Resource allocation and incentive mechanism design in next generation wireless communication and mobile computing networks
Authors: Διαμαντή Μαρία 
Published: November 2023

Υπό το πρίσμα του ευρύτερου οράματος για ψηφιοποίηση και μετασχηματισμό των κάθετων βιομηχανιών (π.χ. έξυπνες πόλεις, έξυπνο σύστημα υγείας, έξυπνα εργοστάσια), σημειώνεται μια άνευ προηγουμένου αύξηση των εφαρμογών με εντατικές απαιτήσεις ως προς τον όγκο των δεδομένων που διαχειρίζονται και την αναγκαία υπολογιστική ισχύ για την επεξεργασία αυτών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την επιβολή αυστηρών απαιτήσεων που αφορούν το ασύρματο δίκτυο επικοινωνιών και υπολογισμών. Ως μέσο επέκτασης της συνδεσιμότητας, αύξησης της φασματικής και ενεργειακής απόδοσης και μείωσης του λανθάνοντος χρόνου, μια πληθώρα τεχνολογιών και αρχιτεκτονικών παραδειγμάτων αναδεικνύονται ως βασικά μέσα ενεργοποίησης και ενδυνάμωσης των ασύρματων δικτύων 5G επόμενης γενιάς. Σε αυτό το πλαίσιο, η απλοϊκή υιοθέτηση υφιστάμενων λύσεων σε παραδοσιακά προβλήματα κατανομής πόρων είναι αναποτελεσματική για την εξερεύνηση και την εκμετάλλευση των δυνατοτήτων του δικτύου. Αντίθετα, αρκετοί βαθμοί ελευθερίας πρέπει να καθορίζονται ταυτόχρονα σχετικά με τη φύση και το είδος των πόρων που κατανέμονται στο δίκτυο, λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψιν τον πολύπλευρο ανταγωνισμό μεταξύ των διαφορετικών ενδιαφερόμενων μερών (π.χ. συνδρομητές, πάροχοι). Σε αυτή τη διατριβή, αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα της αποτελεσματικής κατανομής πόρων σε ετερογενή και πολυεπίπεδα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών και κινητών υπολογισμών με έναν ολιστικό, αλλά κατανεμημένο, τρόπο. Προς την κατεύθυνση των αυτο-οργανωμένων δικτύων, όπου κάθε δικτυακή οντότητα λαμβάνει αυτόνομες αποφάσεις σχετικά με τη χρήση και την κατανομή των πόρων της, αναπτύσσουμε νέα πλαίσια τα οποία αντικατοπτρίζουν τις αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των συμπεριφορών, των αλληλεπιδράσεων και των αποφάσεων των διαφορετικών διακτυακών οντοτήτων, λαμβάνοντας υπόψιν τους διαφορετικούς ή/και αντικρουόμενους στόχους τους, καθώς και την ύπαρξη ελλιπούς πληροφόρησης μεταξύ τους. Προκειμένου να προσδοθεί μια τέτοια ρεαλιστική χρειά στη μοντελοποίηση των προβλημάτων κατανομής πόρων, καταφεύγουμε στη Θεωρία Παιγνίων (Game Theory) και στη Θεωρία Συμβολαίων (Contract Theory), οι οποίες με τη σειρά τους οδηγούν σε μεθοδολογίες και αλγόριθμους χαμηλής πολυπλοκότητας για την επίλυση των αντίστοιχων προβλημάτων.Αρχικά, μελετώνται προβλήματα κατανομής πόρων πολλαπλών μεταβλητών σε ετερογενή και πολυεπίπεδα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών. Με στόχο την αντιμετώπιση του προβλήματος της ελλιπούς/μερικής πληροφόρησης των σταθμών βάσης σχετικά με την κατάσταση καναλιού (Channel State Information - CSI), καθώς και της αντίφασης μεταξύ των χρηστών και των σταθμών βάσης σχετικά με το επίπεδο ισχύος μετάδοσης στη ζεύξη ανόδου, εισάγεται μια συνεργατική προσέγγιση μεταξύ των δύο αυτών μερών, η οποία βασίζεται στις αρχές της Θεωρίας Συμβολαίων. Οι σταθμοί βάσης σχεδιάζουν ένα