Μοντέλα απωλειών κλήσεων μονοδιάστατης ή πολυδιάστατης τηλεπικοινωνιακής κίνησης σε ασύρματα δίκτυα τεχνολογίας cloud RAN

Abstract

The cloud radio access network (C-RAN) is considered as a promising fifth generation (5G) network architecture. The C-RAN architecture implies that a number of distributed base stations (BSs) form a centralized network. Each BS is split into two components: the remote radio head (RRH), that includes the antennas and the baseband signal processing server, named baseband unit (BBU). The BBUs are centralized and implemented as virtualized BBUs (V-BBUs) by a computer data center. The pool of V-BBUs is connected to the RRHs via fronthaul links. We consider the C-RAN from the aspect of a loss system. In order for an arriving call to be served by the C-RAN, resource units should be allocated by the RRH (in which the call arrived) and the V-BBU pool (i.e., by the data center). The capacity of the RRH is expressed in radio resource units, while the capacity of the V-BBU pool is expressed in computational resource units. The RRHs are distinguished into homogeneous, when they have same capacity, and into heterogeneous, when they have different capacity of radio resource units. When all calls require the same amount of resource units, then we have single-service traffic, otherwise, when different calls require different amount of resource units, then we have multi-service traffic. In this dissertation, C-RAN systems are examined as loss models. In the first part, we present 14 loss models (of which 12 are novel and proposed), that consider the following cases: the C-RAN has either homogeneous or heterogeneous RRH, the call traffic is either single-service or multi-service and the call arrival process is either random (i.e., Poisson process), quasi-random (i.e., calls are generated by a finite number of users), or compound Poisson (i.e., calls arrive in batches, the size of a batch is random, while the batch arrival follows a Poisson process).The second part of the dissertation examines multi-service loss systems under the so called Threshold Call Admission (TCA) policy. Two loss models are presented (of which one is novel and proposed) that consider a random or quasi-random call arrival process. In the multi-service loss models with TCA policy, calls of the same service-class are distinguished into: new calls and handover calls. The TCA policy sets a threshold (that express a number of in-service calls) for each service class. When the threshold is reached, then new arriving calls are blocked and lost, while handover calls are accepted, in case there are available resource units for the service-class to which they belong. All models, in this dissertation, are analyzed as continuous time Markov chains and for each such Markov chain it is proved that there exists steady-state distribution which is expressed by a product form solution. Based on the product form solution, a convolution algorithm is proposed for the calculation of the congestion probabilities and the system’s capacity utilization. The analytical results of the convolution algorithms were validated with the simulation results via examples.

