Incentives - based power control in wireless networks of autonomous entities with various degrees of cooperation

Abstract

Wireless networks have grown tremendously in recent years: wireless communicationsare now available anytime, anywhere, and with varying degrees of Quality-of-Service (QoS). More and more smartphones and tablets come into the market, making the dream for ubiquitous connectivity a reality. To continue this trend in the forthcoming fifth generation (5G) era (and beyond), new communication paradigms are expected to arise and be exploited. In particular, next generation multi-tier cellular networks (consisting of traditional cellular networks, small cell networks, device-to-device networks, etc.) are expected to be the norm. To ensure scalability, devices on these heterogeneous networks should be autonomous; this means that they will be controlling their transmission parameters (notably, their radio channel and power level) rather than have them dictated by a centralized entity. Therefore, the choices of each device will have a direct impact on the performance of (some of) the devices with which they share the same portion of the spectrum, and the network as a whole.Motivated by the above trends, the fundamental goal of this dissertation is to design efficient distributed radio resource management methods for the smooth deployment of these emerging wireless network architectures. We apply two of the most powerful resource allocation methods: power control, i.e., what transmission power a device should choose, and channel access control, i.e., when to transmit. We study settings under a variety of practical scenarios such as the coexistence of small cells and traditional macrocells with different QoS targets, the channel access competition in device-to-device networks (where devices communicate directly without a Base Station or Access Point) and licensed spectrum sharing scenarios (where operators share their spectrum, combining power control with bargaining to improve their revenues).We analyse these challenging settings under the prism of game theory, which is anatural choice for modelling scenarios where players with conflicting interests interact witheach other. We formulate non-cooperative games where the devices are the players, focusing on the solution concept of the Nash Equilibrium. We explore the existence and uniqueness of Nash Equilibria, we devise distributed schemes that converge to them, and we study their performance through analysis and simulations. In cases where the resulting Nash Equilibria are suboptimal, meaning that the devices are not satisfied with their performance at these points, we introduce bargaining as a means for creating incentives to the devices to change their transmission parameters. Then, we propose schemes that are guaranteed to lead to operating points more efficient than the Nash Equilibria obtained without bargaining.

