Performance analysis and optimization of next generation wireless networks

Abstract

The Fifth Generation (5G) networks, including the 5G Vehicular Cloud Computing (5G-VCC) systems, have evolved rapidly offering multiple services to users. The operating principles of vehicular networks, Cloud Computing (CC), Fog Computing (FC), Mobile Edge Computing (MEC) and Software Defined Networks (SDN) are applied to 5G infrastructures. In a 5G-VCC system, the vehicles are equipped with On-Board Units (OBUs) which communicate with each other as well as with Road Side Units (RSUs). Each RSU interacts with a Cloud infrastructure which offers vehicular services with strict Quality of Service (QoS) requirements, including Driver Assistance (DA), Passengers Entertainment and Information (PEnI) and Medical (MED) services. Dense deployments of 5G access networks are also implemented, called Ultra Dense Networks (UDNs), aiming to support high data rates produced by an increased number of vehicular users. In this environment, heterogeneous technologies are used to transfer the network services to vehicles. Optimal manipulation of the communication resources is required, while at the same time vehicular users should always obtain connectivity to the most appropriate network access technology, in order the constraints of the vehicular services to be satisfied. In this thesis, existing schemes for resource allocation as well as for mobility management are studied, while novel solutions are proposed for each topic. Initially, the theoretical background of the 5G wireless networks and 5G-VCC systems is described. Subsequently, the available delivery models for providing cloud services in 5G infrastructures are mentioned, while the available 5G-VCC architectures and the communication models are presented.Regarding the topic of the manipulation of the available network resources in 5G-VCC systems, the available Medium Access Control schemes (MAC schemes) are studied, while at the same time resource scheduling algorithms implemented at the MAC layer of 5G-VCC systems are described. Subsequently, two novel solutions are proposed to optimize the resource allocation process in modern networks. The first one is called FLS Advanced (FLSA) and optimizes the resource allocation for real-time services. Additionally, the second one is called FLS Advanced - Cross Carrier (FLSA-CC) and is specialized for LTE-Advanced (LTE-A) access networks where carrier aggregation is applied in order to provide widened bandwidth to the users. The evaluation of the proposed algorithms is performed through extended experiments. Simulation results show that the proposed algorithms outperform existing solutions.The mobility management requirements arising at the 5G-VCC systems are also studied. As a result of this study, initially three methods for calculating the significance of the criteria affecting the mobility management are proposed, namely the Trapezoidal Fuzzy Analytical Network Process (TF-ANP), the Trapezoidal Fuzzy Adaptive Analytical Network Process (TF-AANP) and the Pentagonal Fuzzy Analytical Network Process (PF-ANP). Subsequently, three network selection algorithms are proposed, namely the Trapezoidal Fuzzy TOPSIS (TFT), the Trapezoidal Fuzzy TOPSIS with Adaptive Criteria Weights (TFT-ACW) and the Pentagonal Fuzzy TOPSIS (PFT). Following this study and regarding the research results of the implemented algorithms, a mobility management scheme is proposed. This scheme takes into consideration the Signal to Noise plus Interference (SINR) parameters as well as the velocity of the vehicular users to evaluate the necessity of performing a handover. Then, it applies the PFT algorithm to select the most appropriate network for the user. Experimental results showed that the proposed scheme outperforms the existing solutions described in the research literature.