Στην πέμπτη γενιά (5G) των ασύρματων δικτύων κυψελοειδούς τεχνολογίας έχει αναδειχτεί μια ευέλικτη αρχιτεκτονική διάταξη η επονομαζόμενη Cloud Radio Access Network (C-RAN). H αρχιτεκτονική C-RAN αποτελείται από πολλαπλά Βase Station (BS) τα οποία σχηματίζουν ένα κεντρικό δίκτυο. Κάθε BS χωρίζεται σε Remote Radio Head (RRH) και Baseband Unit (BBU). Τα BBU συγκεντρώνονται σε ένα υπολογιστικό κέντρο και χαρακτηρίζονται ως Virtualized Baseband Unit (V-BBU) ενώ η σύνδεση των V-BBU με τα RRH πραγματοποιείται μέσω ζεύξεων fronthaul.Εξετάζουμε τα δίκτυα τεχνολογίας C-RAN σε επίπεδο κλήσεων και πιο συγκεκριμένα μελετούμε την έννοια της απώλειας κλήσης. Μια εισερχόμενη κλήση, για να εξυπηρετηθεί, χρειάζεται πόρους από το RRH (στο οποίο αφίχθηκε) και από το V-BBU (από το υπολογιστικό κέντρο). Η χωρητικότητα του RRH εκφράζεται σε ράδιο μονάδες πόρων, ενώ του V-BBU σε υπολογιστικές μονάδες πόρων. Διακρίνουμε τα RRH σε ομοιογενή, όταν έχουν την ίδια χωρητικότητα, και σε ετερογενή, όταν έχουν διαφορετική χωρητικότητα. Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση είναι μονοδιάστατη όταν κάθε κλήση, προκειμένου να εξυπηρετηθεί, απαιτεί τον ίδιο αριθμό μονάδων πόρων και πολυδιάστατη όταν υπάρχουν κλήσεις με διαφορετικές απαιτήσεις σε αριθμό μονάδων πόρων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή τα ασύρματα δίκτυα τεχνολογίας C-RAN μελετιούνται ως συστήματα απωλειών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται 14 μοντέλα απωλειών (από τα οποία 12 είναι πρωτότυπα και προτείνονται στα πλαίσια της παρούσης διατριβής), που περιγράφουν συστήματα C-RAN καλύπτοντας τις περιπτώσεις κατά τις οποίες: το C-RAN διαθέτει είτε ομοιογενή είτε ετερογενή RRH, η τηλεπικοινωνιακή κίνηση είναι είτε μονοδιάστατη είτε πολυδιάστατη και η διαδικασία άφιξης των κλήσεων είναι είτε τυχαία (ανέλιξη Poisson), είτε ψευδοτυχαία (οι κλήσεις παράγονται από πεπερασμένο αριθμό πηγών κλήσεων), είτε τυχαία κατά ομάδες (οι κλήσεις αφικνούνται σε ομάδες, το πλήθος των κλήσεων σε κάθε ομάδα είναι τυχαίο, ενώ η άφιξη των ομάδων ακολουθεί την ανέλιξη Poisson).Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάζονται μοντέλα απωλειών πολυδιάστατης κίνησης υπό την πολιτική Threshold Call Admission (TCA). Παρουσιάζονται δύο μοντέλα απωλειών (το ένα είναι πρωτότυπο και προτεινόμενο) που καλύπτουν την τυχαία ή ψευδοτυχαία άφιξη κλήσεων.Στα συστήματα απωλειών, που δέχονται πολυδιάστατη τηλεπικοινωνιακή κίνηση, οι κλήσεις ομαδοποιούνται σε κλάσεις υπηρεσιών βάσει των μονάδων των πόρων που χρειάζονται για να εξυπηρετηθούν. Στα μοντέλα, με την πολιτική TCA, οι κλήσεις της ίδιας κλάσης υπηρεσίας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: νέες κλήσεις (new calls) και κλήσεις μεταπομπής (handover calls). Η πολιτική TCA θεωρεί ένα κατώφλι (που εκφράζει έναν αριθμό κλήσεων υπό την εξυπηρέτηση) για κάθε κλάση υπηρεσίας, στην υπέρβαση του οποίου οι νέες κλήσεις απορρίπτονται, ενώ οι κλήσεις μεταπομπής γίνονται δεκτές, εφόσον υπάρχουν διαθέσιμες μονάδες πόρων για την κλάση υπηρεσίας στην οποία ανήκουν. Όλα τα εξεταζόμενα μοντέλα αναλύονται ως Μαρκοβιανές αλυσίδες σε συνεχή χρόνο και αποδεικνύεται ότι η κατανομή της μόνιμης κατάστασης (steady state) εκφράζεται ως λύση μορφής γινομένου. Με βάση τη λύση αυτή, αναπτύσσεται ένας συνελικτικός αλγόριθμος ο οποίος επιτρέπει τον ακριβή υπολογισμό διαφόρων μετρικών εκτίμησης του συστήματος, κυρίως των πιθανοτήτων απώλειας κλήσης και συμφόρησης στον χρόνο, αλλά και την αξιοποίηση της χωρητικότητας του συστήματος. Τα αναλυτικά αποτελέσματα των συνελικτικών αλγορίθμων επικυρώθηκαν με τα αποτελέσματα προσομοίωσης μέσω παραδειγμάτων.