Διαχείριση πόρων δικτύων νέας γενιάς με χρήση θεωρίας παιγνίων και μεθόδων βελτιστοποίησης

Abstract

The objective of this thesis is the study and the development of novel radio resource allocation mechanisms for next generation wireless networks. Given the fact that there is not much scope for further improvement of the transmission technology in next generation telecommunication networks, the role of resource management is expected to become even more crucial. Towards this direction, in this thesis, efficient resource allocation mechanisms are proposed for various network architectures. In particular, the research effort can be separated into two main parts. The first part deals with the solution of various radio resource allocation problems, using principles from game theory and mechanism design theory. Specifically, an efficient power allocation scheme for satellite networks is proposed, exploiting the distributed nature of non cooperative games. Furthermore, novel bandwidth allocation mechanisms are developed for modern terrestrial, satellite networks and for the case of cognitive radio networks.The second part deals with the problem of power control with statistical delay guarantees. In order to take into account the users’ quality requirements, the concept of effective capacity is employed as a suitable tool that can integrate the performance rate of a wireless link and the key metric of delay requirements. The problem of power allocation given specific quality constraints is studied for cognitive radio networks as well as for the novel architecture of cognitive satellite terrestrial networks. The particular problems are solved using principles from classic optimization theory.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και ανάπτυξη μηχανισμών διαχείρισης ραδιοπόρων για ασύρματα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα νέας γενιάς. Δεδομένου ότι τα περιθώρια για περαιτέρω βελτίωση των τεχνολογιών μετάδοσης έχουν μειωθεί σημαντικά στα δίκτυα νέας γενιάς, η αποδοτική διαχείριση των ασύρματων πόρων κρίνεται απαραίτητη προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η συνολική απόδοση του συστήματος. Για το λόγο αυτό, στο πλαίσιο της διατριβής, προτείνονται καινοτόμοι αποδοτικοί μηχανισμοί για διάφορες λειτουργίες διαχείρισης των ραδιοπόρων. Αναλυτικότερα, η ερευνητική προσπάθεια που έγινε μπορεί να χωριστεί σε δύο βασικά μέρη. Στο πρώτο μέρος, δίνεται έμφαση στην επίλυση βασικών προβλημάτων διαχείρισης ασυρμάτων πόρων χρησιμοποιώντας αρχές από τη θεωρία παιγνίων (game theory) καθώς και από τη θεωρία σχεδίασης μηχανισμών (mechanism design). Συγκεκριμένα, προτείνεται ένα αποδοτικό, κατανεμημένο σχήμα ελέγχου ισχύος για δορυφορικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, το οποίο βασίζεται στη μη συνεργατική θεωρία παιγνίων ενώ παράλληλα, αναπτύσσονται καινοτόμοι μηχανισμοί εκχώρησης εύρους ζώνης για σύγχρονα επίγεια και δορυφορικά συστήματα καθώς και για την περίπτωση των γνωστικών συστημάτων.Το δεύτερο μέρος εστιάζει σε προβλήματα διαχείρισης ραδιοπόρων με κεντρικό γνώμονα την παροχή ποιότητας υπηρεσίας στους τελικούς χρήστες. Συγκεκριμένα, προκειμένου να ληφθούν υπόψιν οι απαιτήσεις ποιότητας των χρηστών, χρησιμοποιείται η θεωρία της αποτελεσματικής χωρητικότητας (effective capacity), η οποία λειτουργεί ως εργαλείο διασύνδεσης του ρυθμού μετάδοσης μιας ασύρματης ζεύξης με τη βασική μετρική των απαιτήσεων ποιότητας από πλευράς καθυστέρησης. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής μελετάται το πρόβλημα ελέγχου ισχύος για παροχή ποιότητας επικοινωνίας σε γνωστικά δίκτυα καθώς και στην περίπτωση της πρωτοποριακής αρχιτεκτονικής των γνωστικών δορυφορικών επίγειων δικτύων. Το συγκεκριμένο πρόβλημα επιλύεται χρησιμοποιώντας αρχές από την κλασική θεωρία βελτιστοποίησης καταλήγοντας σε καινοτόμους μηχανισμούς εκχώρησης ισχύος.