Διαχείριση ασύρματων πόρων για την παροχή ποιότητας υπηρεσίας σε κυψελωτά ευρυζωνικά δίκτυα CDMA 4ης γενιάς

Abstract

This PhD thesis aims at developing a novel, packet switching MAC protocol, adapted to the current needs of a WCDMA 4G IP network. The first part of the thesis focuses on the efficient use of bandwidth. In order to do this, the proposed MAC protocol uses together MC-CDMA and VSG-CDMA. This hybrid transmission mode provides more flexibility, since it increases the maximum rate and enlarges generally the set of the available transmission rates of the terminal. In such a hybrid model, the transmission rates belong to a discrete set (quantization). The proposed protocol uses a novel analytical equation, in order to determine this set and to avoid storing and subsequently checking all the possible vectors of the available rates. The second part of the thesis focuses on the optimum use of bandwidth through an optimum resource allocation. Three optimization criteria are investigated in our hybrid model. The first criterion of minimizing the total received power results in the sufficient and necessary condition for a feasible allocation, subject to the QoS and power constraints. The second criterion is the throughput maximization, adapted to multimedia services and the rate quantization. The third criterion is a novelty and it tries to maximize a new objective function, the normalized throughput. The new criterion is proposed as an alternative resource allocation algorithm, which provides fairness along with high throughput. The first criterion is solved through analytical equations, which result from the solution of a set of linear equations. The next two criteria lead to optimization problems with non-linear objective functions and constraints and they are solved through optimization algorithms. Otherwise, two heuristic algorithms were developed, which give equal solutions to the optimization problems in a short and simple way. The new MAC protocol cooperates with a novel packet and flow scheduler and its proposed algorithms, namely the priority scheme, which substitutes also for admission control, the resource controller and the transmission window algorithm. The proposed MAC protocol is investigated in detail and it is simulated, in order to extract useful conclusions and results, with emphasis in the comparison among the optimization criteria.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου MAC μεταγωγής πακέτου, προσαρμοσμένου στις σύγχρονες ανάγκες ενός WCDMA 4G IP δικτύου. Σε πρώτη φάση, η διατριβή εστιάζει στην αποδοτική χρήση του εύρους ζώνης. Για τον σκοπό αυτό, το προτεινόμενο πρωτόκολλο MAC συνδυάζει MC-CDMA και VSG-CDMA. Ο υβριδικός αυτός τρόπος μετάδοσης παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία, καθώς αυξάνει τον μέγιστο ρυθμό και γενικά διευρύνει το σύνολο των διαθέσιμων ρυθμών μετάδοσης του τερματικού. Σε ένα υβριδικό μοντέλο, οι ρυθμοί μετάδοσης ανήκουν σε ένα διακριτό σύνολο (κβαντικοποίηση). Το προτεινόμενο πρωτόκολλο χρησιμοποιεί, για πρώτη φορά στην βιβλιογραφία, μια αναλυτική σχέση για τον προσδιορισμό του συνόλου αυτού, εξαλείφοντας την ανάγκη αποθήκευσης και διαδοχικών ελέγχων όλων των πιθανών διανυσμάτων των διαθέσιμων ρυθμών. Σε δεύτερη φάση, η διατριβή εστιάζει στην βέλτιστη χρήση του εύρους ζώνης μέσω μιας βέλτιστης κατανομής των πόρων. Μελετώνται τρία κριτήρια βελτιστοποίησης στα πλαίσια του υβριδικού μοντέλου. Το πρώτο κριτήριο της ελαχιστοποίησης της συνολικά λαμβανόμενης ισχύος οδηγεί στην αναγκαία και ικανή συνθήκη για την εφικτότητα της κατανομής, δεδομένων των περιορισμών σε ποιότητα υπηρεσίας και σε ισχύ. Το δεύτερο κριτήριο είναι η μεγιστοποίηση της διέλευσης, προσαρμοσμένη σε υπηρεσίες πολυμέσων και στην κβαντικοποίηση του ρυθμού μετάδοσης. Το τρίτο κριτήριο προτείνεται για πρώτη φορά και μεγιστοποιεί μια νέα αντικειμενική συνάρτηση, την κανονικοποιημένη διέλευση. Το νέο κριτήριο προτείνεται ως ένας νέος εναλλακτικός αλγόριθμος ανάθεσης πόρων, ο οποίος δίνει δίκαιες κατανομές με υψηλή διέλευση. Το πρώτο κριτήριο επιλύνεται μέσω αναλυτικών σχέσεων, που προκύπτουν από την επίλυση ενός συστήματος γραμμικών εξισώσεων. Τα επόμενα δύο κριτήρια οδηγούν σε προβλήματα βελτιστοποίησης μη γραμμικών αντικειμενικών συναρτήσεων με περιορισμούς και επιλύνονται μέσω αντίστοιχων αλγορίθμων. Εναλλακτικά, σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν δύο ευρετικοί αλγόριθμοι, που δίνουν γρήγορα και απλά τις ίδιες λύσεις με τα προβλήματα βελτιστοποίησης. Το νέο πρωτόκολλο MAC πλαισιώνεται από έναν καινοτόμο χρονοπρογραμματισμό πακέτων και μια σειρά αλγορίθμων που αυτός προτείνει, δηλαδή το σχήμα προτεραιοτήτων, που αντικαθιστά και τον έλεγχο αποδοχής σύνδεσης, τον ελεγκτή πόρων και τον αλγόριθμο του παραθύρου μετάδοσης. Το προτεινόμενο πρωτόκολλο MAC θα μελετηθεί διεξοδικά και θα προσομοιωθεί για την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων και αποτελεσμάτων, με μεγάλη έμφαση στην σύγκριση των κριτηρίων βελτιστοποίησης.