Optimization algorithm design and performance analysis for next-generation wireless networks

Abstract

The proliferation of connected devices has led to very strict requirements for next-generation wireless networks, taking into consideration environmental as well as economic concerns. In particular, one of the primary goals in the design of fifth-generation (5G) wireless networks is to satisfy the extremely high data rate (traffic demand) of users with the minimum energy consumption. For this purpose, a new performance indicator, namely, energy efficiency (EE), has been proposed in the literature which is measured in bits/Joule and expresses the amount of information that can be reliably transmitted per unit of consumed energy. This Dissertation deals with the design of efficient optimization algorithms for next-generation wireless networks, including terrestrial as well as satellite communication systems. More specifically, the theory of sequential convex optimization (SCO) is applied to solve challenging optimization problems, such as the maximization of several EE-metrics, so as to develop energy-efficient power allocation strategies. SCO is a powerful mathematical tool that can be used to solve nonconvex optimization problems by solving a sequence of convex optimization problems. This method is theoretically guaranteed to converge for any initial feasible point and, under suitable constraint qualifications, achieves a stationary point (i.e., a point that satisfies the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions) of the original problem. Furthermore, we study some combinatorial optimization problems in satellite networks (SatNets), which are proven to be NP-hard. In particular, we focus on the optimum selection of ground stations (GSs) in SatNets with site diversity (SD), satisfying given availability requirements. SD technique is used to improve the availability of satellite systems by mitigating the atmospheric impairments, such as rain (for radio frequencies) and cloud coverage (for optical frequencies). Moreover, we present global optimization algorithms, based on the branch-and-bound (B&B) method and dynamic programming (DP), as well as a polynomial-time approximation algorithm with provable performance guarantee. Finally, we examine a load-sharing smart gateway diversity (LS-SGD) architecture in SatNets, which has been recently proposed in the literature. For this diversity scheme, we define the system outage probability (SOP) based on the Poisson binomial distribution (PBD) and taking into account the traffic demand as well as the gateway (GW) capacity. In addition, we present several methods for the exact and approximate calculation of SOP.

Η ταχεία αύξηση των συνδεδεμένων συσκευών έχει οδηγήσει σε πολύ αυστηρές απαιτήσεις για τα ασύρματα δίκτυα επόμενης γενιάς, λαμβάνοντας υπόψη τόσο περιβαλλοντικά όσο και οικονομικά ζητήματα. Συγκεκριμένα, ένας από τους πρωταρχικούς στόχους στο σχεδιασμό των ασύρματων δικτύων πέμπτης γενιάς (5G) είναι η ικανοποίηση του εξαιρετικά υψηλού ρυθμού δεδομένων των χρηστών με την ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Για το σκοπό αυτό, έχει προταθεί ένας νέος δείκτης επίδοσης στη βιβλιογραφία, που ονομάζεται ενεργειακή απόδοση (ΕΑ), ο οποίος μετριέται σε bits/Joule και εκφράζει την ποσότητα πληροφορίας που μπορεί να μεταδοθεί αξιόπιστα ανά μονάδα καταναλισκόμενης ενέργειας. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή ασχολείται με τη σχεδίαση αποδοτικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης για ασύρματα δίκτυα επόμενης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων των επίγειων καθώς και των δορυφορικών συστημάτων επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, εφαρμόζεται η θεωρία της διαδοχικής κυρτής βελτιστοποίησης (ΔΚΒ) για την επίλυση δύσκολων προβλημάτων βελτιστοποίησης, όπως η μεγιστοποίηση διαφόρων μετρικών ΕΑ, ώστε να αναπτυχθούν ενεργειακά-αποδοτικές στρατηγικές κατανομής ισχύος. Η ΔΚΒ είναι ένα ισχυρό μαθηματικό εργαλείο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση μη-κυρτών προβλημάτων βελτιστοποίησης επιλύοντας μια ακολουθία κυρτών προβλημάτων βελτιστοποίησης. Αυτή η μέθοδος είναι θεωρητικά εγγυημένη να συγκλίνει για οποιοδήποτε αρχικό εφικτό σημείο και, υπό κατάλληλες προϋποθέσεις, επιτυγχάνει ένα στάσιμο σημείο (δηλαδή, ένα σημείο που ικανοποιεί τις συνθήκες Karush-Kuhn-Tucker (KKT)) του αρχικού προβλήματος. Επιπλέον, μελετάμε ορισμένα συνδυαστικά προβλήματα βελτιστοποίησης σε δορυφορικά δίκτυα, τα οποία αποδεικνύεται ότι είναι NP-δύσκολα. Συγκεκριμένα, εστιάζουμε στη βέλτιστη επιλογή επίγειων σταθμών (ΕΣ) σε δορυφορικά δίκτυα με διαφορισμό θέσης (ΔΘ), ικανοποιώντας δεδομένες απαιτήσεις διαθεσιμότητας. Η τεχνική ΔΘ χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της διαθεσιμότητας των δορυφορικών συστημάτων αμβλύνοντας τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα, όπως η βροχή (για τις ραδιοσυχνότητες) και η κάλυψη από νέφη (για τις οπτικές συχνότητες). Ακόμη, παρουσιάζουμε αλγόριθμους ολικής βελτιστοποίησης, με βάση τη μέθοδο διακλάδωσης-και-φράγματος (Δ&Φ) και τον δυναμικό προγραμματισμό (ΔΠ), καθώς και έναν προσεγγιστικό αλγόριθμο πολυωνυμικού χρόνου με αποδεδειγμένη εγγύηση επίδοσης. Τέλος, εξετάζουμε μια αρχιτεκτονική διαφορισμού έξυπνων πυλών (ΔΕΠ) βασισμένη στο διαμοιρασμό φορτίου σε δορυφορικά δίκτυα, η οποία έχει προταθεί πρόσφατα στη βιβλιογραφία. Για αυτό το σχήμα διαφορισμού, ορίζουμε την πιθανότητα διακοπής του συστήματος (ΠΔΣ) βάσει της διωνυμικής κατανομής Poisson και λαμβάνοντας υπόψη τη ζήτηση δεδομένων καθώς και τη χωρητικότητα κάθε πύλης. Επίσης, παρουσιάζουμε διάφορες μεθόδους για τον ακριβή και προσεγγιστικό υπολογισμό της ΠΔΣ.