Resource allocation and service management in next generation 5G wireless networks
Authors: Βαμβακάς Παναγιώτης 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύτεται το πρόβλημα της βέλτιστης κατανομής πόρων και την πολύπλευρη διαχείριση υπηρεσιών σε ασύρματα δίκτυα 5ης γενιάς (5G). Βασικό αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η βελτιστοποίηση της ποιότητας υπηρεσίας (Quality of Service) εντός του δικτύου τόσο στα πλαίσια της αύξησης της ενεργειακής αποδοτικότητας του δικτύου συνολικά, αλλά και λαμβάνοντας υπόψη την ετερογένεια μεταξύ των χρηστών ως προς τις απαιτήσεις της εκπομπής τους. Ειδικά σχεδιασμένες συναρτήσεις χρησιμότητας (utility functions) επιτρέπουν στους χρήστες να ποσοτικοποιούν διάφορες παραμέτρους της επικοινωνίας ζεύξης ανόδου (uplink communication) αντικατοπτρίζοντας την ικανοποίηση τους από την κατανομή των εκάστοτε πόρων (π.χ. ισχύς εκπομπής, ρυθμός μετάδοσης, κοστολόγηση κλπ.). Συγκεκριμένα, τα προβλήματα κατανομής πόρων μελετώνται υπό διαφορετικές τεχνολογίες αιχμής, τεχνικές πρόσβασης, αρχιτεκτονικές δικτύου και διακριτά είδη υπηρεσιών, υπό συνθήκες ανταγωνισμού των χρηστών ή σε αντίξοα περιβάλλοντα επικοινωνίας. Τα εκάστοτε προβλήματα μοντελοποιούνται ως μη συνεργατικά παίγνια τα οποία επιλύθηκαν με βάση τις αρχές της Θεωρίας Παιγνίων και Βελτιστοποίησης, παρέχοντας στους χρήστες τον βασικό έλεγχο της λήψης των αποφάσεων κατά την διάρκεια της εκπομπής τους. Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνεται η αποκέντρωση του συστήματος και η ισχυροποίηση του ρόλου των χρηστών στην διαδικασία της κατανομής πόρων και της βελτιστοποίηση της λειτουργίας του ασύρματου δικτύου. Σε κάθε περίπτωση, επιβεβαιώνεται η ύπαρξη του σημείου ισορροπίας κατά Nash (Nash Equilibrium) το οποίο αντιπροσωπεύει μια σταθερή έκβαση της κατανομής από την οποία κανένας χρήστης δεν επιθυμεί να παρεκλίνει. Παράλληλα, κατανεμημένοι αλγόριθμοι χαμηλής πολυπλοκότητας αναλαμβάνουν την σύγκλιση των παιγνίων στα ανωτέρω σημεία ισορροπίας. Πιο αναλυτικά, αρχικά ερευνήθηκε η κατανομή πόρων σε πολυεπίπεδα δίκτυα με χρήση μάκρο και φεμτοκυψελών (macro and femtocells) με τα προβλήματα να επεκτείνονται σε πιο ευρείες και σύνθετες κατανομές της ισχύος εκπομπής και του ρυθμού μετάδοσης για διαφορετικά είδη υπηρεσιών. Επίσης μελετήθηκε το πρόβλημα της κατανομής ισχύος και οπτικών σημείων πρόσβασης για επικοινωνίες ορατού φωτός (Visible Light Communications) για διαφορετικές τεχνικές πρόσβασης. Εν συνεχεία, αναλύθηκε το πρόβλημα της εξατομικευμένης κοστολόγησης της εκπομπής των χρηστών. Βασική καινοτομία της εν λόγω προσέγγισης, αποτελεί η παραδοχή ότι η εκάστοτε τιμή συνιστά έναν ακόμη πεπερασμένο πόρο προς κατανομή, σε αντίθεση με την βιβλιογραφία στην οποία αντιμετωπίζεται ως μια εξωτερική ποινή που επιβάλλεται από τον διαχειριστή ώστε να μειωθούν οι παρεμβολές εντός του δικτύου. Το πρόβλημα μελετάται για διαφορετικούς συνδυασμούς πόρων (ισχύος εκπομπής ή / και ρυθμού μετάδοσης) για ποικίλα σενάρια κοστολόγησης. Συνακόλουθα, το πρόβλημα εξετάστηκε υπό συνθήκες ανταγωνισμού των παρόχων υπηρεσίας, οι οποίοι προσαρμόζοντας τις πολιτικές και τα επίπεδα των τιμών, επιδιώκουν την απόκτηση μεγαλύτερων μεριδίων αγοράς. Οι χρήστες μοντελοποιούνται και λαμβάνουν αποφάσεις ως μανθάνοντα αυτόματα (learning automata) υπό τις αρχές της Νοημοσύνης των Μηχανών (Machine Learning), αυτοματοποιώντας έτσι την βέλτιστη επιλογή του παρόχου. Η παρούσα διατριβή επίσης διερευνά τα προβλήματα της δυναμικής σύνθεσης υπηρεσιών (service bundling) και κατανομής πόρων μέσω του σχεδιασμού συνεργατικών τηλεπικοινωνιακών προϊόντων, τα οποία καθορίζονται αυτόνομα από τους χρήστες. Παράλληλα, μελετήθηκε η βέλτιστη ασύρματη φόρτιση της μπαταρίας των χρηστών με κριτήριο τις ενεργειακές ανάγκες των χρηστών από την επικείμενη εκπομπή τους. Ολοκληρώνοντας, στην διδακτορική αυτή διατριβή, το πρόβλημα της κατανομής πόρων αντιμετωπίζεται συνολικά μέσω μίας καινοτόμου και ρεαλιστικής προσέγγισης υιοθετώντας την χρήση της Θεωρίας Προοπτικής (Prospect Theory), η οποία ανατρέπει την έως τώρα επιλογή της Θεωρίας Αναμενόμενης Χρησιμότητας (Expected Utility Theory) σε θέματα κατανομής πόρων. Για πρώτη φορά στην σχετική βιβλιογραφία, τα προβλήματα διατυπώνονται ενσωματώνοντας την υποκειμενικότητα των χρηστών στην λήψη αποφάσεων όταν επικρατούν συνθήκες αβεβαιότητας, ενώ ταυτόχρονα για πρώτη φορά εισάγεται η συνθήκη της πιθανής κατάρρευσης του εύρους ζώνης λόγω της υπέρμετρης χρήσης του εντός του δικτύου. Το ανωτέρω πλαίσιο υλοποιείται για διαφορετικά σενάρια (συνδυασμός αδειοδοτημένου και μη εύρους ζώνης, ταυτόχρονη εκπομπή μέσω πολλαπλών τεχνικών πρόσβασης), ενώ επιπλέον αναλύεται η κατανομή πόρων και η ασφάλεια (network security) σε δίκτυα δημόσιας ασφάλειας (Public Safety Networks) με αξιοποίηση μη επανδρωμένων αεροσκαφών (Unmanned Aerial Vehicles).