Management architecture for heterogeneous high-speed fourth generation wireless communications environments

Abstract

The heterogeneous high-speed 4th generation wireless communications environments call for advanced management functionality. In this thesis, a management architecture is presented as a means to guide both reconfigurable Radio Access Networks and cognitive Mobile Terminals (MT) in such a challenging environment. The architecture effectuates combined optimized spectrum and radio resource utilization, by optimally exploiting the diversity of the heterogeneous radio ecosystem. Specifically, the management architecture determines the proper operating RAT and frequencies for each managed RAN (optimized spectrum utilization), and directs MTs to the selection of the appropriate RAN to operate with (optimized radio resource utilization). The management architecture, regarding the issue of radio resource selection, focuses on the policy-based, distributed decision-making between network and terminals. Two slightly differentiated approaches for the functional architecture are presented analytically, as well as the correlation of their functional elements. This correlation demonstrates the possibility of the necessary cooperation and interoperability of the two architectures. For the architecture that was adopted as base for the continuance of the research, the information flow between the functions that comprise the central management entity of the architecture, and the information flow between the central management system and the external entities are presented. In the sequel, based on the presented information flow, the messages that are exchanged between the central management entity and the managed entities were determined in terms of elementary procedures (the included basic parameters of the messages and their structure), and their anticipated size is estimated. The determination of the procedures and the estimation of their anticipated size, constitute the base for the implemenation of the corresponding interfaces. The realization of the interfaces neccesitates the determination of proper mechanisms and information exchange protocols for the effectuation of the aforementioned procedures. In this framework, the basic requirements for the effectuation of the interfaces, as well as candidate solutions are presented. Moreover, assessment of the management architecture, regarding the evaluation of the performance of the architecture and the estimation of the management burden, which is induced by the incorporation of the described management functionality into the network, is effectuated. The assessemt results prove the efficiency of the management architecture, as well as its viability. The operation of the management architecture will benefit all the related groups: network operators, network and equipment manufacturers, service providers, regulators and users. Specifically, via the exploitation of the full diversity of the cooperated heterogeneous systems and the disposable frequencies, as well as the maximum re-usage of network elements and avoidance of the network overdimensioning for accommodation of the probable unstable traffic load, the management architecture will assist network operators to reduce their capital expenditures (CAPEX) and their operational expenditures (OPEX), and to provide optimal services to users, which will correspond to provision of applications with demanded Quality of Service and personalized and ubiquitous manner, with corresponding decreased price. Simultaneously, users will have the chance to experience in a seamless manner the desirable services in acceptable prices. Moreover, the architecture will facilitate the cooperation between the application and service providers and network operators, as it will reduce the required time frame for the deployment of enhanced features of the new applications and services. Furthermore, it will enable easier migration to new standards, which will facilitate the manufactures of network and terminal equipment. Finally, the management architecture can be a simple and powerful tool for regulators, in order to achieve spectrum efficiency optimization.

