Incentives - based power control in wireless networks of autonomous entities with various degrees of cooperation
Authors: Δούρος Ευάγγελος 
Published: August 2021

Τα ασύρματα δίκτυα αναπτύσσονται με ραγδαίους ρυθμούς τα τελευταία χρόνια: Οι ασύρματες επικοινωνίες είναι διαθέσιμες οπουδήποτε και οποτεδήποτε, παρέχοντας διάφορα επίπεδα ποιότητας υπηρεσίας στους χρήστες. Ολοένα και περισσότερες έξυπνες κινητές συσκευές καθώς και μικροί φορητοί υπολογιστές διεισδύουν στην αγορά, πραγματοποιώντας το όνειρο του απανταχού υπολογίζειν. Αναγκαία συνθήκη για να συνεχιστεί αυτή η τάση καθώς οδεύουμε προς την εποχή των δικτύων 5ης γενιάς (και πέραν αυτών) είναι η μετεξέλιξη των ασυρμάτων τηλεπικοινωνιακών προτύπων. Πιο συγκεκριμένα, τα κυψελωτά δίκτυα πολλαπλών επιπέδων που περιλαμβάνουν τόσο τις παραδοσιακές κυψέλες όσο και μικροκυψέλες, δίκτυα επικοινωνιών συσκευής προς συσκευή κλπ. αναμένεται να έχουν δεσπόζουσα θέση τα προσεχή χρόνια. Τα ετερογενή αυτά δίκτυα αποτελούνται από αυτόνομες οντότητες οι οποίες ελέγχουν και αποφασίζουν μόνες τους για τις παραμέτρους λειτουργίας τους (για παράδειγμα, σε ποιο κομμάτι του φάσματος και με ποια ισχύ θα εκπέμψουν), αντί να εξαρτώνται από τις αποφάσεις κάποιας κεντρικής οντότητας. Το γεγονός αυτό συνεπάγεται ότι οι επιλογές μιας ασύρματης συσκευής έχουν άμεσο αντίκτυπο τόσο στις επιδόσεις κάποιων (τουλάχιστον) συσκευών (που χρησιμοποιούν το ίδιο κομμάτι του φάσματος) όσο και στη συνολική απόδοση του δικτύου.Με αφετηρία τις άνω συνθήκες, ο θεμελιώδης στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η σχεδίαση αποδοτικών κατανεμημένων σχημάτων διαχείρισης ραδιοπόρων με στόχο την αρμονική συνύπαρξη των συσκευών που συνυπάρχουν σε αυτά τα αναδυόμενα πρότυπα ασυρμάτων δικτύων. Εφαρμόζουμε δύο κλασσικές τεχνικές διαχείρισης ραδιοπόρων: Τη ρύθμιση ισχύος εκπομπής (power control), δηλαδή με ποια ισχύ πρέπει να μεταδώσει η συσκευή και την πρόσβαση στο κανάλι (channel access), δηλαδή πότε να μεταδώσει. Μελετούμε μια σειρά από πρακτικά σενάρια που περιλαμβάνουν (α) την αρμονική συνύπαρξη συσκευών που συνδέονται με παραδοσιακά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας και συσκευών που συνδέονται με μικροκυψέλες, με τα δύο αυτά είδη συσκευών να έχουν διαφορετικούς δικτυακούς στόχους, (β) το πρόβλημα του ανταγωνισμού για πρόσβαση στο κανάλι σε δίκτυα επικοινωνιών συσκευής προς συσκευή, όπου οι αυτόνομες ασύρματες συσκευές επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους, χωρίς τη μεσολάβηση του σταθμού βάσης ή κάποιου ασυρμάτου σημείου πρόσβασης και (γ) σενάρια από κοινού χρήσης του αδειοδοτημένου φάσματος, στα οποία οι πάροχοι κινητής τηλεφωνίας δεν έχουν την αποκλειστική χρήση σε τμήματα φάσματος και εφαρμόζουν ρύθμιση ισχύος εκπομπής με τεχνικές διαπραγμάτευσης για να βελτιώσουν τα έσοδά τους.Αναλύουμε τις παραπάνω καταστάσεις υπό το πρίσμα της θεωρίας παιγνίων, η οποία είναι μια κλασσική και πετυχημένη επιλογή για τη μοντελοποίηση σεναρίων όπου οι οντότητες έχουν αντικρουόμενα συμφέροντα και οι στρατηγικές της μιας έχουν άμεσο αντίκτυπο στις επιδόσεις της άλλης. Χρησιμοποιούμε τη μη-συνεργατική θεωρία παιγνίων με τους παίκτες να είναι οι ασύρματες συσκευές και εστιάζουμε στην εύρεση σημείων ισορροπίας κατά Nash, μια από τις κεντρικότερες έννοιες στη θεωρία παιγνίων. Εξετάζουμε την ύπαρξη και τη μοναδικότητα τέτοιων σημείων ισορροπίας και προτείνουμε μια σειρά από κατανεμημένα σχήματα που συγκλίνουν σε κάποιο από αυτά. Επιπλέον, αποτιμούμε τις επιδόσεις των σχημάτων μέσω θεωρητικής ανάλυσης και εκτενών προσομοιώσεων. Σε περιπτώσεις που οι ισορροπίες είναι υποβέλτιστες, υπό την έννοια ότι οι ασύρματες συσκευές δεν είναι ευχαριστημένες με τις επιδόσεις τους, εισαγάγουμε τεχνικές διαπραγμάτευσης με στόχο τη δημιουργία κινήτρων στις συσκευές για να αλλάξουν περαιτέρω τις παραμέτρους μετάδοσής τους. Εκμεταλλευόμενοι αυτές τις τεχνικές, προτείνουμε κατανεμημένα σχήματα και αποδεικνύουμε ότι οδηγούν σε καλύτερα σημεία λειτουργίας από τις ισορροπίες κατά Nash χωρίς αυτά.