Exploiting cognition for energy and spectrum efficient wireless networks

Abstract

Nowadays, there is an increased need for anywhere, anytime connectivity, which is expected to increase significantly during the next few years. In order to meet the consequent high data traffic demands, dramatic expansion of network infrastructures as well as fast escalation of energy demands are expected. As a result, it becomes urgent for mobile operators not only to maintain sustainable capacity growth to meet these new demands, but also to limit their electric bill. In parallel, the fact that the spectrum resources are limited has led to another important problem, known as spectrum scarcity, which stresses the need for spectral efficient solutions. The aforementioned goals can be summarized into the joint maximization of energy and spectrum efficiency, which constitutes a fundamental design objective for next generation networks. To that end, exploiting cognition is expected to play a key role. In general, a cognitive network is able to sense its environment and dynamically adapt to it. In particular, cognitive networks, which could be alternatively characterized as context-aware or self-organizing networks (SONs), have the ability to perceive current network conditions, plan, decide, act based on those conditions, learn from the consequences of their actions, all while following end-to-end goals. This loop, the cognition loop, senses the environment, plans actions according to input from sensors and network policies, decides which scenario ts best its end-to-end purpose using a reasoning engine, and finally acts on the chosen scenario. The system learns from the past (situations, plans, decisions, actions) and uses this knowledge to improve the decisions in the future. Thus, the main objective of this thesis is to propose and evaluate medium-access layer algorithms that will exploit different types of cognition to provide energy and spectrum efficiency enhancement. In particular, two main research directions are followed: i) the first focuses on spectrum-awareness in cognitive radio (CR) networks inspired by the pioneering work conducted by Mitola in 1999, and ii) the second focuses on the context-aware self-adaptation of cellular heterogeneous networks (HetNets) (i.e., SONs). In both contexts, the exploitation of the available information plays a key role in providing sustainable wireless networks. However, given the different needs and features that characterize each of these networks, they are studied separately. Hence, the first part of this thesis focuses on the coexistence of secondary networks (SNs) that share the same primary user (PU) resources. A coexistence scheme is proposed as well as a novel energy-efficient contention-aware channel selection algorithm, which: i) exploits cooperative spectrum sensing to detect the free from PU activity licensed channels; ii) for each one of them, it estimates the probability of collision; and iii) selects the less contended (i.e., with the lowest probability of collision) to access first. An analytical model for the throughput and the energy efficiency of the SN under study is provided, which is validated by means of simulation. The proposed channel selection algorithm is shown to outperform its counterparts both in terms of throughput and energy efficiency. The proposed SN coexistence scheme is also shown to achieve throughput and energy efficiency gains, while maintaining fairness among the coexisting SNs. The second part of the thesis focuses on cognitive HetNets with multi-hop small cell (SC) backhaul (BH) links. The multi-hop BH is a promising solution since i) not all SCs are expected to have a direct connection to the core network, and consequently they are likely to forward their traffic to the neighboring SCs to reach it, and ii) the expected short length of BH links enables the use of millimeter wave (mmWave) frequencies to provide high-capacity BH. In this context, this thesis studies the role of BH aiming to answer to whether or not it could constitute an energy bottleneck for the HetNet. In particular, the BH energy impact is compared to the access network (AN), i.e., the links between the users and their serving cells, under different traffic distribution scenarios and BH technologies. Moreover, the user association problem is studied, aiming at the joint maximization of energy and spectrum efficiency of the network without compromising the user equipment (UE) quality of service (QoS) requirements. To that end, analytical user association frameworks are provided, which can be used as benchmarks for the performance evaluation of different user association solutions. Given the need for low-complexity solutions, we also propose efficient heuristic algorithms which exploit context-aware information (i.e., UE measurements and requirements, the HetNet architecture knowledge and the available spectrum resources of each base station (BS)) to associate the UEs in an energy- and spectrum-efficient way, while considering both the AN and BH energy consumption. The proposed algorithms as well as the derived optimal solutions are compared with reference approaches for different BH technologies and traffic distribution scenarios. Insights are gained into the energy and spectrum efficiency trade-off. Furthermore, our results indicate that i) mmWave BH is a promising solution to provide low-consumption, high-capacity BH, and ii) that the proposed algorithms can achieve notable performance gains compared to the state-of-the-art while achieving near-optimal performance.

