Έλεγχος αποδοχής κλήσεων, κατανομή πόρων και διαχείριση κινητικότητας σε ασύρματα δίκτυα

Abstract

During the last decades many wireless systems with different characteristics have been developed. An extensive review of wireless technologies along with the technological challenges arising from the evolution of wireless networks is presented in the first chapter of the thesis. To ensure both the effective management of the available spectrum and the provision of a guaranteed Quality of Service (QoS), many radio resource management algorithms have been proposed, including Call Admission Control (CAC) schemes. The current communication environment is characterized by types of new wireless networks and the need to support new multimedia services. Thus, new techniques are required to deal with relevant technological problems, such as the effective use of the available spectrum and the admission control of incoming calls; these techniques are described in the second chapter. The basic definitions and the analysis of fundamental issues for QoS provision are also presented in chapter two along with the principles of radio resource management. Moreover, the basic functions of CAC schemes and the criteria taken into account in the decision making part are discussed. The chapter concludes by describing how CAC schemes are classified into groups based on their special features. In the third chapter a novel CAC scheme is proposed, the Probabilistic Call Admission Control (PCAC) scheme, which improves the overall performance of wireless networks compared to other CAC schemes proposed in literature. This is verified through three sets of numerical results, which examine the proposed PCAC scheme from different aspects. The numerical results presented include both analytical and simulation results. Each incoming call is treated differently by the network according to its characteristics; therefore, various QoS levels are supported by the network each one associated with a Service Class (SC). Accordingly, the CAC schemes employed use different admission levels for every SC supported. A priority assignment mechanism is embedded in the CAC schemes, to ensure that different admission levels are supported. The incorporation of priority levels introduces a dissimilar treatment of incoming calls. This drawback becomes worse when the network operates near congestion. Several ways to define and measure fairness in CAC are presented in chapter four. Also, dynamic PCAC is introduced, which constitutes a modified version of PCAC aiming to ensuring absolute fairness in the admission decision process among the SCs supported. Thus, the dynamic PCAC scheme adjusts the admission criteria to the status of the cell and the variation of the incoming traffic load. The results presented demonstrate the improved performance of the proposed dynamic PCAC scheme, especially in terms off airness. In the last chapter of the thesis, an optimization technique for the PCAC scheme is introduced incorporating a dynamic resource allocation scheme. The optimization technique proposed is based on a game theoretical framework where a bargaining game takes place among the ongoing calls and the incoming ones to determine the resources that must be allocated to each call. In this framework, a well known bargaining game between two users is used, which is appropriately extended to support multiple users with heterogeneous discounting factors corresponding to different call characteristics. Furthermore, the proof or the existence and uniqueness of the perfect subgame equilibrium is given in closed form enabling its numerical calculation. The users reaction varies according to the resources allocated to the respective incoming calls and the status of the cell. Thus, the probabilistic parameters of PCSC can be determined by appropriately formulating users reaction to the resource allocation outcome. The numerical results demonstrate the improved performance achieved by the integrated framework, since the operation of PCAC scheme is optimized through the dynamic calculation of the probabilistic parameters based on the result of the resource allocation algorithm. The integrated framework can be considered as a distributed one, since both the admission decision and the resource allocation are carried out on a user level.

