Radio resource management techniques for QoS provision in 5G networks

Abstract

As numerous mobile applications and over-the-top (OTT) services emerge and mobile Internet connectivity becomes ubiquitous, the provision of high quality of service (QoS) is more challenging for mobile network operators (MNOs). Research efforts focus on the development of innovative resource management techniques and have introduced the long term evolution advanced (LTE-A) communication standard. Novel business models make the growth of network capacity sustainable by enabling MNOs to combine their resources. The fifth generation (5G) mobile networks will involve technologies and business stakeholders with different capabilities and demands that may affect the QoS provision, requiring efficient radio resource sharing. The need for higher network capacity has introduced novel technologies that improve resource allocation efficiency. Direct connectivity among user equipment terminals (UEs) circumventing the LTE-A infrastructure alleviates the network overload. Part of mobile traffic is offloaded to outband device-to-device (D2D) connections (in unlicensed spectrum) enabling data exchange between UEs directly or via UEs-relays. Still, MNOs need additional spectrum resources and infrastructure. The inter-operator network sharing concept has emerged motivating the adoption of virtualization that enables network slicing, i.e., dynamic separation of resources in virtual slices (VSs). VSs are managed in isolation by different tenants using software defined networking and encompass core and radio access network resources allocated periodically to UEs. When UEs access OTT applications, flows with different QoS demands and priorities determined by OTT service providers (OSPs) are generated. OSPs’ policies should be considered in VS allocation. The coexisting technologies, business models and stakeholders require sophisticated radio resource management (RRM) techniques. To that end, RRM is performed in a complex ecosystem. When D2D communication involves data concurrently downloaded by the mobile network, QoS may be affected by LTE-A network parameters (resource scheduling policy, downlink channel conditions). It is also affected by the relay selection, as UEs may not be willing to help unknown UE pairs and UEs’ social ties in mobile applications may influence willingness for D2D cooperation. Thus, effective medium access control (MAC) mechanisms should coordinate D2D transmissions employing advanced techniques, e.g., network coding (NC). When UEs access OTT applications, OSPs’ policies are not considered by MNOs in RRM and OSPs cannot apply flow prioritization. Network neutrality issues also arise when OSPs claim resources from MNOs aiming to minimize grade of service (GoS). OSPs’ intervention may delay flows’ accommodation due to the time required for OSP-MNO interaction and the time the flows spent waiting for resources. This thesis proposes novel solutions to the RRM issues of outband D2D communication and VS allocation for OSPs in 5G networks. We present a cooperative D2D MAC protocol that leverages the opportunities for NC in D2D communication under the inf luence of LTE-A network parameters and its throughput performance analysis. The protocol improves D2D throughput and energy efficiency, especially for UEs with better downlink channel conditions. We next introduce social awareness in D2D MAC design and present a social-aware cooperative D2D MAC protocol that employs UEs’ social ties to promote the use of friendly relays reducing the total energy consumption. Motivated by the lack of approaches for OSP-oriented RRM, we present a novel flow prioritization algorithm based on matching theory that applies OSPs’ policies respecting the network neutrality and the analysis of its GoS and delay performance. The algorithm maintains low overhead and delay without affecting fairness among OSPs. Our techniques highlight the QoS improvement induced by the joint consideration of different technologies and business stakeholders in RRM design.

