Intelligent resource allocation in communication networks

Abstract

The use of information derived through networking plays a transformative role in many areas of human activity, including work, education, entertainment, and environmental monitoring. The need for networking for both people and any device that can produce useful information is growing, thus launching the volume of data that network infrastructures have to manage. In addition to the increased volume, networks must meet the evolving requirements that exist in the flow of information related to throughput, latency, reliability, and security.Faced with the aforementioned challenges, the operation of the networks is forced to follow its own evolution which is based on three main factors of different importance that interact with each other. The first and most important of these factors is the evolution of physical layer technologies, such as the transition from copper wire to fiber optics, the application of advanced modulation techniques and the improvement of the performance of the hardware used. The evolution of technology at the physical layer multiplies the available resources, enabling networks to improve both quantitatively and qualitatively the services they can provide. The second factor of networks development is the design and planning of their infrastructure, which is driven both by the new capabilities that come from the evolution of technologies of the physical level, and by the increased requirements of modern applications, thus creating new types of networks and technologies capable of coping with them. Such new technologies include software defined network, network function virtualization, big data networking and network slicing, while new types of networks include sensor networks, elastic optical networks, passive optical networks, and radioover fiber networks. The third factor is the creation of mechanisms that will control the effective operation of new network technologies. These mechanisms include the creation and development of protocols and algorithms whose purpose is the efficient use and distribution of available network resources. The evolution of network technologies, in addition to offering new capabilities and increased available resources, create problems of a high degree of complexity regarding their optimal utilization. For this reason, these mechanisms have to use advanced problem-solving methods and tools such as artificial intelligence and machine learning.The dissertation is related to the third factor of networks development and aims to explore and present solutions to open research issues, related to the creation of control and resources management mechanisms, concerning state of the art access and backbone networks. The PhD thesis consists of four parts in which protocols and algorithms which enhance the operation of radio over fiber, passive optical, elastic optical and sensor networks are proposed respectively. In all cases the efficiency of the proposed mechanisms is compared with relevant one from the literature using analytic simulation scenarios and results.

Η χρήση της πληροφορίας μέσω των σύγχρονων δικτύων δεδομένων παίζει εξελικτικό ρόλο σε πολλούς τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας, συμπεριλαμβανομένης της εργασίας, της εκπαίδευσης, της ψυχαγωγίας και της παρακολούθησης του περιβάλλοντος. Η ανάγκη για δικτύωση τόσο για τους ανθρώπους όσο και για κάθε συσκευή που μπορεί να παράγει χρήσιμες πληροφορίες αυξάνεται, εκτοξεύοντας έτσι τον όγκο δεδομένων που πρέπει να διαχειριστούν οι δικτυακές υποδομές. Εκτός από τον αυξημένο όγκο, τα δίκτυα πρέπει να εξυπηρετούν τις εξελισσόμενες απαιτήσεις που υπάρχουν στη ροή πληροφοριών που σχετίζονται με την απόδοση, την καθυστέρηση, την αξιοπιστία και την ασφάλεια.Αντιμέτωπη με τις προαναφερθείσες προκλήσεις, η λειτουργία των δικτύων αναγκάζεται να ακολουθήσει τη δική της εξέλιξη που βασίζεται σε τρεις βασικούς παράγοντες διαφορετικής σημασίας που αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους. Ο πρώτος και σημαντικότερος από αυτούς τους παράγοντες είναι η εξέλιξη των τεχνολογιών του φυσικού επιπέδου, όπως η μετάβαση από το σύρμα χαλκού στην οπτική ίνα, η εφαρμογή προηγμένων τεχνικών διαμόρφωσης και η βελτίωση της απόδοσης του υλικού που χρησιμοποιείται. Η εξέλιξη της τεχνολογίας στο φυσικό επίπεδο πολλαπλασιάζει τους διαθέσιμους πόρους, επιτρέποντας στα δίκτυα να βελτιώσουν τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά τις υπηρεσίες που μπορούν να παρέχουν. Ο δεύτερος παράγοντας ανάπτυξης των δικτύων είναι ο σχεδιασμός και εξέλιξη των υποδομών τους, ο οποίος καθοδηγείται τόσο από τις νέες δυνατότητες που προέρχονται από την εξέλιξη των τεχνολογιών του φυσικού επιπέδου, όσο και από τις αυξημένες απαιτήσεις των σύγχρονων εφαρμογών, δημιουργώντας έτσι νέους τύπους δικτύων και τεχνολογιών ικανών να τις αντιμετωπίσουν. Τέτοιες νέες τεχνολογίες περιλαμβάνουν το διαδίκτυο των πραγμάτων, το δίκτυο καθορισμένο από λογισμικό (Software defined network), την εικονικοποίηση λειτουργιών δικτύου, τη δικτύωση μεγάλων δεδομένων , ενώ νέοι τύποι δικτύων περιλαμβάνουν δίκτυα αισθητήρων, ελαστικά οπτικά δίκτυα, παθητικά οπτικά δίκτυα και ασύρματα μέσω οπτικών ινών δίκτυα. Ο τρίτος παράγοντας είναι η δημιουργία μηχανισμών που θα ελέγχουν την αποτελεσματική λειτουργία των νέων τεχνολογιών δικτύου. Αυτοί οι μηχανισμοί περιλαμβάνουν τη δημιουργία και ανάπτυξη πρωτοκόλλων και αλγορίθμων που σκοπό έχουν την αποτελεσματική χρήση και διανομή των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Η εξέλιξη των τεχνολογιών δικτύου, εκτός από την προσφορά νέων δυνατοτήτων και αυξημένων διαθέσιμων πόρων, δημιουργεί προβλήματα υψηλού βαθμού πολυπλοκότητας όσον αφορά τη βέλτιστη αξιοποίησή τους. Για το λόγο αυτό, αυτοί οι μηχανισμοί πρέπει να χρησιμοποιούν προηγμένες μεθόδους και εργαλεία επίλυσης προβλημάτων όπως η τεχνητή νοημοσύνη και η μηχανική μάθηση.Η διατριβή σχετίζεται με τον τρίτο παράγοντα ανάπτυξης δικτύων και στοχεύει στη διερεύνηση και παρουσίαση λύσεων σε ανοιχτά ερευνητικά ζητήματα, που σχετίζονται με τη δημιουργία μηχανισμών ελέγχου και διαχείρισης πόρων, που αφορούν σύγχρονα δίκτυα πρόσβασης και κορμού. Η διδακτορική διατριβή αποτελείται από τέσσερα μέρη στα οποία προτείνονται πρωτόκολλα και αλγόριθμοι που βελτιώνουν τη λειτουργία των ασυρμάτων μέσω οπτικής ίνας, παθητικών οπτικών, ελαστικών οπτικών και δικτύων αισθητήρων αντίστοιχα. Σε όλες τις περιπτώσεις η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνεται με αντίστοιχους από τη βιβλιογραφία χρησιμοποιώντας αναλυτικά σενάρια και αποτελέσματα προσομοίωσης.