Spectrum sharing and management techniques in mobile networks

Abstract

Radio spectrum has loomed out to be a scarce resource that needs to be carefully considered when designing 5G communication systems and Mobile Network Operators (MNOs) will need to revisit business models that were not of their prior interest (e.g. Cognitive Radio) or consider adopting new business models that emerge (e.g. Licensed Shared Access) so as to cover the extended capacity needs. Up to now, MNOs have been reluctant investing for extra network technologies that would offer spectrum flexibility, and preferred following traditional exclusive access scheme for their dedicated spectrum resources, which led to reduced spectrum utilization. MNOs hesitation towards spectrum sharing has been also reinforced by the fact that spectrum sharing techniques proposed in the literature focus on single authorization regimes, limiting thus the flexibility and the potentials of spectrum sharing among multiple communication systems. Thus, new flexible mechanisms that will handle spectrum efficiently and will exploit the benefits of various authorization regimes are required. Towards this direction, this thesis aims at providing a solution for spectrum sharing under multiple authorization regimes based on a novel architecture framework that enables the network elements to proceed in decisions for spectrum acquisition and exchange information that will lead to the realization of the proposed concept. We have proposed the incorporation of Spectrum Controller, a logical entity that is responsible for requesting additional spectrum resources to the operator’s network and the Coordination Entity, a logical (and not necessarily centralized) unit that is responsible to gather information on available spectrum and grant access based on the received spectrum requests. The whole process is regulated by National Regulation Authorities and the framework is applicable to multiple spectrum sharing scenarios as the Licensed Shared Access and the Co-primary spectrum sharing. This thesis also introduces a possible instantiation of such architecture through Software-Defined Networking infrastructure. From the mobile network side the fundamental unit that enables spectrum sharing is the Spectrum Controller that is responsible to perform the decision making process for spectrum acquisition. In this thesis, we propose a novel spectrum sharing technique that uses Fuzzy Logic controllers to determine the most suitable spectrum sharing option. Fuzzy Logic Controllers’ decisions take into account network conditions, spectral efficiency and the rules preserved in each Fuzzy Logic Controller, which are defined based on the special features of each spectrum sharing option. In addition, given the need to avoid manual configuration of the system a reinforcement learning technique has been developed that will allow the system to adapt its decisions over time. The introduced technique for Adaptive Spectrum Sharing takes into account the effect that Fuzzy Logic Controllers have upon the network and the spectrum market and tunes the fuzzy logic rules, aiming to find an optimal policy that MNO should follow in order to offer the desirable Quality of Service to its users, while preserving resources (either economical, or radio) when possible. The Adaptive Spectrum Sharing scheme is applicable in sharing scenarios in which the existence of any form of spectrum license is prerequisite. However, there are also sharing scenarios in which conveying spectrum licenses is not necessary and the access schemes rely on spectrum sensing and power control mechanisms. The final contribution of this thesis is a mechanism that ensures fair access to spectrum among the users in such scenarios. The proposed mechanism, which is used in conjunction with a typical cooperative power control, caters for underprivileged users by enhancing their transmission power value, generated by the evolutionary execution of Genetic Algorithm. The algorithm’s behavior in cases of an incomplete knowledge model (i.e., some of the users may not know all the information) is also assessed as this is particularly important for real systems in which a full knowledge model is typically an unrealistic assumption.