σύνολο συμβολαίων που αποτελούνται από ενδεικτικά επίπεδα ισχύος για τη ζεύξη ανόδου μαζί με μια αντίστοιχη ανταμοιβή προς τους χρήστες, κάνοντας χρήση της στατιστικής τους γνώσης σχετικά με την κατάσταση του καναλιού των χρηστών. Τα επίπεδα ισχύος των συμβολαίων επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπουν την αποκωδικοποίηση των μεταδιδόμενων σημάτων των χρηστών από τους δέκτες των σταθμών βάσης, κάνοντας χρήση των τεχνικών μη ορθογωνικής πολλαπλής πρόσβασης (Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA) και διαδοχικής ακύρωσης παρεμβολών (Successive Interference Cancellation - SIC). Οι χρήστες επιλέγουν αυτόνομα ένα συμβόλαιο από το σύνολο των συμβολαίων, το οποίο ταιριάζει καλύτερα στις συνθήκες καναλιού τους. Επιπλέον των παραπάνω, αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος ενισχυτικής μάθησης (Reinforcement Learning - RL) προκειμένου κάθε χρήστης να προσδιορίζει αυτόνομα και κατανεμημένα την περισσότερο ωφέλιμη για αυτόν συσχέτισή του με έναν από τους διαθέσιμους σταθμούς βάσης. Πηγαίνοντας ένα βήμα παραπέρα όσον αφορά την υποκείμενη αρχιτεκτονική δικτύου και τις χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες, στοχεύουμε να συνυπολογίσουμε και να κατανείμουμε βέλτιστα τους πόρους στα τμήματα ασύρματης πρόσβασης (access network) και οπισθόζευξης (backhaul network) ενός δικτύου υποβούμενου από ένα μη επανδρωμένο εναέριο όχημα (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) και μια αναδιαμορφώσιμη έξυπνη επιφάνεια (Reconfigurable Intelligent Surface - RIS). Αξιοποιώντας τη δομική ιεραρχία του δικτύου, διαμορφώνεται ένα παίγνιο Stackelberg μεταξύ του σταθμού βάσης που φέρει το UAV και των χρηστών για την κατανεμημένη επίλυση του ακόλουθου συνδυαστικού προβλήματος κατανομής πόρων. Το UAV, ενεργώντας ως ηγέτης, καθορίζει τις μετατοπίσεις φάσης του RIS έτσι ώστε η ισχύς του σήματος του συνόλου των χρηστών στη ζεύξη ανόδου να μεγιστοποιείται. Επίσης, το UAV, σε δεύτερη φάση, υπολογίζει την από κοινού κατανομή εύρους ζώνης συχνοτήτων και ισχύος στη ζεύξη ανόδου του οπισθοζευκτικού δικτύου προς το δίκτυο κορμού (core network). Σε τρίτη φάση, οι χρήστες, ενεργώντας ως ακόλουθοι, βελτιστοποιούν την προσωπική τους ισχύ στη ζεύξη ανόδου του δικτύου πρόσβασης προς το UAV, επίσης με κατανεμημένο τρόπο. Η δεύτερη και τρίτη φάση επαναλαμβάνονται έως ότου βρεθεί το σημείο ισορροπίας του παιγνίου Stackelberg, στο οποίο επιτυγχάνεται η μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης του δικτύου πρόσβασης και οπισθόζευξης από άκρο σε άκρο. Σεβόμενοι την ανάγκη για από κοινού μηχανισμούς κατανομής πόρων σε ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών και δίκτυα κινητών υπολογισμών, εξετάζεται μια πολυεπίπεδη τοπολογία κινητών υπολογισμών και μελετάται το από κοινού πρόβλημα της εκφόρτωσης εργασιών υπολογισμού και κατανομής ισχύος μετάδοσης/εκφόρτωσης. Σε αντίθεση με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, όπου μοντελοποιούνται δίκτυα υπολογισμών ενός επιπέδου, δηλαδή αποτελούμενα είτε από ένα επίπεδο υπολογιστικής άκρης (edge), ομίχλης (fog) ή νέφους (cloud), επιδιώκεται ταυτόχρονα η χρήση