Τα ασύρματα δίκτυα αναπτύσσονται με ραγδαίους ρυθμούς τα τελευταία χρόνια: Οι ασύρματες επικοινωνίες είναι διαθέσιμες οπουδήποτε και οποτεδήποτε, παρέχοντας διάφορα επίπεδα ποιότητας υπηρεσίας στους χρήστες. Ολοένα και περισσότερες έξυπνες κινητές συσκευές καθώς και μικροί φορητοί υπολογιστές διεισδύουν στην αγορά, πραγματοποιώντας το όνειρο του απανταχού υπολογίζειν. Αναγκαία συνθήκη για να συνεχιστεί αυτή η τάση καθώς οδεύουμε προς την εποχή των δικτύων 5ης γενιάς (και πέραν αυτών) είναι η μετεξέλιξη των ασυρμάτων τηλεπικοινωνιακών προτύπων. Πιο συγκεκριμένα, τα κυψελωτά δίκτυα πολλαπλών επιπέδων που περιλαμβάνουν τόσο τις παραδοσιακές κυψέλες όσο και μικροκυψέλες, δίκτυα επικοινωνιών συσκευής προς συσκευή κλπ. αναμένεται να έχουν δεσπόζουσα θέση τα προσεχή χρόνια. Τα ετερογενή αυτά δίκτυα αποτελούνται από αυτόνομες οντότητες οι οποίες ελέγχουν και αποφασίζουν μόνες τους για τις παραμέτρους λειτουργίας τους (για παράδειγμα, σε ποιο κομμάτι του φάσματος και με ποια ισχύ θα εκπέμψουν), αντί να εξαρτώνται από τις αποφάσεις κάποιας κεντρικής οντότητας. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται ότι οι επιλογές μιας ασύρματης συσκευής έχουν άμεσο αντίκτυπο τόσο στις επιδόσεις κάποιων (τουλάχιστον) συσκευών (που χρησιμοποιούν το ίδιο κομμάτι του φάσματος) όσο και στη συνολική απόδοση του δικτύου.Με αφετηρία τις άνω συνθήκες, ο θεμελιώδης στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η σχεδίαση αποδοτικών κατανεμημένων σχημάτων διαχείρισης ραδιοπόρων με στόχο την αρμονική συνύπαρξη των συσκευών που συνυπάρχουν σε αυτά τα αναδυόμενα πρότυπα ασυρμάτων δικτύων. Εφαρμόζουμε δύο κλασσικές τεχνικές διαχείρισης ραδιοπόρων: Τη ρύθμιση ισχύος εκπομπής (power control), δηλαδή με ποια ισχύ πρέπει να μεταδώσει η συσκευή και την πρόσβαση στο κανάλι (channel access), δηλαδή πότε να μεταδώσει. Μελετούμε μια σειρά από πρακτικά σενάρια που περιλαμβάνουν (α) την αρμονική συνύπαρξη συσκευών που συνδέονται με παραδοσιακά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας και συσκευών που συνδέονται με μικροκυψέλες, με τα δύο αυτά είδη συσκευών να έχουν διαφορετικούς δικτυακούς στόχους, (β) το πρόβλημα του ανταγωνισμού για πρόσβαση στο κανάλι σε δίκτυα επικοινωνιών συσκευής προς συσκευή, όπου οι αυτόνομες ασύρματες συσκευές επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους, χωρίς τη μεσολάβηση του σταθμού βάσης ή κάποιου ασυρμάτου σημείου πρόσβασης και (γ) σενάρια από κοινού χρήσης του αδειοδοτημένου φάσματος, στα οποία οι πάροχοι κινητής τηλεφωνίας δεν έχουν την αποκλειστική χρήση σε τμήματα φάσματος και εφαρμόζουν ρύθμιση ισχύος εκπομπής με τεχνικές διαπραγμάτευσης για να βελτιώσουν τα έσοδά τους.Αναλύουμε τις παραπάνω καταστάσεις υπό το πρίσμα της θεωρίας παιγνίων, η οποία είναι μια κλασσική και πετυχημένη επιλογή για τη μοντελοποίηση σεναρίων όπου οι οντότητες έχουν αντικρουόμενα συμφέροντα και οι στρατηγικές της μιας έχουν άμεσο αντίκτυπο στις επιδόσεις της άλλης. Χρησιμοποιούμε τη μη-συνεργατική θεωρία παιγνίων με τους παίκτες να είναι οι ασύρματες συσκευές και εστιάζουμε στην εύρεση σημείων ισορροπίας κατά Nash, μια από τις κεντρικότερες έννοιες στη θεωρία παιγνίων. Εξετάζουμε την ύπαρξη και τη μοναδικότητα τέτοιων σημείων ισορροπίας και προτείνουμε μια σειρά από κατανεμημένα σχήματα που συγκλίνουν σε κάποιο από αυτά. Επιπλέον, αποτιμούμε τις επιδόσεις των σχημάτων μέσω θεωρητικής ανάλυσης και εκτενών προσομοιώσεων. Σε περιπτώσεις που οι ισορροπίες είναι υποβέλτιστες, υπό την έννοια ότι οι ασύρματες συσκευές δεν είναι ευχαριστημένες με τις επιδόσεις τους, εισαγάγουμε τεχνικές διαπραγμάτευσης με στόχο τη δημιουργία κινήτρων στις συσκευές για να αλλάξουν περαιτέρω τις παραμέτρους μετάδοσής τους. Εκμεταλλευόμενοι αυτές τις τεχνικές, προτείνουμε κατανεμημένα σχήματα και αποδεικνύουμε ότι οδηγούν σε καλύτερα σημεία λειτουργίας από τις ισορροπίες κατά Nash χωρίς αυτά.