Υβριδική αρχιτεκτονική διαχείρισης ασύρματων πόρων σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών 4ης γενιάς με έμφαση στην διαχείριση κινητικότητας για την διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσιών

Abstract

This PhD thesis focuses on the problem of radio resource management (RRM) architecture of future 4G networks and its goal is twofold. The first part is dealing with the problem of making a future network able to cooperate with the legacy networks. Towards this goal a cooperation architecture for the integration of the future network with the legacy ones was developed, together with its entities and their functions. After that this architecture was optimized by comparing it with other architectures developed in other European projects targeting to create a common architecture for the cooperation of future 4G networks. This final architecture was also the one chosen by the Wireless World Initiative (WWI) as the basis for the future 4G network architecture. Based on this cooperation architecture an important radio resource management mechanism for the cooperation of future networks was developed. This mechanism was the Congestion Avoidance Control (CAC) mechanism, which consists of two other mechanisms, namely the admission control and the congestion control. The CAC mechanism is targeting to help the 4G network operate in normal state avoiding congestion situations and providing optimal quality of service to the users. The second goal of this PhD thesis was the defining and the development of the internal radio resource management architecture of a future 4G network and the related algorithms for the handover mechanism. For the definition of the 4G network architecture the two common network architecture options (centralized and the distributed RRM architecture) were analysed and after their advantages and disadvantages were discussed, the best characteristics of those two architecture options were gathered in a new hybrid architecture that was developed by this PhD thesis. This hybrid architecture is developed for taking optimal and very fast decisions. Based on this architecture many handover mechanisms were defined for achieving fast handovers, targeting to minimize the handover latency, the lost packets during handover and optimizing the radio resource usage by the networks. These handover mechanisms were finally tested for the three architecture options in order to show the optimal functionality and efficiency of the proposed hybrid architecture.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στο πρόβλημα της αρχιτεκτονικής διαχείρισης ασύρματων ραδιοπόρων σε μελλοντικά δίκτυα 4ης γενιάς με διπλό στόχο. Πρώτα ασχολείται με το θέμα της συνεργασίας ενός μελλοντικού δικτύου με τα υπόλοιπα ασύρματα δίκτυα κινητών επικοινωνιών που ήδη λειτουργούν. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε η αρχιτεκτονική συνεργασίας του μελλοντικού δικτύου με τις διάφορες οντότητες και τις λειτουργίες τους. Στη συνέχεια η αρχιτεκτονική αυτή βελτιστοποιήθηκε με τη σύγκρισή της με άλλες αντίστοιχες αρχιτεκτονικές άλλων ευρωπαϊκών προγραμμάτων, με σκοπό τη δημιουργία μιας κοινής αρχιτεκτονικής για τη συνεργασία ασύρματων δικτύων 4ης γενιάς. Η τελική αυτή αρχιτεκτονική συνεργασίας είναι και αυτή που ενστερνίστηκε η ευρωπαϊκή αρχή Wireless World Initiative (WWI) ως βασική μελλοντική αρχιτεκτονική των δικτύων κινητών επικοινωνιών. Με βάση την αρχιτεκτονική συνεργασίας αναπτύχθηκε ένας βασικός μηχανισμός διαχείρισης ραδιοπόρων που είναι σημαντικός για την σωστή λειτουργία δικτύων. Ο μηχανισμός αυτός είναι ο μηχανισμός ελέγχου αποφυγής συμφόρησης (Congestion Avoidance Control - CAC) και ο οποίος αποτελείται από δύο επιμέρους μηχανισμούς τον έλεγχο αποδοχής (Admission Control - AC) και τον έλεγχο φορτίου/συμφόρησης (Load/Congestion Control - LC/CC). Ο μηχανισμός που αναπτύχθηκε έχει ως σκοπό την σωστή λειτουργία ενός δικτύου 4ης γενιάς με σκοπό την αποφυγή της συμφόρησής του και την παροχή της όσο το δυνατόν καλύτερης ποιότητας υπηρεσίας στους χρήστες. Το δεύτερο επίπεδο στο οποίο στόχευσε η παρούσα διατριβή ήταν η ανάπτυξη της εσωτερικής αρχιτεκτονικής διαχείρισης πόρων του δικτύου 4ης γενιάς και στη συνέχεια η ανάπτυξη αλγορίθμων διαπομπής (handover) για το νέο δίκτυο και ο έλεγχος της αποδοτικότητάς τους. Για την ανάπτυξη της αρχιτεκτονικής του δικτύου 4ης γενιάς λήφθηκαν υπόψη οι δύο βασικοί τρόποι ανάπτυξης της αρχιτεκτονικής δικτύων (κεντροποιημένος και κατανεμημένος) και αφού αναλύθηκαν τα ωφέλη τους και τα μειονεκτήματά τους, αναπτύχθηκε μια υβριδική αρχιτεκτονική που χρησιμοποιεί τα καλύτερα στοιχεία των άλλων δύο αρχιτεκτονικών και είναι ευέλικτη και παίρνει σωστές και γρήγορες αποφάσεις. Με βάση αυτή την αρχιτεκτονική αναπτύχθηκαν μηχανισμοί διαπομπής που επιτυγχάνουν γρήγορες διαπομπές, με σκοπό την ελαχιστοποίηση του χρόνου κατά τον οποίο το κινητό τερματικό δεν λαμβάνει την υπηρεσία του (διακοπή της υπηρεσίας κατά την αλλαγή κυψέλης/σταθμού βάσης), την ελαχιστοποίηση των χαμένων πακέτων λόγω της διαπομπής και την βέλτιστη χρήση των ραδιοπόρων του δικτύου. Οι μηχανισμοί διαπομπής που αναπτύχθηκαν ελέγχθηκαν για την αποδοτικότητά τους και στους τρεις τύπους αρχιτεκτονικής, με σκοπό την απόδειξη της βέλτιστης αποδοτικότητας της υβριδικής αρχιτεκτονικής.