Καθώς εμφανίζονται πολυάριθμες εφαρμογές για κινητές συσκευές και υπηρεσίες over-the-top (OTT) και η συνδεσιμότητα μέσω κινητού Διαδικτύου γίνεται πανταχού παρούσα, η παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών (QoS) είναι πιο δύσκολη για τους φορείς εκμετάλλευσης δικτύων κινητής τηλεφωνίας (MNO). Οι ερευνητικές προσπάθειες επικεντρώνονται στην ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών διαχείρισης πόρων και έχουν εισαγάγει το μακροπρόθεσμο προηγμένο πρότυπο επικοινωνίας (LTE-A). Τα νέα επιχειρηματικά μοντέλα κάνουν την ανάπτυξη της χωρητικότητας του δικτύου βιώσιμη, επιτρέποντας στους MNO να συνδυάζουν τους πόρους τους. Τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας πέμπτης γενιάς (5G) θα περιλαμβάνουν τεχνολογίες και επιχειρηματικούς φορείς με διαφορετικές δυνατότητες και απαιτήσεις που ενδέχεται να επηρεάσουν την παροχή QoS, απαιτώντας αποτελεσματική κοινή χρήση ραδιοφωνικών πόρων. Η ανάγκη για μεγαλύτερη χωρητικότητα δικτύου έχει εισαγάγει νέες τεχνολογίες που βελτιώνουν την αποτελεσματικότητα της κατανομής των πόρων. Η άμεση συνδεσιμότητα μεταξύ τερματικών εξοπλισμού χρήστη (UEs) που παρακάμπτει την υποδομή LTE-A μειώνει την υπερφόρτωση του δικτύου. Μέρος της κίνησης κινητής τηλεφωνίας εκφορτώνεται σε συνδέσεις συσκευής προς συσκευή (D2D) εκτός ζώνης (σε φάσμα χωρίς άδεια), επιτρέποντας την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ UE απευθείας ή μέσω αναμεταδοτών UE. Ωστόσο, οι MNO χρειάζονται πρόσθετους πόρους και υποδομές φάσματος. Η έννοια της κοινής χρήσης δικτύου μεταξύ χειριστών έχει προκύψει παρακινώντας την υιοθέτηση της εικονικοποίησης που επιτρέπει τον τεμαχισμό δικτύου, δηλαδή τον δυναμικό διαχωρισμό των πόρων σε εικονικά slices (VSs). Τα VS διαχειρίζονται μεμονωμένα από διαφορετικούς ενοικιαστές χρησιμοποιώντας δικτύωση που καθορίζεται από λογισμικό και περιλαμβάνουν πόρους δικτύου πυρήνα και ραδιοπρόσβασης που κατανέμονται περιοδικά σε UE. Όταν οι UE έχουν πρόσβαση σε εφαρμογές OTT, δημιουργούνται ροές με διαφορετικές απαιτήσεις QoS και προτεραιότητες που καθορίζονται από τους παρόχους υπηρεσιών OTT (OSP). Οι πολιτικές των OSP θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στην κατανομή VS. Οι συνυπάρχουσες τεχνολογίες, τα επιχειρηματικά μοντέλα και τα ενδιαφερόμενα μέρη απαιτούν εξελιγμένες τεχνικές διαχείρισης ραδιοφωνικών πόρων (RRM). Για το σκοπό αυτό, το RRM εκτελείται σε ένα περίπλοκο οικοσύστημα. Όταν η επικοινωνία D2D περιλαμβάνει δεδομένα που λαμβάνονται ταυτόχρονα από το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας, το QoS μπορεί να επηρεαστεί από παραμέτρους δικτύου LTE-A (πολιτική προγραμματισμού πόρων, συνθήκες καναλιού κατερχόμενης ζεύξης). Επηρεάζεται επίσης από την επιλογή αναμετάδοσης, καθώς οι UE μπορεί να μην είναι πρόθυμοι να βοηθήσουν άγνωστα ζεύγη UE και οι κοινωνικοί δεσμοί των UE σε εφαρμογές για κινητά μπορεί να επηρεάσουν την προθυμία για συνεργασία D2D. Έτσι, αποτελεσματικοί μηχανισμοί ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC) θα πρέπει να συντονίζουν τις εκπομπές D2D χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές, π.χ. κωδικοποίηση δικτύου (NC). Όταν οι UE έχουν πρόσβαση σε εφαρμογές OTT, οι πολιτικές των OSP δεν λαμβάνονται υπόψη από τους MNO στο RRM και οι OSP δεν μπορούν να εφαρμόσουν ιεράρχηση ροής. Ζητήματα ουδετερότητας δικτύου προκύπτουν επίσης όταν οι OSP διεκδικούν πόρους από MNO με στόχο την ελαχιστοποίηση του βαθμού υπηρεσίας (GoS). Η παρέμβαση των OSP μπορεί να καθυστερήσει την προσαρμογή των ροών λόγω του χρόνου που απαιτείται για την αλληλεπίδραση OSP-MNO και του χρόνου που δαπανήθηκαν οι ροές αναμένοντας πόρους. Αυτή η διατριβή προτείνει νέες λύσεις στα ζητήματα RRM της εξωζωνικής επικοινωνίας D2D και της κατανομής VS για OSP σε δίκτυα 5G. Παρουσιάζουμε ένα συνεργατικό πρωτόκολλο D2D MAC που αξιοποιεί τις ευκαιρίες για NC στην επικοινωνία D2D υπό την επίδραση των παραμέτρων δικτύου LTE-A και την ανάλυση απόδοσης απόδοσης. Το πρωτόκολλο βελτιώνει την απόδοση D2D και την ενεργειακή απόδοση, ειδικά για UE με καλύτερες συνθήκες καναλιού κατερχόμενης ζεύξης. Στη συνέχεια εισάγουμε τη γνώση των συνδέσμων των κοινωνικών δικτύων στο σχεδιασμό D2D MAC και παρουσιάζουμε ένα κοινωνικό συνεταιριστικό πρωτόκολλο D2D MAC που χρησιμοποιεί τους κοινωνικούς δεσμούς των UE για την προώθηση της χρήσης φιλικών αναμεταδοτών που μειώνουν τη συνολική κατανάλωση ενέργειας. Με κίνητρο την έλλειψη προσεγγίσεων για RRM προσανατολισμένο στο OSP, παρουσιάζουμε έναν νέο αλγόριθμο ιεράρχησης ροής δικτύου που βασίζεται στη θεωρία αντιστοίχισης και εφαρμόζει τις πολιτικές των OSP σεβόμενος την ουδετερότητα του δικτύου και την ανάλυση της απόδοσης GoS και καθυστέρησης. Ο αλγόριθμος διατηρεί χαμηλό κόστος και καθυστέρηση χωρίς να επηρεάζει τη δικαιοσύνη μεταξύ των OSP. Οι τεχνικές μας οδηγούν στη βελτίωση QoS που οφείλεται στην κοινή εξέταση διαφορετικών τεχνολογιών και επιχειρηματικών μερών στο σχεδιασμό RRM.