ενός ευρέος φάσματος υπολογιστικών δυνατοτήτων και επιλογών. Δεδομένης της εγωιστικής συμπεριφοράς των χρηστών προς την εκφόρτωση στην άκρη του δικτύου λόγω της εγγύτητας του τελευταίου, σχεδιάζεται ένας μηχανισμός κινήτρων που βασίζεται στη Θεωρία Συμβολαίων για να παρακινήσει τους χρήστες να επιτρέψουν ένα ποσοστό των αρχικών εκφορτωμένων εργασιών τους στο επίπεδο της άκρης να προωθηθούν περαιτέρω και να επεξεργαστούν στο επίπεδο της ομίχλης. Έχοντας καθορίσει αυτό το ποσοστό, το τελικό ποσοστό εκφόρτωσης υπολογιστικών εργασιών των χρηστών στην άκρη του δικτύου, καθώς και το επίπεδο ισχύος στη ζεύξη ανόδου κατά την εκφόρτωση, υπολογίζονται με κατανεμημένο τρόπο, διαμορφώνοντας ένα μη συνεργατικό παίγνιο μεταξύ των χρηστών. Με τη χρήση πολλαπλών επιπέδων υπολογισμών, προκύπτει μια ενεργειακά αποδοτική λύση, ενώ επεκτείνεται η υπολογιστική ικανότητα του επιπέδου υπολογισμών άκρης.Τέλος, με στόχο την περαιτέρω μελέτη της κατανομής των εργασιών υπολογισμού οριζόντια, δηλαδή εντός του ίδιου επιπέδου υπολογισμών θεωρώντας πολλαπλούς διακομιστές, μοντελοποιείται ένα δίκτυο υπολογιστικών συστημάτων στην άκρη του δικτύου (Multi-access Edge Computing - MEC) πολλαπλών διακομιστών. Οι χρήστες αξιοποιούν τα διαφορετικά διαθέσιμα δίκτυα ραδιοπρόσβασης (Radio Access Networks - RAN) για να εκφορτώσουν τις υπολογιστικά απαιτητικές και χρονικά κρίσιμες εφαρμογές τους σε πολλαπλούς διακομιστές MEC ταυτόχρονα. Για την αντιμετώπιση του κρίσιμου προβλήματος διαχείρισης παρεμβολών υπό την προκύπτουσα τοπολογία δικτύου πολλαπλών διακομιστών πολλαπλών χρηστών, καθώς και υποκινούμενοι από τις εξελίξεις στις τεχνικές μη ορθογωνικής πολλαπλής πρόσβασης, εξετάζεται η εφαρμογή της τεχνικής πολλαπλής πρόσβασης διαίρεσης ρυθμού (Rate-Splitting Multiple Access - RSMA). Υπό αυτό το πλαίσιο, επιδιώκεται η ελαχιστοποίηση του αθροίσματος της μέγιστης μετρούμενης καθυστέρησης από την πλευρά των χρηστών μεταξύ των διαφορετικών διακομιστών MEC μέσω της από κοινού βελτιστοποίησης των ποσοστών εκφόρτωσης υπολογιστικών εργασιών, του ρυθμού και της ισχύος μετάδοσης/εκφόρτωσης στη ζεύξη ανόδου από τους χρήστες, καθώς και της κατανομής υπολογιστικών πόρων από τους διάφορους διακομιστές MEC προς τους χρήστες. Το παραπάνω από κοινού πρόβλημα βελτιστοποίησης επιλύεται αναλυτικά, χρησιμοποιώντας κλασσικές μεθόδους βελτιστοποίησης που βασίζονται στις συνθήκες Karush-Kuhn-Tucker (KKT). Η μελέτη και επίλυση του προβλήματος αυτού συμπληρώνει τον απώτερο σκοπό της παρούσας διατριβής να παράσχει μια ολιστική προσέγγιση και άποψη ως προς την κατανομή πόρων σε συγκλίνοντα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών και κινητών υπολογισμών. Τα εξεταζόμενα προβλήματα διαχείρισης πόρων αξιολογούνται αναλυτικά μέσω μοντελοποίησης και προσομοίωσης. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των προτεινόμενων πλαισίων κατανομής πόρων και η συμπεριφορά σύγκλισης των σχεδιαζόμενων αλγορίθμων εξετάζονται κάτω από διαφορετικά σενάρια και τιμές, ενώ παρέχονται συγκριτικά αποτελέσματα έναντι άλλων λύσεων από την υπάρχουσα πρόσφατη βιβλιογραφία για να καταδειχθεί η αποτελεσματικότητα και αποδοτικότητά τους.