Τις τελευταίες δεκαετίες έχει αναπτυχθεί πληθώρα συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών με ποικίλα χαρακτηριστικά. Μια ανασκόπηση των συστημάτων αυτών και των σχετικών τεχνολογικών προκλήσεων παρουσιάζεται στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής. Για την αποτελεσματική διαχείριση του διαθέσιμου φάσματος παράλληλα με την παροχή του επιθυμητού επιπέδου ποιότητας υπηρεσιών στους χρήστες του δικτύου έχει επινοηθεί και υλοποιηθεί μια σειρά από λειτουργίες διαχείρισης ραδιοπόρων, όπως οι αλγόριθμοι αποδοχής κλήσεων. Στο σύγχρονο περιβάλλον επικοινωνιών που έχει δημιουργηθεί από την ανάπτυξη των νέων ασύρματων δικτύων και την ανάγκη παροχής καινοτόμων υπηρεσιών πολυμεσικού περιεχομένου απαιτούνται νέες τεχνικές αντιμετώπισης των προβλημάτων που ανακύπτουν από τους τεχνολογικούς περιορισμούς, όπως η αποδοτική χρήση του διαθέσιμου φάσματος και η διαδικασία αποδοχής εισερχόμενων κλήσεων όπως περιγράφεται στο δεύτερο κεφάλαιο. Στο ίδιο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ορισμοί και η ανάλυση των βασικών εννοιών της ποιότητας παροχής υπηρεσιών καθώς και οι θεμελιώδεις αρχές της διαχείρισης ραδιοπόρων και γίνεται εκτενής ανάλυση του τρόπου λειτουργίας και των κριτηρίων των αλγόριθμων αποδοχής κλήσεων. Τα κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την περιγραφή του τρόπου ταξινόμησης των αλγόριθμων αποδοχής κλήσεων σε κατηγορίες σύμφωνα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής τους. Αποσκοπώντας στη βελτίωση της επίδοσης των ασύρματων δικτύων, στο τρίτο κεφάλαιο προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος αποδοχής κλήσεων, ο πιθανοτικός αλγόριθμος αποδοχής κλήσεων, που επιτυγχάνει βελτιωμένα αποτελέσματα σε σχέση με αντίστοιχους αλγόριθμους που έχουν προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Για την επιβεβαίωση της βελτιωμένης επίδοσης του προτεινόμενου πιθανοτικού αλγόριθμου παρουσιάζονται τρεις κατηγορίες αριθμητικών αποτελεσμάτων που συνοδεύονται από αντίστοιχα αποτελέσματα που έχουν προκύψει από προσομοιώσεις. Εκάστη των τριών κατηγοριών αποτελεσμάτων εξετάζει από διαφορετική θεώρηση τον τρόπο λειτουργίας του αλγόριθμου ώστε να διερευνηθεί πλήρως η επίδοσή του. Η παροχή διαφορετικών επιπέδων ποιότητας υπηρεσιών ανάλογα με την κλάση υπηρεσιών έχει ως άμεσο αποτέλεσμα τη διαφοροποίηση της συμπεριφοράς του δικτύου αντίστοιχα προς τα χαρακτηριστικά κάθε εισερχόμενης κλήσης. Για το λόγο αυτό, στους αλγόριθμους αποδοχής κλήσεων χρησιμοποιούνται διαφορετικά επίπεδα προτεραιότητας, που αντιστοιχούν στις υποστηριζόμενες κλάσεις υπηρεσιών. Η εφαρμογή μηχανισμών απόδοσης προτεραιότητας στις διάφορες κλάσεις εισερχόμενων κλήσεων έχει ως αποτέλεσμα τη μη ισότιμη αντιμετώπιση των διαφόρων κλάσεων υπηρεσιών από το δίκτυο, γεγονός που καθίσταται ιδιαίτερα έντονο όταν το δίκτυο λειτουργεί σε υψηλά επίπεδα φορτίου. Ο τρόπος μέτρησης του επιπέδου δικαιοσύνης που παρέχει ένας αλγόριθμος αποδοχής κλήσεων καθώς και οι απαραίτητοι ορισμοί παρουσιάζονται στο τέταρτο κεφάλαιο. Στη συνέχεια, προτείνεται ένας αλγόριθμος απονομής δικαιοσύνης μεταξύ κλήσεων διαφορετικών κλάσεων υπηρεσιών ο οποίος ενσωματώνεται στους αλγόριθμους αποδοχής κλήσεων. Για την πληρέστερη κατανόηση της αποτελεσματικότητας του προτεινόμενου σχήματος απονομής δικαιοσύνης αναπτύσσεται η ενσωμάτωσή του στον πιθανοτικό αλγόριθμο αποδοχής κλήσεων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η δυναμική απόκριση του πιθανοτικού αλγόριθμου αποδοχής κλήσεων στις μεταβολές της τηλεπικοινωνιακής κίνησης που εξυπηρετεί η κυψέλη. Τα αποτελέσματα του ενοποιημένου αλγόριθμου, που παρουσιάζονται στο τέλος του τέταρτου κεφαλαίου, καταδεικνύουν τη βελτιωμένη επίδοση του δυναμικού πιθανοτικού αλγόριθμου αποδοχής κλήσεων καθώς και την επιτυχία του με κριτήριο τη δίκαιη αντιμετώπιση των εισερχόμενων κλήσεων διαφορετικών κλάσεων υπηρεσιών. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η βελτιστοποίηση και επέκταση του πιθανοτικού ελέγχου αποδοχής κλήσεων μέσω της ενσωμάτωσης ενός κατάλληλου δυναμικού μηχανισμού κατανομής πόρων μεταξύ των κλήσεων των διαφόρων κλάσεων υπηρεσιών που υποστηρίζονται από το δίκτυο. Η επέκταση του πιθανοτικού αλγόριθμου ελέγχου αποδοχής κλήσεων βασίζεται στη θεωρία παιγνίων για τη διαπραγμάτευση των μεριδίων των πόρων που λαμβάνει κάθε χρήστης κατά την κατανομή των πόρων της κυψέλης μεταξύ των χρηστών. Για τον υπολογισμό της κατανομής των πόρων χρησιμοποιείται αρχικά ένα παίγνιο ανταγωνισμού μεταξύ δύο παιχτών. Στη συνέχεια, διατυπώνεται το παίγνιο με κατάλληλο τρόπο ώστε να είναι εφικτή η επέκτασή του για πολλούς παίκτες με διαφορετικό συντελεστή υποβάθμισης ώστε να περιγράφονται χρήστες με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Ακολουθεί η απόδειξη της ύπαρξης σημείου ισορροπίας του παιγνίου και η εύρεσή του. Η συμπεριφορά των χρηστών περιγράφεται βάσει των μεριδίων των πόρων του δικτύου που αντιστοιχούν στις εισερχόμενες κλήσεις και της κατάστασης της κυψέλης του δικτύου. Κατ’ αυτόν τον τρόπο υπολογίζονται οι πιθανοτικές παράμετροι του προτεινόμενου αλγόριθμου αποδοχής κλήσεων. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τη σημαντική βελτίωση της επίδοσης του πιθανοτικού ελέγχου αποδοχής κλήσεων μέσω της βελτιστοποίησης των πιθανοτικών παραμέτρων αποδοχής κλήσεων. Επιπλέον, επιτυγχάνεται η κατανεμημένη συμπεριφορά του ενοποιημένου σχήματος αποδοχής κλήσεων και κατανομής πόρων του δικτύου.