Η μελέτη της διατριβής εντάσσεται στην ερευνητική περιοχή των ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων και ειδικότερα των δικτύων Πέμπτης Γενιάς (Fifth Generation -5G). Τα δίκτυα 5G, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων 5G Vehicular Cloud Computing (5GVCC) , έχουν εξελιχθεί με ταχείς ρυθμούς προσφέροντας πολλαπλές σύγχρονες υπηρεσίες στους χρήστες. Σε μία υποδομή 5G, συνηθίζεται να εφαρμόζονται οι αρχές λειτουργίας που διέπουν τα οχηματικά δίκτυα, το Cloud Computing (CC) , το Fog Computing (FC) , το Mobile Edge Computing (MEC) και τα Software Defined Networks (SDN) . Επιπρόσθετα, σε ένα σύστημα 5G-VCC, τα οχήματα είναι εξοπλισμένα με υπολογιστικές μονάδες επί του οχήματος (On Board Units - OBU) οι οποίες επικοινωνούν μεταξύ τους καθώς και με υπολογιστικές μονάδες εγκατεστημένες δίπλα στο οδικό δίκτυο (Road Side Units - RSU). Κάθε μονάδα RSU αλληλεπιδρά με μία υποδομή Cloud, η οποία προσφέρει υπηρεσίες με αυστηρές απαιτήσεις ως προς την Ποιότητας της Υπηρεσίας (Quality of Service - QoS). Ενδεικτικά, υπηρεσίες υποστήριξης του οδηγού (Driver Assistance - DA) , υπηρεσίες ψυχαγωγίας και ενημέρωσης των επιβατών (Passengers Entertainment and Information - PEnI) , καθώς και ιατρικές υπηρεσίες (Medical - MED) συνηθίζεται να παρέχονται στα οχήματα από την προαναφερθείσα υποδομή Cloud. Επίσης, σε μία αρχιτεκτονική 5G, συνηθίζεται η ανάπτυξη πυκνών υποδομών πρόσβασης στο δίκτυο, οι οποίες αναφέρονται ως Ultra Dense Networks (UDN) . ΄Ενα UDN αναπτύσσεται με στόχο την υποστήριξη των υψηλών ρυθμών δεδομένων που παράγονται από τον αυξημένο αριθμό οχηματικών χρηστών. Στο εν λόγω περιβάλλον ασύρματης πρόσβασης χρησιμοποιούνται ετερογενείς τεχνολογίες για τη μεταφορά των δικτυακών υπηρεσιών από το Cloud στα οχήματα. Όπως γίνεται σαφές, απαιτείται βέλτιστος χειρισμός των τηλεπικοινωνιακών πόρων, ενώ ταυτόχρονα οι χρήστες των οχημάτων θα πρέπει πάντα να αποκτούν συνδεσιμότητα με την καταλληλότερη τεχνολογία πρόσβασης στο δίκτυο, προκειμένου να ικανοποιούνται οι περιορισμοί των υπηρεσιών που χρησιμοποιούν.Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετώνται τα μοντέλα κατανομής πόρων, καθώς και τα μοντέλα διαχείρισης της κινητικότητας των χρηστών, που έχουν προταθεί από την ερευνητική κοινότητα, ενώ νέες βελτιστοποιημένες λύσεις προτείνονται για κάθε ένα από τα εν λόγω ζητήματα. Συγκεκριμένα, αρχικά αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο στο οποίο βασίζεται η διατριβή. Περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν τα συστήματα 5G, και πραγματοποιείται μνεία στα συστήματα 5G Vehicular Cloud Computing (5G-VCC). Πραγματοποιείται επίσης μία επισκόπηση των διαθέσιμων μοντέλων παροχής υπηρεσιών υπολογιστικού νέφους, καθώς και κατηγοριοποίησή τους. Ακολούθως, πραγματοποιείται εκτενής επισκόπηση των ασύρματων δικτύων 5G, με έμφαση στα συστήματα 5G-VCC που έχουν προταθεί στην ερευνητική βιβλιογραφία, όπου αναλύονται οι αρχιτεκτονικές τους, τα μοντέλα επικοινωνίας μεταξύ των συστατικών τους, καθώς και οι αρχές που εφαρμόζονται για την διάθεση των υπηρεσιών που αυτά προσφέρουν.Στη συνέχεια, εξετάζεται ο τομέας της διαχείρισης των δικτυακών πόρων των ασύρματων δικτύων επόμενης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων των δικτύων 5G και των συστημάτων 5G-VCC. Στο πλαίσιο της μελέτης αυτής, προτείνονται δύο νέοι αλγόριθμου χρονοπρογραμματισμού για ασύρματα δίκτυα 5G. Συγκεκριμένα, αρχικά προτείνεται ο αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμού FLS Advanced (FLSA) , ο οποίος βελτιστοποιεί την εξυπηρέτηση υπηρεσιών πραγματικού χρόνου. Στη συνέχεια προτείνεται ο αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμού FLS Advanced - Cross Carrier (FLSA-CC) ο οποίος αποτελεί εξέλιξη του αλγορίθμου FLSA του οποίου η εφαρμογή εξειδικεύεται για δίκτυα LTE-Advanced (LTE-A) όπου πραγματοποιείται συνένωση πολλαπλών φερουσών συχνοτήτων (carrier aggregation) με σκοπό τη διεύρυνση του διαθέσιμου εύρους ζώνης.Εξετάζεται επίσης ο τομέας της διαχείρισης της κινητικότητας των χρηστών ασύρματων δικτύων επόμενης γενιάς. Αρχικά, πραγματοποιείται μελέτη των απαιτήσεων που υπάρχουν στα ασύρματα δίκτυα 5G, με έμφαση στα συστήματα 5G-VCC, ως προς τη διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών. Ακολούθως, προτείνεται ένα σύνολο μεθόδων για τον υπολογισμό της σημαντικότητας των κριτηρίων που μπορεί να ληφθούν υπόψη κατά τη διάρκεια της διαχείρισης της κινητικότητας των χρηστών. Οι εν λόγω μέθοδοι αναφέρονται ως Trapezoidal Fuzzy Analytic Network Process (TF-ANP), Trapezoidal Fuzzy Adaptive Analytic Network Process (TF-AANP) και Pentagonal Fuzzy Analytic Network Process (PF-ANP) . Επίσης, προτείνεται ένα σύνολο αλγορίθμων που αφορούν την επιλογή του καταλληλότερου δικτύου πρόσβασης για τον εκάστοτε χρήστη, οι οποίοι αναφέρονται ως Trapezoidal Fuzzy TOPSIS (TFT), Trapezoidal Fuzzy TOPSIS with Adaptive Criteria Weights (TFT-ACW) και Pentagonal Fuzzy TOPSIS (PFT). Ως αποτέλεσμα της εν λόγω έρευνας, προτείνεται ένα νέο μοντέλο, το οποίο εξειδικεύεται στη διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών που αλληλοεπιδρούν με συστήματα 5G-VCC. Το μοντέλο αυτό, λαμβάνει υπόψη το Signal to Noise plus Interference (SINR) καθώς και την ταχύτητα κίνησης του χρήστη, ώστε να αξιολογήσει την ανάγκη πραγματοποίησης διαπομπής, ενώ στη συνέχεια εφαρμόζει τον αλγόριθμο PFT για την επιλογή του καταλληλότερου δικτύου για τον χρήστη. Το μοντέλο αξιολογείται ενδελεχώς μέσω προσομοιώσεων, μέσω των οποίων αποδεικνύεται ότι βελτιστοποιεί τη διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών ξεπερνώντας τις υπάρχουσες λύσεις που περιγράφονται στη βιβλιογραφία.