Τα ετερογενή περιβάλλοντα ασύρματων επικοινωνιών υψηλών ταχυτήτων 4ης γενιάς απαιτούν προηγμένη διαχειριστική λειτουργικότητα. Στην διατριβή, μία αρχιτεκτονική διαχείρισης παρουσιάζεται ως μέσο καθοδήγησης των Ασύρματων Δικτύων Πρόσβασης με δυνατότητα δυναμικής αναδιάρθρωσης και των νοημόνων κινητών τερματικών, σε αυτό το γεμάτο προκλήσεις περιβάλλον. Η αρχιτεκτονική παραγματοποιεί συνδυαστική βελτιστοποιημένη αξιοποίηση φάσματος και ραδιοπόρων, μέσω βελτιστοποιημένης εκμετάλλευσης της διαφορετικότητας του ετερογενούς ασύρματου οικοσυστήματος. Συγκεκριμένα, η αρχιτεκτονική διαχείρισης καθορίζει την κατάλληλη ασύρματη τεχνολογία πρόσβασης και τις αντίστοιχες συχνότητες λειτουργίας για κάθε ένα από τα διαχειριζόμενα δίκτυα (βελτιστοποιημένη αξιοποίηση φάσματος), και καθοδηγεί τα κινητά τερματικά στην επιλογή του κατάλληλου Ασύρματου Δικτύου Πρόσβασης για σύνδεση (βελτιστοποιημένη αξιοποίηση ραδιοπόρων). Η αρχιτεκτονική διαχείρισης, όσον αφορά την επιλογή ραδιοπόρων, εστιάζει στην κατανεμημένη, μεταξύ δικτύου και τερματικού, διαδικασία απόφασης για την τελική επιλογή της ραδιοσύνδεσης κάθε τερματικού. Δύο ελαφρά διαφοροποιημένες προσεγγίσεις για την λειτουργική αρχιτεκτονική παρουσιάζονται αναλυτικά, καθώς και η συσχέτιση των λειτουργικών τους στοιχείων. Η συσχέτιση δεικνύει την δυνατότητα της απαραίτητης συνεργασίας και διαλειτουργικότητας των δύο αρχιτεκτονικών. Για την αρχιτεκτονική που υιοθετήθηκε ως βάση για την συνέχιση της ερευνητικής εργασίας, παρουσιάζεται η ροή πληροφορίας μεταξύ των λειτουργιών που συνιστούν την κεντρική διαχειριστική οντότητα της αρχιτεκτονικής, καθώς και μεταξύ του κεντρικού συστήματος διαχείρισης και των εξωτερικών οντοτήτων. Στη συνέχεια, βάση της προαναφερόμενης ροής πληροφορίας, τα μηνύματα που ανταλλάσσονται μεταξύ της κεντρικής διαχειριστικής οντότητας και των διαχειριζόμενων οντοτήτων, καθορίζονται υπό την μορφή βασικών διαδικασιών (περιεχόμενοι βασικοί παράμετροι και δομή των μηνυμάτων), και υπολογίζεται το αναμενόμενο μέγεθός τους. Ο καθορισμός των διαδικασιών και η εκτίμηση του αναμενόμενου μεγέθους τους, αποτελεί την βάση για την πραγματοποίηση των αντίστοιχων διασυνδέσεων. H υλοποίηση των διασυνδέσεων απαιτεί τον καθορισμό των κατάλληλων μηχανισμών και πρωτοκόλλων ανταλλαγής πληροφορίας για την πραγματοποίηση των προαναφερόμενων διαδικασιών. Σε αυτό το πλαίσιο, παρουσιάζονται οι βασικές απαιτήσεις για την υλοποίηση των διασυνδέσεων, καθώς και υποψήφιες λύσεις. Επιπλέον, πραγματοποιείται αξιολόγηση της αρχιτεκτονικής, όσον αφορά την εκτίμηση της απόδοσής της και την εκτίμηση του διαχειριστικού φορτίου, το οποίο εισάγεται από την ενσωμάτωση στο δίκτυο της προαναφερόμενης διαχειριστικής λειτουργικότητας. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της αρχιτεκτονικής, καθώς και την βιωσιμότητά της. Η λειτουργία της αρχιτεκτονικής διαχείρισης θα ευεργετήσει όλα τα σχετιζόμενες ομάδες: παρόχους δικτύων, κατασκευαστές δικτυακού και τερματικού εξοπλισμού, παρόχους υπηρεσιών, ρυθμιστικούς φορείς και χρήστες. Συγκεκριμένα, μέσω της αξιοποίησης της διαφορετικότητας των συνεργαζόμενων ετερογενών συστημάτων και των διαθέσιμων συχνοτήτων, καθώς της μέγιστης επαναχρήσης των δικτυακών στοιχείων και της αποφυγής υπερδιαστασιολόγησης του δικτύου για εξυπηρέτηση πιθανού μεταβλητού φορτίου κίνησης, οι πάροχοι δικτύων θα μπορέσουν να μειώσουν τα λειτουργικά έξοδα και τα έξοδα για την προμήθεια και εγκατάσταση νέου εξοπλισμού, και να παρέχουν βέλτιστες υπηρεσίες, που αντιστοιχούν σε συνεχή και προσωποποιημένη παροχή εφαρμογών με την απαιτούμενη ποιότητα υπηρεσίας, με αντίστοιχο μειωμένο κόστος. Ταυτόχρονα, οι χρήστες θα έχουν την δυνατότητα ανεμπόδιστης χρήσης των επιθυμητών υπηρεσιών σε αποδεκτές τιμές. Η αρχιτεκτονική θα διευκολύνει την συνεργασία μεταξύ των παρόχων εφαρμογών και υπηρεσιών και των παρόχων δικτύων, καθώς μειώνει σημαντικά το απαιτούμενο χρονικό διάστημα για την εφαρμογή των εξελιγμένων χαρακτηριστικών των νέων εφαρμογών και υπηρεσιών. Επιπλέον, θα επιτρέψει την μετάβαση σε νέες τυποποιήσεις, γεγονός που θα διευκολύνει τους κατασκευαστές δικτυακού και τερματικού εξοπολισμού. Τέλος, η αρχιτεκτονική διαχείρισης μπορεί να είναι ένα απλό αλλά ισχυρό εργαλείο για τους ρυθμιστικούς φορείς, για την επίτευξη βελτιστοποιημένης αποτελεσματικότητας φάσματος.