίων εύρους ζώνης-τιμής φάσματος, υπό πλήρη και μη πλήρη πληροφορία ως προς τα χαρακτηριστικά των δευτερευόντων χρηστών. Το πρόβλημα της αγοράς φάσματος σε περιβάλλον όπου υπάρχουν διαφορετικοί διαχειριστές φάσματος με ομοιογενείς δευτερεύοντες χρήστες προσεγγίζεται μέσω της θεωρίας παιγνίων. Διατυπώνεται ένα παίγνιο επιλογής τρόπου πρόσβασης στο φάσμα από τους δευτερεύοντες χρήστες που συνοδεύεται/αξιοποιείται από ένα παίγνιο τιμολόγησης από τους διαχειριστές φάσματος και εξετάζεται η ισορροπία που επιτυγχάνεται.