Study and development of algorithms for managing and optimizing wireless resources in environments of multiple technologies

Abstract

Due to the radical changes in our daily habits, a persistent raise of global wireless traffic has been observed during the past years. Consequently, the traditional macro-cell networks, are now incapable of serving their users requirements efficiently. This led to the parallel deployment of smaller and denser heterogeneous cells, which is vastly proposed in the context of 5G architectures. Additionally, the principles of softwarization and cloudification are widely applied in those architectures, thus enabling the exploitation of all the available radio resources in a unified way. At first glance, using the aforementioned techniques may seem an ideal solution to the capacity crunch phenomenon. However, the majority of the densely deployed heterogeneous cells in 5G networks are operating under the same limited spectrum bands, with little or no coordination at all. Therefore, large amount of unpredicted interference is present, which leads to questionable performance at these environments. Additionally, on the one hand, treating the radio resources as a service may result in a more efficient resource utilization, compared to the static spectrum allocation. On the other hand, this also increases greatly the complexity in terms of network orchestration. To effectively eliminate the capacity shortage, the careful network planning and the agile resource management are now considered essential. The aim of this doctoral thesis is to develop and present novel frameworks that improve the resource utilization in modern heterogeneous wireless systems. Initially, this dissertation deals with the interference detection and avoidance at the widely deployed IEEE 802.11 systems. As the Wi-Fi standard is playing a significant role in 5G networks, this thesis analytically presents how the increased spectral awareness can boost network performance under user association, channel selection and interference prediction schemes. Last but not least, this thesis also focuses on dynamic leasing and pricing of networking resources in 5G multi-tenancy environments. The blueprints for a dynamic Policy and Charging Control core network entity are created under the use of Service Level Agreements. It is worth to be noted that all the frameworks developed in the context of this thesis have been experimentally evaluated in real wireless testbeds.

Λόγω των ριζικών αλλαγών στην καθημερινότητα μας, μια απότομη αύξηση της παγκόσμιας ασύρματης συνδεσιμότητας έχει παρατηρηθεί τα τελευταία χρόνια. Επομένως, τα παραδοσιακά δίκτυα μεγάλης εμβέλειας (macro-cells) είναι πλέον ανεπαρκή να εξυπηρετήσουν αποτελεσματικά τις απαιτήσεις των χρηστών τους. Αυτό οδήγησε στην παράλληλη ανάπτυξη μικρότερων και πυκνότερων ετερογενών κυψελών (Heterogeneous networks), η οποία προτείνεται ευρέως στο πλαίσιο των δικτύων 5ης γενιάς (5G). Επιπρόσθετα, εκεί εμφανίζονται οι έννοιες του «softwarization» και «cloudification», επιτρέποντας έτσι την εκμετάλλευση όλων των διαθέσιμων δικτυακών πόρων (radio resources) με ενιαίο τρόπο. Εκ πρώτης όψεως, τα παραπάνω φαντάζουν ιδανική λύση για το φαινόμενο έλλειψης πόρων (capacity crunch). Παρόλα αυτά, αρκετή προσοχή πρέπει να δοθεί, καθώς η πλειοψηφία των πυκνά τοποθετημένων ετερογενών κυψελών (ultra-dense HetNets) στα δίκτυα 5G περιέχει τεχνολογίες και πρότυπα που χρησιμοποιούν τις ίδιες περιορισμένες ζώνες συχνοτήτων. Εκτός αυτού, ελάχιστος έως καθόλου συντονισμός υπάρχει μεταξύ αυτών των προτύπων στα επίπεδα προτεραιότητας μεταδόσεων και συνύπαρξης. Επομένως, μεγάλη ποσότητα απρόβλεπτων παρεμβολών δημιουργείται, γεγονός που οδηγεί σε αμφισβητήσιμη απόδοση σε αυτά τα περιβάλλοντα. Τέλος, αφενός μεν ο χειρισμός των ασύρματων δικτυακών πόρων ως υπηρεσία (radio as a service) μπορεί να οδηγήσει σε πιο αποτελεσματική χρήση πόρων και σε σύγκριση με την στατική κατανομή φάσματος. Αφετέρου, αυτό αυξάνει κατά πολύ την πολυπλοκότητα όσον αφορά την ενορχήστρωση του δικτύου.Για να αντιμετωπιστεί αποτελεσματικά η έλλειψη φάσματος, απαιτείται προσεκτικός δικτυακός σχεδιασμός και ευέλικτη διαχείριση πόρων. Στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και παρουσίαση νέων μοντέλων και μηχανισμών, τα οποία βελτιώνουν την αξιοποίηση των πόρων σε σύγχρονα ασύρματα συστήματα πολλαπλών προτύπων. Αρχικά, η παρούσα διατριβή, ασχολείται με τον εντοπισμό και την αποφυγή παρεμβολών στα ευρέως διαδεδομένα συστήματα IEEE 802.11 (Wi-Fi). Δεδομένου ότι το πρότυπο Wi-Fi κατέχει σημαντικό ρόλο στα δίκτυα 5G, η διατριβή αυτή παρουσιάζει αναλυτικά πως η ορθή φασματική ανάλυση μπορεί να ενισχύσει την απόδοση του δικτύου κάτω από σχήματα επιλογής σταθμού βάσης, επιλογής καναλιών και πρόβλεψης παρεμβολών στο μέλλον. Επιπρόσθετα, η διατριβή αυτή εστιάζει και στην δυναμική μίσθωση και τιμολόγηση των ασυρμάτων πόρων δικτύωσης σε περιβάλλοντα 5G. Για τον λόγο αυτό, δημιουργούνται τα προσχέδια για μια οντότητα που έχει ως σκοπό την δυναμική τιμολόγηση του διαθέσιμου φάσματος. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί, ότι όλα τα μοντέλα και οι μηχανισμοί που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο αυτής της διατριβής έχουν αξιολογηθεί πειραματικά σε πραγματικές ασύρματες υποδομές (wireless testbeds).