Διαστρωματική αλληλεπίδραση και βελτιστοποίηση σε ευρυζωνικά ραδιοδίκτυα πέραν της 3ης γενιάς

Abstract

This thesis focuses on modeling the interaction of particular layers of the protocol stack in wireless networks: the Physical Layer (PHY), the Data Link Layer, the Medium Access Control (MAC) and upper layers to evaluate performance metrics both for the mobile user and the complex service system in broadband radio networks beyond 3G. A number of robust service systems and queuing models that have been developed for years in the scientific literature of computer networks, as well as stochastic fading models for opportunistic scheduling systems allow modeling of data traffic in modern wireless systems and finding approximate analytical relations for user throughput, user energy efficiency and total power consumption at the Base Station.These analytical relations are expressed in simple terms that reflect the basic parameters of the interaction of the protocol stack and allow analytical evaluation of complex dimensioning problems and the performance of dynamic resource sharing protocols. At the same time they allow the design of reliable transmission and networking protocols that serve the needs of new systems, utilizing dynamic characteristics of service developed at the higher layers of the protocol stack.The analysis continues with the formulation of novel optimization problems for systems beyond 3G. Specifically, a link adaptation algorithm is proposed that depends on maximum energy efficiency. The energy efficiency is expressed as a function of the active users of the system and the corresponding optimization problem is considered a cross-layer optimization problem. In addition, the objective function of the capacity of a system is presented. This function is the maximum volume of data per unit time that can be served by the system. Finally, optimal policies of cell partitioning are investigated, by applying the interference cancellation technique of Fractional Frequency Reuse, maximizing appropriate objective functions related to system performance. Specifically, the optimal policy that maximizes the cell capacity and the optimal policy that minimizes the objective function of the total power consumption at the Base Station are investigated.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στη μοντελοποίηση και ανάλυση της αλληλεπίδρασης συγκεκριμένων επιπέδων της στοίβας των πρωτοκόλλων στα ασύρματα δίκτυα: του Φυσικού Επιπέδου (PHY), του Επιπέδου Ζεύξης (Data Link Layer), του Επιπέδου Πρόσβασης στο Μέσο (MAC) και των ανωτέρων επιπέδων για την αξιολόγηση της επίδοσης μετρικών που αφορούν τόσο το κινητό χρήστη, όσο και το σύνθετο σύστημα εξυπηρέτησης των χρηστών στα Ευρυζωνικά Ραδιοδίκτυα πέραν της 3ης Γενιάς. Μια σειρά από εύρωστα μοντέλα εξυπηρέτησης και αναμονής που έχουν αναπτυχθεί εδώ και χρόνια στην επιστημονική βιβλιογραφία των δικτύων υπολογιστών καθώς και στοχαστικά μοντέλα διαλείψεων για συστήματα ευκαιριακού χρονοπρογραμματισμού επιτρέπουν την μοντελοποίηση της κίνησης δεδομένων στα σύγχρονα ασύρματα συστήματα και την εύρεση αναλυτικών προσεγγιστικών σχέσεων για τη ρυθμαπόδοση χρήστη, την ενεργειακή επίδοση χρήστη και την συνολική κατανάλωση ισχύος στο Σταθμό Βάσης. Οι σχέσεις αυτές εκφράζονται με απλούς όρους που αντανακλούν τις βασικές παραμέτρους της αλληλεπίδρασης της στοίβας των πρωτοκόλλων, επιτρέποντας την αναλυτική αξιολόγηση σύνθετων προβλημάτων διαστασιοποίησης καθώς και δυναμικών πρωτοκόλλων δέσμευσης πόρων. Επιτρέπουν παράλληλα το σχεδιασμό αξιόπιστων πρωτοκόλλων μετάδοσης και δικτύωσης, που εξυπηρετούν τις ανάγκες των νέων συστημάτων, αξιοποιώντας δυναμικά χαρακτηριστικά εξυπηρέτησης που αναπτύσσονται στα ανώτερα επίπεδα της στοίβας των πρωτοκόλλων .Η ανάλυση συνεχίζεται με την διατύπωση πρωτότυπων προβλημάτων βελτιστοποίησης για τα συστήματα πέραν της 3ης Γενιάς. Συγκεκριμένα, προτείνεται αλγόριθμος προσαρμογής ζεύξης που βασίζεται στη μεγιστοποίηση της ενεργειακής επίδοσης. Η ενεργειακή επίδοση εκφράζεται ως συνάρτηση των ενεργών χρηστών του συστήματος και το αντίστοιχο πρόβλημα βελτιστοποίησης συγκαταλέγεται στα προβλήματα διαστρωματικής βελτιστοποίησης. Επιπλέον, παρουσιάζεται η αντικειμενική συνάρτησης της χωρητικότητας ενός συστήματος. Η συνάρτηση αυτή εκφράζει το μέγιστο όγκο δεδομένο ανά μονάδα χρόνου που μπορεί να εξυπηρετήσει ένα σύστημα εξυπηρέτησης. Τέλος εξετάζονται πολιτικές βέλτιστης διαμέρισης της κυψέλης με εφαρμογή της σύγχρονης τεχνικής εξουδετέρωσης παρεμβολών, της Κλασματικής Επαναχρησιμοποίησης Συχνότητας, που μεγιστοποιούν κατάλληλες αντικειμενικές συναρτήσεις που αφορούν την επίδοση του συστήματος. Συγκεκριμένα εξετάζεται η βέλτιστη πολιτική που μεγιστοποιεί τη χωρητικότητα της κυψέλης και η βέλτιστη πολιτική που ελαχιστοποιεί την αντικειμενική συνάρτηση της συνολικής κατανάλωσης ισχύος στο Σταθμό Βάσης.