Αναδιάρθρωση αναθέσεων πόρων σε δίκτυα γνωσιακής ραδιοεπικοινωνίας

Abstract

The current statically established model of spectrum management is unable to satisfy the constantly growing demand of users and networks for spectrum access, essentially obstructing the deployment of new and innovative wireless services in practice. Cognitive Radio is considered a promising technology for restoring efficiency in spectrum utilization, by providing the wireless devices with the flexibility to opportunistically exploit unused spectrum portions that potentially exist in their wireless environment. Cognitive Radio technology specifies in practice three fundamental processes, namely the "Spectrum Monitoring", the "Spectrum Sharing" and the "Spectrum Mobility", and this thesis focuses on the study of open issues related to all these three layers of conception. More specifically, the popular problem of Joint Channel Assignment and Routing ("Spectrum Sharing" process) is considered from the perspective of Cognitive Radio Networks and, based on that, a novel mechanism is proposed with the ulterior view to minimize the overhead that is induced on such networks during their frequent resource allocation reconfigurations ("Spectrum Mobility" process). Both the Joint Channel Assignment and Routing problem, as well as the proposed reconfiguration mechanism are first modeled as optimization problems. Then, proper heuristic methods are investigated for quickly providing near-optimal solutions to the above problems and, thus, making it viable to be applied to realistic Cognitive Radio Networks scaling in commercial sizes. Especially for the proposed reconfiguration mechanism, a novel and efficient heuristic method is designed, which exploits the unique nature of the respective optimization problem. Furthermore, within the framework of this dissertation, a Spectrum Occupancy Survey is carried out in the metropolitan area of Athens, aiming at evaluating the ability of the real spectrum environment to support the application of the Cognitive Radio technology in practice and, thus, empower the practicality of the conducted research. Finally, by further processing the collected measurement data, the existence of correlation properties in the sensed power of measured neighboring channels is advocated and, based on them, a new methodology is proposed for enabling the wireless devices to raise their awareness on their otherwise unknown operating spectrum environment by simply leveraging data that are collected during the typically applied "Spectrum Monitoring" process. Notably, the acquired awareness can be well exploited for improving all the above processes defined by the Cognitive Radio technology and – in combination with the proposed reconfiguration mechanism – to further increase the efficiency of such networks.

Το στατικό μοντέλο διαχείρισης του ραδιοφάσματος αδυνατεί να ικανοποιήσει τη συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση πρόσβασης στον εν λόγω πόρο, αποτελώντας ουσιαστικά τροχοπέδη στην ανάπτυξη περαιτέρω καινοτόμων ασύρματων υπηρεσιών. Ως καταλληλότερη τεχνολογία για την αποκατάσταση της αποδοτικότητας στον τρόπο εκμετάλλευσης του ραδιοφάσματος θεωρείται σήμερα η Γνωσιακή Ραδιοεπικοινωνία. Η εν λόγω τεχνολογία παρέχει στις ασύρματες συσκευές την ευελιξία να εκμεταλλεύονται ευκαιριακά μη-χρησιμοποιούμενες μερίδες του ραδιοφάσματος, προδιαγράφοντας τρείς θεμελιώδεις διαδικασίες, ήτοι την "Παρακολούθηση Φάσματος", τον "Μερισμό Φάσματος" και την "Κινητικότητα Φάσματος". Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο ευρύτερο ερευνητικό πεδίο της Γνωσιακής Ραδιοεπικοινωνίας και πραγματεύεται ανοιχτά θέματα τα οποία άπτονται και των τριών ανωτέρω διαδικασιών. Συγκεκριμένα, στην παρούσα διατριβή προσεγγίζεται το δημοφιλές πρόβλημα της Συνδυασμένης Εκχώρησης Καναλιών και Δρομολόγησης (διαδικασία "Μερισμού Φάσματος") υπό το πρίσμα των Δικτύων Γνωσιακής Ραδιοεπικοινωνίας και, βάσει αυτού, προτείνεται ένας μηχανισμός ελαχιστοποίησης της επιβάρυνσης η οποία προκαλείται στα εν λόγω δίκτυα κατά τη συχνότερη αναδιάρθρωση των αναθέσεων πόρων τους (διαδικασία "Κινητικότητας Φάσματος"). Τόσο το ανωτέρω πρόβλημα μερισμού φάσματος, όσο και ο μηχανισμός αποδοτικής αναδιάρθρωσης αναθέσεων πόρων μοντελοποιούνται, αρχικά, ως προβλήματα βελτιστοποίησης, ενώ στη συνέχεια αναζητούνται κατάλληλες ευρετικές μέθοδοι με σκοπό την πλησιοβέλτιστη επίλυση των εν λόγω προβλημάτων και, κατ’ επέκταση, την αποκατάσταση της δυνατότητας εφαρμογής τους σε πρακτικά Δίκτυα Γνωσιακής Ραδιοεπικοινωνίας. Ειδικότερα, για τον προδιαγραφόμενο μηχανισμό βέλτιστης αναδιάρθρωσης αναθέσεων πόρων, προτείνεται μια εξαιρετικά αποδοτική, εξειδικευμένη στο συγκεκριμένο πρόβλημα ευρετική μέθοδος. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής πραγματοποιείται, επίσης, μια Επισκόπηση Κατάληψης Φάσματος στη μητροπολιτική περιοχή των Αθηνών, ώστε να αξιολογηθεί η δυνατότητα του πραγματικού περιβάλλοντος ραδιοσυχνοτήτων να υποστηρίξει την εφαρμογή της τεχνολογίας της Γνωσιακής Ραδιοεπικοινωνίας στην πράξη και, κατ’ επέκταση, να ενδυναμωθεί η πρακτικότητα της πραγματοποιούμενης έρευνας. Κατόπιν ενδελεχούς εξέτασης των συλλεγμένων δεδομένων μετρήσεων, τέλος, αναδεικνύεται η ύπαρξη συσχετίσεων στη μετρούμενη ενέργεια γειτονικών καναλιών και, εν συνεχεία, προτείνεται μια μεθοδολογία η οποία εκμεταλλεύεται την εν λόγω ιδιότητα, επιτρέποντας στις ασύρματες συσκευές να αυξάνουν την ενημερότητά τους επί του εξ ορισμού άγνωστου περιβάλλοντος ραδιοσυχνοτήτων τους επεξεργαζόμενες αποκλειστικά όσα δεδομένα συλλέγουν κατά την τυπικά εφαρμοζόμενη διαδικασία της "Παρακολούθησης Φάσματος". Η αποκτώμενη ενημερότητα, μάλιστα, δύναται να δράσει υποστηρικτικά επί του συνόλου των διαδικασιών τις οποίες ορίζει η τεχνολογία της Γνωσιακής Ραδιοεπικοινωνίας και – σε συνδυασμό με τον προτεινόμενο μηχανισμό βέλτιστης αναδιάρθρωσης αναθέσεων πόρων – να βελτιώσει σημαντικά την αποδοτικότητα των αντίστοιχων δικτύων.