Μηχανισμοί Βελτιστοποίησης Χρονοπρογραμματισμού και Διαχείρισης Πόρων για Διασφάλιση Ποιότητας Υπηρεσίας σε Ασύρματα Δίκτυα

Abstract

Η γρήγορη ανάπτυξη των ασύρματων δικτύων, καθώς και οι υψηλές απαιτήσεις των συνεχώς αυξανόμενων χρηστών και τερματικών, έρχονται σε αντίθεση με την πεπερασμένη φύση των διαθέσιμων πόρων των δικτύων. Ταυτόχρονα, η διασφάλιση της ποιότητας των υπηρεσιών αποτελεί θέμα μείζονος σημασίας για τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, η σχεδίαση αποδοτικών μηχανισμών διαχείρισης πόρων για τη διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσιών αποτελεί μεγάλη πρόκληση στα δίκτυα αυτά. Γι’ αυτό το λόγο, ο σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμων μηχανισμών βελτιστοποίησης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων με κεντρικό γνώμονα τη διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας στους ασύρματους χρήστες. Η κύρια ερευνητική συνεισφορά της Διδακτορικής Διατριβής μπορεί να χωριστεί σε δυο βασικά μέρη. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος η Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην επίλυση του προβλήματος κατανάλωσης ενέργειας των ασύρματων τερματικών, μέσω της τεχνικής χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης. Η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας αποτελεί μια πολύ σημαντική απαίτηση για τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα, προκειμένου να επιτυγχάνεται υψηλή αυτονομία μπαταρίας στα τερματικά. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνονται καινοτόμοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης δεδομένων, οι οποίοι παράλληλα διασφαλίζουν συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας. Αναλυτικότερα, παρόλο που τα χρονομεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά των ασύρματων καναλιών αντιμετωπίζονται συνήθως ως πηγή αναξιοπιστίας, οι προτεινόμενοι μηχανισμοί εκμεταλλεύονται οπορτουνιστικά αυτές τις μεταβλητές συνθήκες προγραμματίζοντας την ασύρματη επικοινωνία όταν οι συνθήκες του καναλιού είναι ευνοϊκές, με στόχο την αποδοτικότερη χρησιμοποίηση της μπαταρίας. Πιο συγκεκριμένα, προτείνονται δυο κατανεμημένοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού, οι οποίοι χρησιμοποιούν τη θεωρία βέλτιστης παύσης (optimal stopping theory), έτσι ώστε να βρεθεί η βέλτιστη χρονική στιγμή για μετάδοση δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες του καναλιού, λαμβάνοντας υπόψη συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας. Επιπρόσθετα, η τεχνική του οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού χρησιμοποιείται για τη σχεδίαση ενεργειακά αποδοτικών δορυφορικών ζεύξεων που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10GHz υπό συνθήκες βροχής και προτείνεται ένας κλιματικά εξαρτώμενος ενεργειακά αποδοτικός μηχανισμός. Το δεύτερο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής ασχολείται με τα προβλήματα διαχείρισης πόρων για διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας, εστιάζοντας στα γνωστικά ασύρματα δίκτυα, τα οποία στοχεύουν στην αποδοτική χρήση του πεπερασμένου και υποχρησιμοποιούμενου ραδιοφάσματος. Αναλυτικότερα, αρχικά μελετάται η έννοια της αποτελεσματικής χωρητικότητας (effective capacity). Η συγκεκριμένη έννοια αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο σχεδίασης αποδοτικών μηχανισμών που παρέχουν στατιστικές εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας, αφού συσχετίζει το ρυθμό εξυπηρέτησης του ασύρματου καναλιού με την απόδοση ποιότητας υπηρεσιών του δικτύου. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνονται καινοτόμοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων για διασφάλιση ποιότητας υπηρεσίας σε γνωστικά ασύρματα δίκτυα, μελετώντας δυο διαφορετικές προσεγγίσεις υλοποίησης των δικτύων αυτών. Αναλυτικότερα, θεωρείται ένα underlay γνωστικό σύστημα, όπου τα κανάλια διαλείψεων των χρηστών είναι ετεροσυσχετισμένα και προτείνεται ένας κατανεμημένος μηχανισμός ελέγχου ισχύος για τον (μη αδειοδοτημένο) δευτερεύοντα χρήστη. Ο μηχανισμός αυτός μεγιστοποιεί την αποτελεσματική χωρητικότητα του δευτερεύοντα χρήστη μέσω της θεωρίας κυρτής βελτιστοποίησης, δεδομένων περιορισμών ισχύος και παρεμβολής. Επιπρόσθετα, προτείνεται ένας κατανεμημένος μηχανισμός επίλυσης του προβλήματος διαμοιρασμού φάσματος μεταξύ πολλαπλών δευτερευόντων χρηστών με διαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας, σε ένα interweave γνωστικό σύστημα. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται ως ένα μη συνεργατικό παίγνιο, σύμφωνα με το οποίο κάθε δευτερεύων χρήστης ανταγωνίζεται με τους υπόλοιπους, με στόχο τη βελτιστοποίηση της ατομικής του αποτελεσματικής χωρητικότητας, δεδομένου του από κοινού περιορισμού του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Για την επίλυση του συγκεκριμένου προβλήματος χρησιμοποιείται η θεωρία ανισοτήτων μεταβολών.

