Διαστρωματική σχεδίαση και βελτιστοποίηση ασύρματων πολυβηματικών δικτύων
Authors: Στάη Ελένη 
Published: September 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη βελτίωση της παρεχόμενης επικοινωνίας από τα ασύρματα πολυβηματικά δίκτυα ακολουθώντας μία ολιστική προσέγγιση όσον αφορά στη στοίβα πρωτοκόλλων. Συγκεκριμένα, επίκεντρο της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη δύο διαστρωματικών πλαισίων, τα οποία συνεισφέρουν συνδυαστικά αλλά και καθένα αυτοτελώς στη βελτίωση των μετρικών Ποιότητας Υπηρεσίας. Το πρώτο πλαίσιο ονομάζεται Πλαίσιο Αντίστροφου Ελέγχου Τοπολογίας (Πλαίσιο ΑΕΤ) καθώς στηρίζεται στον Έλεγχο Τοπολογίας και δρα στο φυσικό επίπεδο (Physical Layer) και στο επίπεδο δικτύου (Network Layer) χρησιμοποιώντας πληροφορία και στοιχεία του κοινωνικού επιπέδου. Το Πλαίσιο ΑΕΤ εμπλουτίζει την τοπολογία του ασύρματου πολυβηματικού δικτύου με στοιχεία των κοινωνικών γράφων, ακολουθώντας το παράδειγμα της αποτελεσματικής και γρήγορης επικοινωνίας διαμέσου των κοινωνικών δικτύων. Προτείνεται η πιθανοτική λειτουργία του Πλαισίου ΑΕΤ, αναπτύσσεται η μεθοδολογία βελτιστοποίησης των παραμέτρων του και περιγράφεται η δυνατότητα της κατανεμημένης εφαρμογής του. Η αναλυτική μελέτη του Πλαισίου ΑΕΤ στηρίζεται στη θεωρία συνέχειας (Continuum Theory). Επιπρόσθετα, μία ειδική περίπτωση και δύο εφαρμογές του Πλαισίου ΑΕΤ επιβεβαιώνουν τη βελτίωση της τοπολογίας και της επικοινωνίας, όπως η βελτίωση αυτή ποσοτικοποιείται μέσω χρήσης μετρικών της Ανάλυσης Κοινωνικών Δικτύων και συγκεκριμένων μετρικών Ποιότητας Υπηρεσίας.Το δεύτερο πλαίσιο ονομάζεται Πλαίσιο ΘΜΧΔ/Backpressure καθώς θεμελιώνεται στη Θεωρία Μεγιστοποίησης Χρησιμότητας Δικτύου (ΘΜΧΔ) και δρα στα επίπεδα πρόσβασης στο μέσο (MAC), δικτύου (Network) και μεταφοράς (Transport), χρησιμοποιώντας πληροφορία από το κοινωνικό επίπεδο. H βέλτιστη επίλυση ενός προβλήματος ΜΧΔ βασίζεται στο διαστρωματικό αλγόριθμο δρομολόγησης πακέτων και χρονοπρογραμματισμού των μεταδόσεων των πακέτων Backpressure σε συνδυασμό με κατάλληλο αλγόριθμο ελέγχου συμφόρησης για τον προσδιορισμό των βέλτιστων ρυθμών άφιξης πακέτων στις πηγές των ροών. Ο αλγόριθμος Backpressure είναι βέλτιστος ως προς το θεωρητικό ρυθμό επιτυχημένης αποστολής πακέτων (δηλαδή σταθεροποιεί τις ουρές του δικτύου για όλους τους ρυθμούς άφιξης πακέτων στις πηγές του δικτύου που ανήκουν στην περιοχή χωρητικότητας του) αλλά οδηγεί σε μεγάλες καθυστερήσεις στην αποστολή τους και δεν λαμβάνει άλλες μετρικές Ποιότητας Υπηρεσίας υπόψη. Στην παρούσα διατριβή, το Πλαίσιο ΘΜΧΔ/Backpressure χρησιμοποιεί την εισαγωγή κατάλληλων βαρών στο γράφο του δικτύου και την άπληστη ενσωμάτωση του γράφου του δικτύου στο χώρο της υπερβολικής γεωμετρίας. Ο αλγόριθμος Backpressure προσαρμόζεται ώστε να λαμβάνει υπόψη τα βάρη καθώς και με την εισαγωγή κατάλληλων περιορισμών στη δρομολόγηση των πακέτων για στατικά και δυναμικά δίκτυα. Ειδικότερα για τη μείωση της καθυστέρησης αποστολής πακέτων, έμφαση προσάπτεται στους περιορισμούς άπληστης δρομολόγησης στην υπερβολική γεωμετρία. Εξετάζεται η σταθερότητα του προτεινομένου αλγορίθμου Backpressure ως προς τις ουρές του δικτύου καθώς και η σύγκλιση του ΜΧΔ προβλήματος υπό τον προτεινόμενο αλγόριθμο Backpressure με βάρη, με χρήση δυϊκής αποσύμπλεξης και τεχνικών Lyapunov drift. Τα αποτελέσματα προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν τη δυνατότητα μείωσης της καθυστέρησης αποστολής πακέτου και τη βελτίωση επιπλέον μετρικών Ποιότητας Υπηρεσίας (π.χ., κόστος, εμπιστοσύνη, κλπ.). Επιπλέον, εξετάζεται μέσω προσομοιώσεων η επίδραση των βαρών στην Ποιότητα Υπηρεσίας και στη σύγκλιση του αλγορίθμου επίλυσης του προβλήματος ΜΧΔ και μελετάται η επιλογή κατάλληλων βαρών για κάθε μετρική Ποιότητας Υπηρεσίας. Ακόμη, η άπληστη ενσωμάτωση στην υπερβολική γεωμετρία βελτιώνεται περαιτέρω με εφαρμογή της συνεργατικής θεωρίας παιγνίων. Στη συνέχεια, πληροφορία από το κοινωνικό επίπεδο χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό των συναρτήσεων χρησιμότητας του προβλήματος ΜΧΔ για την αποτελεσματικότερη κατανομή των πόρων μεταξύ των χρηστών ανάλογα με τις ανάγκες τους. Ακολούθως, το πρόβλημα ΜΧΔ διατυπώνεται και επιλύεται εις τρόπον ώστε ο συμβιβασμός (trade-off) μεταξύ των ρυθμών άφιξης πακέτων στις πηγές των ροών και της καθυστέρησης αποστολής πακέτου να ελέγχεται από τους χρήστες του δικτύου.Τέλος, τα δύο προτεινόμενα πλαίσια συνδυάζονται ώστε να μελετηθεί μέσω παραδειγμάτων και προσομοιώσεων η ολική δυνατή βελτίωση στην Ποιότητα Υπηρεσίας. Εν κατακλείδι, συνοψίζονται τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής και περιγράφεται η τρέχουσα έρευνα και τα επόμενα ερευνητικά βήματα.