Βέλτιστη Κατανομή Πόρων και Εξυπηρέτηση Πολλαπλών Υπηρεσιών σε Ασύρματα Δίκτυα

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της βέλτιστης κατανομής πόρων και εξυπηρέτησης πολλαπλών υπηρεσιών σε ασύρματα δίκτυα τρίτης, τέταρτης και επόμενης γενιάς. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στη ζεύξη ανόδου και στην ικανοποίηση των κριτηρίων ποιότητας υπηρεσίας των χρηστών με υπηρεσίες πραγματικού χρόνου και υπηρεσίες δεδομένων, οι οποίες απαιτούν την τήρηση αυστηρών βραχυπρόθεσμων κριτηρίων καθυστέρησης και μακροπρόθεσμων κριτηρίων ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, αντίστοιχα. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω ιδιαιτερότητες, πραγματοποιείται μοντελοποίηση και επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης κατανομής των πόρων του δικτύου στους χρήστες καλύπτοντας το μέχρι τώρα ερευνητικό κενό στη διεθνή βιβλιογραφία. Αρχικά εισάγεται το πρόβλημα της βέλτιστης κατανομής ισχύος εκπομπής στη ζεύξη ανόδου CDMA ασύρματων δικτύων με την εξυπηρέτηση υπηρεσιών πραγματικού χρόνου. Στη συνέχεια, το πρόβλημα γενικεύεται και έχει ως στόχο τη βέλτιστη κατανομή ισχύος εκπομπής με την ταυτόχρονη εξυπηρέτηση πολλαπλών υπηρεσιών (δηλαδή υπηρεσιών πραγματικού χρόνου και υπηρεσιών δεδομένων). Έπειτα στα δύο προγενέστερα προβλήματα εισάγεται η έννοια της κυρτής κοστολόγησης ως προς την ισχύ εκπομπής των χρηστών με στόχο τη βελτίωση της λύσης του προβλήματος, με γνώμονα το κοινωνικό όφελος των χρηστών. Επιπρόσθετα, μοντελοποιείται το πρόβλημα της συνδυαστικής κατανομής ισχύος εκπομπής και ρυθμού μετάδοσης στη ζεύξη ανόδου CDMA ασύρματων δικτύων με την εξυπηρέτηση πολλαπλών υπηρεσιών. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται ως ένα διπαραμετρικό πρόβλημα και καταλήγει στην εύρεση μοναδικού σημείου ισορροπίας και ως προς τους δύο πόρους του συστήματος που κατανέμονται στους χρήστες. Η μελέτη επεκτείνεται σε ασύρματα δίκτυα τέταρτης και επόμενης γενιάς με χρήση τεχνολογίας SC-FDMA και προτείνεται ένας ευρεστικός αλγόριθμος συνδυαστικής κατανομής ισχύος εκπομπής και υποφερουσών στους χρήστες. Η προτεινόμενη προσέγγιση βελτιώνεται με τη χρήση μοντέλων διαπραγμάτευσης, τα οποία συνεισφέρουν στην αποδοτικότερη κατανομή των υποφερουσών στους χρήστες, ενώ έπειτα η ισχύς εκπομπής κατανέμεται στους χρήστες κατά το βέλτιστο τρόπο. Τέλος, η έρευνα επεκτείνεται σε διεπίπεδα φεμτοκυψελωτά ασύρματα δίκτυα, όπου αρχικά επιτυγχάνεται η βέλτιστη κατανομή ισχύος εκπομπής στους χρήστες, λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη το είδος της υπηρεσίας που αυτοί αιτούνται, αλλά και το επίπεδο της αρχιτεκτονικής του δικτύου στο οποίο ανήκουν. Η έρευνα ολοκληρώνεται με την επίλυση του προβλήματος της συνδυαστικής κατανομής ισχύος εκπομπής και ρυθμού μετάδοσης σε διεπίπεδα φεμτοκυψελωτά ασύρματα δίκτυα με την ταυτόχρονη εξυπηρέτηση πολλαπλών υπηρεσιών.

The PhD thesis addresses the problem of optimal resource allocation in the uplink of multi-service wireless networks of third, fourth and next generation. Particular emphasis is placed on the fulfillment of users’ Quality of Service (QoS) prerequisites, either requesting real-time or non-real time services, which requires compliance with strict short-term and long-term delay and data rate constraints, respectively. Taking into account these restrictions, various optimization problems are modeled and solved aiming at allocating the resources to the users, covering the research gap in the recent literature. Initially, the problem of utility-based optimal power control in CDMA wireless networks with real-time services is introduced. The problem is further generalized to the uplink power control in QoS-aware multi-service (i.e. real-time services and data services) CDMA wireless networks, while the concept of convex pricing of user’s uplink transmission power is introduced in order to obtain a socially efficient power allocation. Then, the joint utility-based uplink power and rate control problem is addressed in the uplink of CDMA wireless networks with multiple services. The problem is treated as a two variable game and the unique equilibrium point considering both system resources is determined. Furthermore, the study is extended to SC-FDMA wireless networks via proposing a heuristic utility-based uplink joint power and subcarrier allocation. The results of the proposed approach are improved by adopting the bargaining theory, which concludes to an energy-efficient subcarrier allocation in SC-FDMA wireless networks, while user’s transmission power is allocated in an optimal way. Finally, the research is extended to the two-tier femtocell wireless networks. Initially, the problem of efficient uplink power control in multi-service two-tier femtocell networks via a game theoretic approach was investigated via considering not only the type of service being requested, but also the two-tier architecture. The research is completed by addressing the combined power and rate allocation problem in multi-service two-tier femtocell networks via a game theoretic approach.