Μηχανισμοί βελτιστοποίησης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων για διασφάλιση ποιότητας υπηρεσίας σε ασύρματα δίκτυα
Authors: Πουλάκης Μάριος 
Published: September 2021

O σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμωνμηχανισμών βελτιστοποίησης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων με κεντρικό γνώμονα τηδιασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας στους ασύρματους χρήστες. Η κύρια ερευνητική συνεισφορά τηςΔιδακτορικής Διατριβής μπορεί να χωριστεί σε δυο βασικά μέρη.Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος η Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην επίλυση τουπροβλήματος κατανάλωσης ενέργειας των ασύρματων τερματικών, μέσω της τεχνικήςχρονοπρογραμματισμού μετάδοσης. Η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας αποτελεί μια πολύσημαντική απαίτηση για τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα, προκειμένου να επιτυγχάνεται υψηλήαυτονομία μπαταρίας στα τερματικά. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνονταικαινοτόμοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού μετάδοσηςδεδομένων, οι οποίοι παράλληλα διασφαλίζουν συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας.Αναλυτικότερα, παρόλο που τα χρονομεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά των ασύρματων καναλιώναντιμετωπίζονται συνήθως ως πηγή αναξιοπιστίας, οι προτεινόμενοι μηχανισμοί εκμεταλλεύονταιοπορτουνιστικά αυτές τις μεταβλητές συνθήκες προγραμματίζοντας την ασύρματη επικοινωνία όταν οισυνθήκες του καναλιού είναι ευνοϊκές, με στόχο την αποδοτικότερη χρησιμοποίηση της μπαταρίας. Πιοσυγκεκριμένα, προτείνονται δυο κατανεμημένοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικούχρονοπρογραμματισμού, οι οποίοι χρησιμοποιούν τη θεωρία βέλτιστης παύσης (optimal stoppingtheory), έτσι ώστε να βρεθεί η βέλτιστη χρονική στιγμή για μετάδοση δεδομένων ανάλογα με τιςσυνθήκες του καναλιού, λαμβάνοντας υπόψη συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας.Επιπρόσθετα, η τεχνική του οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού χρησιμοποιείται για τη σχεδίασηενεργειακά αποδοτικών δορυφορικών ζεύξεων που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10GHz υπόσυνθήκες βροχής και προτείνεται ένας κλιματικά εξαρτώμενος ενεργειακά αποδοτικός μηχανισμός.Το δεύτερο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής ασχολείται με τα προβλήματα διαχείρισης πόρων O σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμωνμηχανισμών βελτιστοποίησης χρονοπρογραμματισμού και διαχείρισης πόρων με κεντρικό γνώμονα τηδιασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας στους ασύρματους χρήστες. Η κύρια ερευνητική συνεισφορά τηςΔιδακτορικής Διατριβής μπορεί να χωριστεί σε δυο βασικά μέρη.Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο μέρος η Διδακτορική Διατριβή εστιάζει στην επίλυση τουπροβλήματος κατανάλωσης ενέργειας των ασύρματων τερματικών, μέσω της τεχνικήςχρονοπρογραμματισμού μετάδοσης. Η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας αποτελεί μια πολύσημαντική απαίτηση για τα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα, προκειμένου να επιτυγχάνεται υψηλήαυτονομία μπαταρίας στα τερματικά. Στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής προτείνονταικαινοτόμοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού μετάδοσηςδεδομένων, οι οποίοι παράλληλα διασφαλίζουν συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας.Αναλυτικότερα, παρόλο που τα χρονομεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά των ασύρματων καναλιώναντιμετωπίζονται συνήθως ως πηγή αναξιοπιστίας, οι προτεινόμενοι μηχανισμοί εκμεταλλεύονταιοπορτουνιστικά αυτές τις μεταβλητές συνθήκες προγραμματίζοντας την ασύρματη επικοινωνία όταν οισυνθήκες του καναλιού είναι ευνοϊκές, με στόχο την αποδοτικότερη χρησιμοποίηση της μπαταρίας. Πιοσυγκεκριμένα, προτείνονται δυο κατανεμημένοι, ενεργειακά αποδοτικοί μηχανισμοί οπορτουνιστικούχρονοπρογραμματισμού, οι οποίοι χρησιμοποιούν τη θεωρία βέλτιστης παύσης (optimal stoppingtheory), έτσι ώστε να βρεθεί η βέλτιστη χρονική στιγμή για μετάδοση δεδομένων ανάλογα με τιςσυνθήκες του καναλιού, λαμβάνοντας υπόψη συγκεκριμένες απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας.Επιπρόσθετα, η τεχνική του οπορτουνιστικού χρονοπρογραμματισμού χρησιμοποιείται για τη σχεδίασηενεργειακά αποδοτικών δορυφορικών ζεύξεων που λειτουργούν σε συχνότητες άνω των 10GHz υπόσυνθήκες 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 οποίαστοχεύουν στην αποδοτική χρήση του πεπερασμένου και υποχρησιμοποιούμενου ραδιοφάσματος.Αναλυτικότερα, αρχικά μελετάται η έννοια της αποτελεσματικής χωρητικότητας (effective capacity). Ησυγκεκριμένη έννοια αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο σχεδίασης αποδοτικών μηχανισμών που παρέχουνστατιστικές εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας, αφού συσχετίζει το ρυθμό εξυπηρέτησης του ασύρματουκαναλιού με την απόδοση ποιότητας υπηρεσιών του δικτύου. Στο πλαίσιο της παρούσας ΔιδακτορικήςΔιατριβής προτείνονται καινοτόμοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων για διασφάλιση ποιότητας υπηρεσίαςσε γνωστικά ασύρματα δίκτυα, μελετώντας δυο διαφορετικές προσεγγίσεις υλοποίησης των δικτύωναυτών. Αναλυτικότερα, θεωρείται ένα underlay γνωστικό σύστημα, όπου τα κανάλια διαλείψεων τωνχρηστών είναι ετεροσυσχετισμένα και προτείνεται ένας κατανεμημένος μηχανισμός ελέγχου ισχύος γιατον (μη αδειοδοτημένο) δευτερεύοντα χρήστη. Ο μηχανισμός αυτός μεγιστοποιεί την αποτελεσματικήχωρητικότητα του δευτερεύοντα χρήστη μέσω της θεωρίας κυρτής βελτιστοποίησης, δεδομένωνπεριορισμών ισχύος και παρεμβολής. Επιπρόσθετα, προτείνεται ένας κατανεμημένος μηχανισμόςεπίλυσης του προβλήματος διαμοιρασμού φάσματος μεταξύ πολλαπλών δευτερευόντων χρηστών μεδιαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας, σε ένα interweave γνωστικό σύστημα. Το πρόβλημααυτό αντιμετωπίζεται ως ένα μη συνεργατικό παίγνιο, σύμφωνα με το οποίο κάθε δευτερεύων χρήστηςανταγωνίζεται με τους υπόλοιπους, με στόχο τη βελτιστοποίηση της ατομικής του αποτελεσματικήςχωρητικότητας, δεδομένου του από κοινού περιορισμού του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Για την επίλυσητου συγκεκριμένου προβλήματος χρησιμοποιείται η θεωρία ανισοτήτων μεταβολών.