Cross layer schemes for QoS provisioning in mobile communication networks
Authors: Soliman Saied 
Published: August 2021

Στην επομένη γενεά ασύρματων και κινητών επικοινωνιών αναμένεται η παροχή πολυμεσικών υπηρεσιών και εφαρμογών υποστηρίζοντας διαφορετικά επίπεδα ποιότητας. Η κινητικότητα των χρηστών (user mobility) συνδυαζόμενη με το φαινόμενο διαλείψεων πολλαπλών διαδρομών (multipath fading) που παρατηρούνται στα ασύρματα κανάλια επικοινωνίας καθιστά την επίτευξη του απαραίτητου επιπέδου ποιότητας της παρεχομένης υπηρεσίας βασικό θέμα έρευνας. Μέχρι πρότινος διαφορετικά σχήματα έχουν προταθεί για την διαφοροποίηση και την επίτευξη του απαραίτητου επιπέδου ποιότητας της παρεχομένης υπηρεσίας. Στα συστήματα κινητών 3ης και επομένης γενεάς η ευρυζωνική πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση κώδικα (Wideband code division multiple access WCDMA) αποτελεί την κυρία τεχνική προσπέλασης του μέσου μετάδοσης. Μεταξύ των βασικών ερευνητικών ερωτημάτων σε αυτά τα συστήματα αποτελεί η παροχή εγγυημένης ποιότητας υπηρεσίας συνδυαζόμενη με την αποδοτική αξιοποίηση των διαθέσιμων (ασύρματων) πόρων. Η ορθή διαχείριση των πόρων αυτών θεωρείται κρίσιμη για αυτού του είδους τα δίκτυα καθώς το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι περιορισμένο και πρέπει να διαμοιραστεί μεταξύ πολλαπλών χρηστών. Από την άλλη πλευρά η γενική αρχιτεκτονική των δικτύων βασίζεται στη στρωματοποίηση διαφορετικών επιπέδων τα οποία λειτουργούν ανεξάρτητα μεταξύ τους και η οποία θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν. Επιπλέον τα ασύρματα κανάλια υποφέρουν τόσο από παρεμβολές όσο και από αστάθειες. Επιπροσθέτως τα διαφορετικά στατιστικά χαρακτηριστικά μεταξύ των χρηστών είναι διαφορετικά. Η δυσκολία προσαρμογής σε όλες αυτές τις απαιτήσεις στην αρχιτεκτονική των συστημάτων που αξιοποιούν το WCDMA έχει ως αποτέλεσμα τη μη αποδοτική διαχείριση αξιοποίηση των διαθέσιμων (ασύρματων) πόρων. Στηριζόμενοι σε αυτό το γεγονός και στην επιθυμητή αποδοτική αλληλεπίδραση μεταξύ των διαφορετικών επιπέδων σε αυτή τη διδακτορική διατριβή επικεντρωνόμαστε στη δημιουργία και ανάπτυξη τεχνικών πολλαπλών επιπέδων (cross layer techniques) με στόχο την ορθολογικότερη διαχείριση των διαθέσιμων πόρων πραγματοποιώντας ταυτόχρονα βελτίωση της απόδοσης αξιοποιώντας δεδομένα και πληροφορίες από το φυσικό επίπεδο. Συνοψίζοντας, η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στα δίκτυα 3ης και επομένης γενεάς που αξιοποιούν την τεχνική προσπέλασης WCDMA αναπτύσσοντας τους κατάλληλους μηχανισμούς για την παροχή του επιθυμητού επιπέδου ποιότητας υπηρεσίας. Αρχικά προτείνεται μια πολυεπίπεδη αρχιτεκτονική για την αποδοτική χρονοδρομολόγηση (scheduling) των δεδομένων στα δίκτυα βασισμένα στην τεχνική WCDMA. Πιο συγκεκριμένα στο επίπεδο ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control Layer) πραγματοποιείται πρόβλεψη της μελλοντικής κατάστασης του ασύρματου καναλιού για κάθε χρήση κάνοντας χρήση των δεδομένων τους φυσικού επιπέδου. Το κριτήριο πρόβλεψης βασίζεται στις μετρήσεις του λόγο σήματος προς παρεμβολή (signal to interference) για κάθε χρήστη εφαρμόζοντας μιας πεπερασμένης κατάστασης αλυσίδα Markov για τον προσδιορισμό πρόβλεψη της μελλοντικής κατάστασης του ασύρματου καναλιού. Αξιοποιώντας την πρόβλεψη αυτή προσδιορίζεται ποιοι χρήστες πρέπει να εξυπηρετηθούν από το χρονοδρομολογητή στην επόμενη χρονική στιγμή. Η κύρια ιδέα αυτού του σχήματος είναι η παροχή προτεραιότητας στους χρήστες όχι μόνο με βάση την καθυστέρηση αλλά λαμβάνοντας υπόψη και την μελλοντική κατάσταση του καναλιού όπως προσδιορίζεται από τον προτεινόμενο μηχανισμό. Στη συνέχεια προτείνεται ένα νέο σχήμα διαχείρισης των ασύρματων πόρων συνδυάζοντας ένα κατάλληλο μηχανισμό ελέγχου αποδοχής κλήσεων (call admission control) με τον κατάλληλο αλγόριθμο χρονοδρομολόγησης. Τα δύο αυτά σχήματα σχεδιάστηκαν και λειτουργούν ως συμπληρωματικά στοιχεία των συστημάτων βασισμένα στο WCDMA για την υποστήριξη του κατάλληλου επιπέδου ποιότητας υπηρεσίας κατά τη διάρκεια μεταπομπής (handover) από μία κυψέλη σε μια άλλη. Ο μηχανισμός ελέγχου αποδοχής κλήσεων βασίζεται σε ένα σχήμα ελεγκτή κωδίκων (guard code scheme). Ο ελεγκτής αυτός δεσμεύει ένα τμήμα του διαθέσιμου εύρους για την διασφάλιση της συνέχισης της διαδικασίας μεταπομπής κατά τη διάρκεια νέων κλήσεων. Παρολαυτά έχει παρατηρηθεί ότι οι κλήσεις που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της μεταπομπής παρουσιάζουν μεγάλη καθυστέρηση καθώς πλήθος των δεδομένων δρομολογούνται μέσω της σταθερής διακτυακής υποδομής του παρόχου προς την κυψέλη η οποία θα λάβει την κλήση. Για το λόγο αυτό αναπτύσσεται ένας επιπρόσθετος χρονοδρομολογητής (ενήμερος της καθυστέρησης που θα εισαχθεί στην κλήση) με στόχο την παροχή προτεραιότητας στις κλήσεις που λαμβάνουν αυξημένη καθυστέρηση. Επιπλέον ο μηχανισμός αυτός λαμβάνει επιπρόσθετες πληροφορίες από το φυσικό επίπεδο για την αποφυγή λανθασμένων πακέτων και την αύξηση της αποδοτικότητας του συστήματος. Τέλος, εισάγεται ένα νέο βελτιωμένο σχήμα αναφοράς σχετικά με την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το κανάλι επικοινωνίας το οποίο έχει ως στόχο να μειώσει την επιπρόσθετη επιβάρυνση δεδομένων στα μηνύματα σηματοδοσίας σε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων. Το κύριο όφελος του σχήματος αυτού είναι η μείωση των παρεμβολών στην ανοδική ζεύξη (up link) έχοντας ως άμεσο αποτέλεσμα την βελτίωση της ποιότητας στην ανοδική ζεύξη.