The rapid development of wireless communication networks, as well as the high requirements of the growing number of users and devices, stand in clear contrast to the limited resources of the networks. At the same time, the quality of service (QoS) assurance constitutes a major issue in modern wireless networks. As a result, the design of efficient resource management schemes for QoS assurance constitutes a great challenge for these networks. Towards this direction, the objective of this PhD Thesis is to study and develop novel optimization mechanisms for QoS-driven scheduling and resource management in wireless networks. The research contribution of this Thesis can be divided in two main parts. At the first part, the Thesis focuses on the solution of the energy consumption problem in wireless communication devices, using transmission scheduling techniques. Given that the communication interface of wireless devices consumes a significant portion of energy, reduction of the transmission energy consumption is very important for modern wireless networks, in order to maintain high battery autonomy. For this reason, novel energy efficient opportunistic transmission scheduling mechanisms, that assure specific QoS requirements, are proposed in this PhD Thesis. Particularly, even though the wireless channel fluctuations are traditionally treated as a source of unreliability, these variations can be opportunistically exploited, by scheduling data transmissions when the channel conditions are good, according to the proposed mechanisms. This can prolong the battery lifetime of a wireless device. More specifically, two distributed opportunistic scheduling mechanisms that employ the optimal stopping theory to find the optimal time instant to transmit depending on channel conditions, are proposed, taking also into account specific QoS constraints. Furthermore, the opportunistic scheduling technique is utilized in order to design energy efficient satellite links that operate at the frequency range above 10GHz under rainfall conditions, proposing a climatic dependent energy efficient mechanism. The second part deals with the resource management problems for QoS provisioning, focusing on the cognitive radio networks, which target at the efficient usage of the limited and under-utilized radio spectrum resources. Particularly, the concept of effective capacity is studied, since it constitutes a powerful tool for the cross-layer design of efficient QoS provisioning mechanisms, connecting the wireless channel’s service rate with the statistical QoS performance of the network. The PhD Thesis introduces novel resource management mechanisms for QoS provisioning in cognitive radio networks, studying two different implementation approaches. More specifically, considering an underlay cognitive radio system, where the fading channels of the communication links are cross-correlated, this Thesis proposes a distributed power control mechanism for the (unlicensed) secondary user. This mechanism maximizes the effective capacity of the secondary link using principles of convex optimization theory, under specific power and interference constraints. Furthermore, a distributed mechanism that solves the spectrum sharing problem among multiple secondary users with different QoS requirements in an interweave cognitive radio system, is proposed. This QoS-driven spectrum sharing problem is formulated as a non-cooperative game with a view to maximizing the effective capacity of each secondary user, subject to the coupled constraint of the available bandwidth. A novel solution is proposed by employing the variational inequalities theory.