Αρχιτεκτονικές και πρωτόκολλα σηματοδοσίας για γνωσιακά επαναδιαρθρώσιμα δίκτυα κινητών επικοινωνιών

Abstract

Cognitive wireless networks and reconfigurability emerge as the paradigms that will transform the mobile communications landscape in the next decades. One of the prerequisites for the adoption of cognitive radio and online switching of radio access technologies (RATs) in infrastructure-based mobile networks is the signaling protocol. This thesis introduces a new architecture and signaling solution that unify the dynamic selection of radio access technologies and spectrum bands. RAT/spectrum mobility is achieved through a fast strategy for discovery of RAT capabilities, radio resource negotiation, and in-advance coordinated spectrum allocation. First, the architecture and protocol design in terms of functional entities, signaling exchange, and deployment over the most important and challenging next-generation network infrastructure, that is, 3GPP System Architecture Evolution (SAE), is described. Next, the thesis provides analytical expressions for the signaling delay and load, as well as for the signalingfailure probability. Design improvements are analyzed and evaluated, with numerical results showing the efficiency of the protocol and its variants. Furthermore, comparison with related works highlights the suitability of the proposed signaling for RAT/spectrum mobility in both large metropolitan realms and geographically limited networks. Finally, the thesis proposes and evaluates a reconfiguration support architecture and protocol that extend the ETSI next-generation network (NGN) framework. The protocol introduces novel signaling solutions for registration of reconfigurable devices to the network, negotiation of operational mode, and administration of the radio-software download process, with the architecture being modular and inline with the subsystemoriented rationale of NGN.

Τα γνωσιακά ασύρματα δίκτυα και η επαναδιαρθρωσιμότητα αναδύονται ως υποδείγματα τα οποία θα μεταμορφώσουν το τοπίο των κινητών επικοινωνιών τις επόμενες δεκαετίες. Μία από τις αναγκαίες προϋποθέσεις για την υιοθέτηση των γνωσιακών ραδιοσυστημάτων και της επιγραμμικής (online) μεταγωγής τεχνολογιών ραδιοπρόσβασης (radio access technologies (RATs)) είναι το πρωτόκολλο σηματοδοσίας. Η διατριβή εισάγει μια νέα αρχιτεκτονική και λύση σηματοδοσίας οι οποίες ενοποιούν τη δυναμική επιλογή ραδιοτεχνολογιών και φασματικών ζωνών. Η κινητικότητα RAT/φάσματος επιτυγχάνεται μέσω μιας γρήγορης στρατηγικής για την ανακάλυψη των ικανοτήτων των RAT, τη διαπραγμάτευση ραδιοπόρων, και την εκ των προτέρων συντονισμένη καταχώριση φάσματος. Αρχικά, περιγράφεται η σχεδίαση της αρχιτεκτονικής και του πρωτοκόλλου με τη μορφή λειτουργικών οντοτήτων, ανταλλαγής σηματοδοσίας, και ανάπτυξης στα πλαίσια της πιο σημαντικής και γεμάτης προκλήσεις δικτυακής υποδομής επόμενης γενιάς, της 3GPP SAE. Κατόπιν, η διατριβή παρέχει αναλυτικές εκφράσεις για την καθυστέρηση και το φόρτο σηματοδοσίας, καθώς και για την πιθανότητα αποτυχίας σηματοδοσίας. Σχεδιαστικές βελτιώσεις αναλύονται και αποτιμώνται, με τα αριθμητικά αποτελέσματα να δείχνουν την απόδοση του πρωτοκόλλου και των παραλλαγών του. Επιπλέον, η σύγκριση με σχετικές εργασίες τονίζει την καταλληλότητα της προτεινόμενης σηματοδοσίας για κινητικότητα RAT/φάσματος τόσο σε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές όσο και σε γεωγραφικά περιορισμένα δίκτυα. Τέλος, η διατριβή προτείνει και αποτιμά μια αρχιτεκτονική και ένα πρωτόκολλο υποστήριξης επαναδιάρθρωσης τα οποία επεκτείνουν το πλαίσιο δικτύου επόμενης γενιάς (next-generation network (NGN)) του ETSI. Το πρωτόκολλο εισάγει καινοτόμες λύσεις σηματοδοσίας για την εγγραφή επαναδιαρθρώσιμων συσκευών στο δίκτυο, τη διαπραγμάτευση του τρόπου λειτουργίας και τη διαχείριση της διαδικασίας καταφόρτωσης ραδιολογισμικού, η δε αρχιτεκτονική είναι δομοστοιχειωτή και σε συμφωνία με τη λογική υποσυστημάτων του NGN.