Το φάσμα συχνοτήτων αποδεικνύεται σπάνιο κομμάτι για τους πόρους ενός κινητού δικτύου το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψιν στη σχεδίαση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων πέμπτης γενιάς. Επιπλέον οι πάροχοι κινητών δικτύων θα πρέπει να επαναπροσδιορίσουν επιχειρησιακά μοντέλα τα οποία μέχρι τώρα δεν θεωρούνταν αναγκαία (π.χ., γνωσιακά ραδιοδίκτυα), ή να εξετάσουν την υιοθέτηση νέων μοντέλων που αναδεικνύονται (π.χ., αδειοδοτούμενη από κοινού πρόσβαση) ώστε να καλύψουν τις ολοένα αυξανόμενες ανάγκες για εύρος ζώνης. Μέχρι τώρα, οι πάροχοι κινητών δικτύων ήταν επιφυλακτικοί να επενδύσουν σε επιπρόσθετες τεχνολογίες δικτύου που θα προσέφεραν ευελιξία στη διαχείριση φάσματος και προτιμούσαν να χρησιμοποιούν αποκλειστικά το εκχωρημένο σε αυτούς φάσμα, με αποτέλεσμα την περιορισμένη χρήση φάσματος. Η επιφυλακτικότητα των παρόχων κινητών δικτύων ενισχύεται από το γεγονός ότι οι διαθέσιμες από τη βιβλιογραφία τεχνικές μερισμού φάσματος επικεντρώνονται σε ένα μόνο καθεστώς εξουσιοδότησης, περιορίζοντας την ευελιξία και τις δυνατότητες μερισμού φάσματος ανάμεσα σε πολλαπλά συστήματα επικοινωνιών. Άρα, νέοι ευέλικτοι μηχανισμοί, οι οποίοι θα χειρίζονται το φάσμα αποδοτικά και θα εκμεταλλεύονται τα πλεονεκτήματα των διαφόρων καθεστώτων εξουσιοδότησης, κρίνονται απαραίτητοι.Προς αυτή τη κατεύθυνση, η διατριβή αυτή στοχεύει να παράσχει μία λύση για μερισμό φάσματος με πολλαπλά καθεστώτα εξουσιοδότησης, βάσει ενός καινοτόμου αρχιτεκτονικού πλαισίου το οποίο επιτρέπει στα δικτυακά στοιχεία να λαμβάνουν αποφάσεις για απόκτηση φάσματος και να ανταλλάσσουν πληροφορίες που οδηγούν στη πραγματοποίηση της προτεινόμενης ιδέας. Προτείνουμε την ενσωμάτωση του Ελεγκτή Φάσματος, μίας λογικής οντότητας υπεύθυνης να ζητά πρόσθετο φάσμα, στο κινητό δίκτυο, και της Οντότητας Συντονισμού, μίας λογικής (αλλά όχι απαραίτητα και κεντρικοποιημένης) μονάδας, η οποία είναι υπεύθυνη να συλλέξει πληροφορίες για διαθεσιμότητα φάσματος και να χορηγήσει άδειες πρόσβασης με βάση τις ληφθείσες αιτήσεις για φάσμα. H όλη διαδικασία επιβλέπεται από την εθνική κανονιστική αρχή και το πλαίσιο εφαρμόζεται σε πολλαπλά σενάρια μερισμού φάσματος όπως η αδειοδοτούμενη από κοινού πρόσβαση και ο από κοινού πρωτεύων μερισμός φάσματος. Ακόμη, η διατριβή αυτή προτείνει μία πιθανή υποστασιοποίηση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής μέσω δικτυακής υποδομής βασισμένης σε λογισμικό.Από την πλευρά του κινητού δικτύου η βασικότερη μονάδα η οποία επιτρέπει το μερισμό φάσματος είναι ο Ελεγκτής Φάσματος ο οποίος είναι υπεύθυνος να λάβει αποφάσεις για απόκτηση επιπλέον φάσματος. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή προτείνουμε μία καινοτόμα τεχνική μερισμού φάσματος η οποία χρησιμοποιεί Ελεγκτές Ασαφούς Λογικής ώστε να προσδιορίσει την καταλληλότερη επιλογή μερισμού φάσματος. Οι αποφάσεις των Ελεγκτών Ασαφούς Λογικής λαμβάνουν υπόψιν τις συνθήκες του δικτύου, την φασματική απόδοση και τους κανόνες που διέπουν κάθε ελεγκτή, οι οποίοι έχουν καθοριστεί με βάση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της εκάστοτε επιλογής για μερισμό φάσματος.Επιπλέον, δεδομένης της ανάγκης για αποφυγή χειροκίνητης παραμετροποίησης του συστήματος αναπτύχθηκε μία τεχνική ενισχυμένης μάθησης, η οποία επιτρέπει στο σύστημα να προσαρμόζει τις αποφάσεις του σε βάθος χρόνου. Η προτεινόμενη τεχνική για προσαρμοστικό μερισμό φάσματος λαμβάνει υπόψη την επίδραση των αποφάσεων των Ελεγκτών Ασαφούς Λογική στο δίκτυο και το κόστος αγοράς φάσματος για το πάροχο και ρυθμίζει τους κανόνες που διέπουν τους ελεγκτές της ασαφούς λογικής που χρησιμοποιεί ο μηχανισμός μερισμού φάσματος, επιχειρώντας να βρει τη βέλτιστη πολιτική που θα πρέπει να ακολουθήσει ο πάροχος ώστε να παρέχει την επιθυμητή ποιότητα υπηρεσιών στους χρήστες, επιτρέποντας όμως παράλληλα εξοικονόμηση πόρων (είτε οικονομικών ή ραδιοπόρων) όποτε είναι εφικτό. Η προτεινόμενη τεχνική προσαρμοστικού μερισμού φάσματος είναι εφαρμόσιμη σε σενάρια μερισμού στα οποία η ύπαρξη οποιασδήποτε μορφής άδειας χρήσης φάσματος είναι προαπαιτούμενη. Όμως, υπάρχουν σενάρια μερισμού στα οποία η εκχώρηση άδειας χρήσης δεν είναι απαραίτητη και τα σχήματα πρόσβασης στηρίζονται σε μηχανισμούς επαίσθησης φάσματος και μηχανισμούς ελέγχου ισχύος εκπομπής. Η τελευταία συνεισφορά της διατριβής είναι ένας μηχανισμός που εξασφαλίζει δίκαια πρόσβαση σε φάσμα ανάμεσα σε χρήστες τέτοιων σεναρίων μερισμού. Ο προτεινόμενος μηχανισμός, ο οποίος χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με ένα τυπικό μηχανισμό συνεργατικού ελέγχου ισχύος, βοηθάει τους αδικημένους χρήστες ενισχύοντας την ισχύ εκπομπής τους, μέσω της εκτέλεσης Γενετικού Αλγορίθμου. Η συμπεριφορά του αλγορίθμου σε περίπτωση ελλιπούς μοντέλου γνώσης είναι επίσης κομμάτι της μελέτης, καθώς είναι πολύ βασική περίπτωση για πραγματικά συστήματα στα οποία ένα πλήρες μοντέλο γνώσης αποτελεί ουσιαστικά μη ρεαλιστική προϋπόθεση.