Μηχανισμοί Βελτιστοποίησης Χρονοπρογραμματισμού Και Διαχείρισης Πόρων Για Διασφάλιση Ποιότητας Υπηρεσίας Σε Ασύρματα Δίκτυα

Abstract

Η γρήγορη ανάπτυξη των ασύρματων δικτύων, καθώς και οι υψηλές απαιτήσεις των συνεχώς αυξανόμενων χρηστών και τερματικών, έρχονται σε αντίθεση με την πεπερασμένη φύση των διαθέσιμων πόρων των δικτύων. Ταυτόχρονα, η διασφάλιση της ποιότητας των υπηρεσιών αποτελεί θέμα μείζονος σημασίας για τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, η σχεδίαση αποδοτικών μηχανισμών διαχείρισης πόρων για τη διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσιών αποτελεί μεγάλη πρόκληση στα δίκτυα αυτά. Γι’ αυτό το λόγο, ο σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμων μηχανισμών βελτιστοποίησης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων με κεντρικό γνώμονα τη διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας στους ασύρματους χρήστες. Η κύρια ερευνητική συνεισφορά της Διδακτορικής Διατριβής μπορεί να χωριστεί σε δυο βασικά μέρη. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος η Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην επίλυση του προβλήματος κατανάλωσης ενέργειας των ασύρματων τερματικών, μέσω της τεχνικής χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης. Η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας αποτελεί μια πολύ σημαντική απαίτηση για τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα, προκειμένου να επιτυγχάνεται υψηλή αυτονομία μπαταρίας στα τερματικά. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνονται καινοτόμοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού μετάδοσης δεδομένων, οι οποίοι παράλληλα διασφαλίζουν συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας. Αναλυτικότερα, παρόλο που τα χρονομεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά των ασύρματων καναλιών αντιμετωπίζονται συνήθως ως πηγή αναξιοπιστίας, οι προτεινόμενοι μηχανισμοί εκμεταλλεύονται οπορτουνιστικά αυτές τις μεταβλητές συνθήκες προγραμματίζοντας την ασύρματη επικοινωνία όταν οι συνθήκες του καναλιού είναι ευνοϊκές, με στόχο την αποδοτικότερη χρησιμοποίηση της μπαταρίας. Πιο συγκεκριμένα, προτείνονται δυο κατανεμημένοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού, οι οποίοι χρησιμοποιούν τη θεωρία βέλτιστης παύσης (optimal stopping theory), έτσι ώστε να βρεθεί η βέλτιστη χρονική στιγμή για μετάδοση δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες του καναλιού, λαμβάνοντας υπόψη συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας. Επιπρόσθετα, η τεχνική του οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού χρησιμοποιείται για τη σχεδίαση ενεργειακά αποδοτικών δορυφορικών ζεύξεων που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10GHz υπό συνθήκες βροχής και προτείνεται ένας κλιματικά εξαρτώμενος ενεργειακά αποδοτικός μηχανισμός. Το δεύτερο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής ασχολείται με τα προβλήματα διαχείρισης πόρων για διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας, εστιάζοντας στα γνωστικά ασύρματα δίκτυα, τα οποία στοχεύουν στην αποδοτική χρήση του πεπερασμένου και υποχρησιμοποιούμενου ραδιοφάσματος. Αναλυτικότερα, αρχικά μελετάται η έννοια της αποτελεσματικής χωρητικότητας (effective capacity). Η συγκεκριμένη έννοια αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο σχεδίασης αποδοτικών μηχανισμών που παρέχουν στατιστικές εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας, αφού συσχετίζει το ρυθμό εξυπηρέτησης του ασύρματου καναλιού με την απόδοση ποιότητας υπηρεσιών του δικτύου. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνονται καινοτόμοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων για διασφάλιση ποιότητας υπηρεσίας σε γνωστικά ασύρματα δίκτυα, μελετώντας δυο διαφορετικές προσεγγίσεις υλοποίησης των δικτύων αυτών. Αναλυτικότερα, θεωρείται ένα underlay γνωστικό σύστημα, όπου τα κανάλια διαλείψεων των χρηστών είναι ετεροσυσχετισμένα και προτείνεται ένας κατανεμημένος μηχανισμός ελέγχου ισχύος για τον (μη αδειοδοτημένο) δευτερεύοντα χρήστη. Ο μηχανισμός αυτός μεγιστοποιεί την αποτελεσματική χωρητικότητα του δευτερεύοντα χρήστη μέσω της θεωρίας κυρτής βελτιστοποίησης, δεδομένων περιορισμών ισχύος και παρεμβολής. Επιπρόσθετα, προτείνεται ένας κατανεμημένος μηχανισμός επίλυσης του προβλήματος διαμοιρασμού φάσματος μεταξύ πολλαπλών δευτερευόντων χρηστών με διαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας, σε ένα interweave γνωστικό σύστημα. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται ως ένα μη συνεργατικό παίγνιο, σύμφωνα με το οποίο κάθε δευτερεύων χρήστης ανταγωνίζεται με τους υπόλοιπους, με στόχο τη βελτιστοποίηση της ατομικής του αποτελεσματικής χωρητικότητας, δεδομένου του από κοινού περιορισμού του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Για την επίλυση του συγκεκριμένου προβλήματος χρησιμοποιείται η θεωρία ανισοτήτων μεταβολών.