Δυναμική διαχείριση πόρων οπισθοζευκτικού δικτύου σε δίκτυα κινητών επικοινωνιών νέας γενιάς
Authors: Λουμιώτης Ιωάννης 
Published: September 2021

Η ραγδαία αύξηση των απαιτήσεων των συνδρομητών κινητών επικοινωνιών έχει διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη των δικτύων νέας γενιάς προκειμένου οι πάροχοι να μπορούν να αντεπεξέλθουν στις απαιτήσεις αυτές. Ωστόσο, οι υψηλοί ρυθμοί που πρέπει να υποστηριχτούν στο ασύρματο δίκτυο πρόσβασης έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία σημείων συμφόρησης στο οπισθοζευκτικό δίκτυο, το οποίο παραδοσιακά είχε κατασκευαστεί με σκοπό την υποστήριξη υπηρεσιών φωνής. Προκειμένου να ξεπεραστεί το εμπόδιο αυτό, έχει προταθεί στη βιβλιογραφία η λύση της σύγκλισης των ασύρματων δικτύων πρόσβασης με ένα οπτικό δίκτυο στην οπισθόζευξη. Η υψηλή χωρητικότητα που δύναται να υποστηριχθεί από τα οπτικά δίκτυα μπορεί να ικανοποιήσει τις ανάγκες των σύγχρονων αλλά και των μελλοντικών δικτύων κινητών επικοινωνιών, καθιστώντας το μια ασφαλή επιλογή για τους παρόχους. Ωστόσο, στην περίπτωση αυτή εγείρεται μια σειρά από σημαντικά ζητήματα, τα οποία πρέπει να ληφθούν υπόψη για την αποδοτική κατανομή των πόρων στο δίκτυο. Συγκεκριμένα, οι παραδοσιακές μέθοδοι διαστασιολόγησης των δικτύων κινητών επικοινωνιών που βασίζονταν στην ικανοποίηση ενός δυσμενούς σεναρίου και οδηγούσαν σε μια στατική εκχώρηση των πόρων του δικτύου, δεν μπορούν πλέον να εφαρμοστούν σε μια συγκεκλιμένη ασύρματη-οπτική υποδομή, καθώς έχουν ως αποτέλεσμα την υπερδιαστασιολόγηση του δικτύου και τη μη αποδοτική διαχείριση των πόρων. Στη βάση αυτή, η παρούσα διατριβή μελετάει το πρόβλημα της δυναμικής εκχώρησης των πόρων του οπισθοζευκτικού δικτύου και προτείνει ένα κατανεμημένο σύστημα δυναμικής διαχείρισης των πόρων, ικανό να ανταπεξέλθει στις ανάγκες των δικτύων νέας γενιάς. Συγκεκριμένα, αναπτύσσεται και επικυρώνεται ένα ευφυές σύστημα που χρησιμοποιεί μεθόδους μηχανικής μάθησης ώστε να εκτιμήσει την επερχόμενη ζήτηση ενός Σταθμού Βάσης και να αιτηθεί εκ των προτέρων τη δέσμευση των απαραίτητων πόρων προκειμένου να ικανοποιηθούν οι ανάγκες των συνδρομητών. Ειδικότερα, το σύστημα αυτό παρακολουθεί και συλλέγει τα στατιστικά της κίνησης που μεταφέρεται από το Σταθμό Βάσης προς το οπισθοζευκτικό δίκτυο και με βάση τις καταγραφές αυτές υπολογίζει τους απαραίτητους προς δέσμευση πόρους για τη δημιουργία ενός κατάλληλου συμφωνητικού επιπέδου υπηρεσίας μεταξύ του παρόχου κινητών επικοινωνιών και του παρόχου οπτικού δικτύου. Στα πλαίσια ανάπτυξης του συστήματος αυτού, περιγράφονται όλες οι απαραίτητες λειτουργίες που επιτελεί για τη δυναμική διαχείριση των πόρων. Ειδικότερα, δίδεται βαρύνουσα σημασία στη διαδικασία της πρόβλεψης, η οποία αποτελεί την κύρια λειτουργία του συστήματος και είναι υπεύθυνη για την αποδοτική διαχείριση των πόρων του οπισθοζευκτικού δικτύου. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η επίδοση διαφορετικών τεχνικών μηχανικής μάθησης και μελετώνται θέματα που άπτονται στη βελτιστοποίηση της λειτουργικότητας του συστήματος, τόσο σε πρακτική όσο και σε θεωρητική βάση. Επιπλέον, πέραν από την πρόβλεψη των πόρων για τη σύναψη συμφωνιών επιπέδου υπηρεσίας, παρουσιάζεται και η διαδικασία της βραχυπρόθεσμης πρόβλεψης ως συνδυασμός μεθόδων μηχανικής μάθησης και ανάλυσης χρονοσειρών για την αντιμετώπιση των μη αναμενόμενων μεταβολών της κίνησης του δικτύου. Με βάση τα αποτελέσματα που προκύπτουν εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα για τη λειτουργία και την επίδοση ενός τέτοιου συστήματος.Τέλος, το γενικό πρόβλημα διαχείρισης των πόρων του οπισθοζευκτικού δικτύου μελετάται με τη χρήση της εξελικτικής θεωρίας παιγνίων. Ειδικότερα, εξετάζεται το πρόβλημα στην πλευρά του Σταθμού Βάσης, όπου μοντελοποιούνται κατάλληλα οι αλληλεπιδράσεις του Σταθμού Βάσης και των συνδρομητών, και στη πλευρά του οπτικού δικτύου, όπου δύο διαφορετικοί πάροχοι κινητών επικοινωνιών μοιράζονται την ίδια οπισθοζευκτική υποδομή και ανταγωνίζονται για τους πόρους του οπτικού δικτύου. Η μοντελοποίηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των παικτών γίνεται με τη χρήση της δυναμικής των αντιγραφέων και μελετάται η ευστάθεια του δυναμικού συστήματος, ενώ τα αποτελέσματα που προκύπτουν τεκμηριώνονται με τη χρήση κατάλληλων προσομοιώσεων.