O κύριος στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να προτείνει και να αξιολογήσει αλγορίθμους πρόσβασης μέσου (επιπέδου MAC), που θα εκμεταλλεύονται διαφορετικούς τύπους γνώσης (context-aware) για την επίτευξη φασματικής και ενεργειακής αποδοτικότητας (energy and spectrum efficiency). Συγκεκριμένα, ακολουθήθηκαν δύο βασικές κατευθύνσεις έρευνας: i) η πρώτη επικεντρώνεται στην “επίγνωση του φάσματος” (spectrum-awareness) σε δίκτυα γνωστικού ραδιοφώνου (cognitive radio, CR) εμπνευσμένο από το πρωτοποριακό έργο που πραγματοποίησε ο Mitola το 1999, και ii) το δεύτερο στην αυτοπροσαρμογή (self-adaptation) των κυψελωτών ετερογενών δικτύων (HetNets) με επίγνωση του πλαισίου (context-awareness) (δηλ. self-organzing networks, SONs). Και στα δύο μέρη, η εκμετάλλευση των διαθέσιμων πληροφοριών παίζει καθοριστικό ρόλο στην παροχή βιώσιμων ασύρματων δικτύων (sustainable wireless networks). Ωστόσο, δεδομένων των διαφορετικών αναγκών και χαρακτηριστικών που χαρακτηρίζει το καθένα από αυτά τα δίκτυα, μελετώνται χωριστά σε αυτή την διπλωματική.Ως εκ τούτου, το πρώτο μέρος αυτής της διατριβής εστιάζει στη συνύπαρξη δευτερευόντων δικτύων (Secondary Networks, SNs) που μοιράζονται τους ίδιους πόρους κύριου χρήστη (Primary User, PU resources). Προτείνεται ένα σχέδιο συνύπαρξης (coexistence scheme) καθώς και ένας καινοτόμος ενεργειακά αποδοτικός αλγόριθμος επιλογής καναλιού με επίγνωση διεκδίκησης (contention-aware), που: i) εκμεταλλεύεται την συνεργατική ανίχνευση φάσματος (cooperative spectrum sensing) για να ανιχνεύσει τα αδειοδοτημένα κανάλια που είναι ελεύθερα δραστηριότητας κυρίου χρήστη (licensed channels free from PU activity), ii) για κάθε ένα από αυτά, εκτιμά την πιθανότητα της σύγκρουσης (probability of collision), και iii) επιλέγει το λιγότερο διεκδικούμενο (δηλαδή, με τη μικρότερη πιθανότητα σύγκρουσης) για να μεταβεί πρώτα. Παρέχεται και ένα αναλυτικό μοντέλο για τη ρυθμαπόδοση και την ενεργειακή αποδοτικότητα του δευτερεύοντος δικτύου υπό μελέτη (SN under study), το οποία επικυρώνεται μέσω προσομοιώσεων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιλογής καναλιού αποδεικνύεται ότι επιτυγχάνει μεγαλύτερη ρυθμαπόδοση και ενεργειακή αποδοτικότητά από τους αντίστοιχους αλγορίθμους διαθέσιμους στη βιβλιογραφία. Η προτεινόμενη τεχνική συνύπαρξης δευτερεύοντος δικτύου (SN coexistence scheme) αποδεικνύεται επίσης ότι επιτυγχάνει υψηλή ρυθμαπόδοση και ενεργειακή αποδοτικότητα, διατηρώντας παράλληλα και δικαιοσύνη στην πρόσβαση μεταξύ των συνυπαρχόντων δευτερευόντων δικτύων.Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στα «γνωστικά» (cognitive) ετερογενή δίκτυα (HetNets) με backhaul ζεύξεις μικροκυψελών πολλαπλών αλμάτων multi-hop small cell (SC) backhaul (BH) links. Το backhaul πολλαπλών αλμάτων (multi-hop BH) είναι μια πολλά υποσχόμενη λύση επειδή: i) δεν αναμένεται να έχουν όλες οι μικροκυψέλες (SC) απευθείας σύνδεση με το δίκτυο κορμού (core network) και κατά συνέπεια, είναι πιθανό να χρειάζεται να προωθήσουν την κίνηση τους στις γειτονικές μικροκυψέλες για να φτάσουν το δίκτυο κορμού, και ii) το αναμενόμενο μικρό μήκος των συνδέσεων backhaul επιτρέπει τη χρήση χιλιοστομετρικών κυμάτων (millimeter wave, mmWave) για παροχή συνδέσεων backhaul υψηλής χωρητικότητας. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή μελετά το ρόλο του backhaul με στόχο να απαντήσει στο εάν θα μπορούσε ή όχι να αποτελέσει ένα ενεργειακό σημείο συμφόρησης (energy bottleneck) για το ετερογενές δίκτυο. Συγκεκριμένα, ο αντίκτυπος της κατανάλωσης ενέργειας στο BH συγκρίνεται με εκείνο του δικτύου ραδιοπρόσβασης (Access Network, AN), δηλαδή με τις συνδέσεις μεταξύ των χρηστών και των κυψελών που τους εξυπηρετούν, για μια πληθώρα από διαφορετικά σενάρια κατανομής κίνησης (traffic distribution scenarios) και τεχνολογίες για το backhaul.