Radio resource management techniques for QoS provision in 5G networks
Authors: Δάτσικα Ευτυχία 
Published: July 2022

Καθώς εμφανίζονται πολυάριθμες εφαρμογές για κινητές συσκευές και υπηρεσίες over-the-top (OTT) και η συνδεσιμότητα μέσω κινητού Διαδικτύου γίνεται πανταχού παρούσα, η παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών (QoS) είναι πιο δύσκολη για τους φορείς εκμετάλλευσης δικτύων κινητής τηλεφωνίας (MNO). Οι ερευνητικές προσπάθειες επικεντρώνονται στην ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών διαχείρισης πόρων και έχουν εισαγάγει το μακροπρόθεσμο προηγμένο πρότυπο επικοινωνίας (LTE-A). Τα νέα επιχειρηματικά μοντέλα κάνουν την ανάπτυξη της χωρητικότητας του δικτύου βιώσιμη, επιτρέποντας στους MNO να συνδυάζουν τους πόρους τους. Τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας πέμπτης γενιάς (5G) θα περιλαμβάνουν τεχνολογίες και επιχειρηματικούς φορείς με διαφορετικές δυνατότητες και απαιτήσεις που ενδέχεται να επηρεάσουν την παροχή QoS, απαιτώντας αποτελεσματική κοινή χρήση ραδιοφωνικών πόρων. Η ανάγκη για μεγαλύτερη χωρητικότητα δικτύου έχει εισαγάγει νέες τεχνολογίες που βελτιώνουν την αποτελεσματικότητα της κατανομής των πόρων. Η άμεση συνδεσιμότητα μεταξύ τερματικών εξοπλισμού χρήστη (UEs) που παρακάμπτει την υποδομή LTE-A μειώνει την υπερφόρτωση του δικτύου. Μέρος της κίνησης κινητής τηλεφωνίας εκφορτώνεται σε συνδέσεις συσκευής προς συσκευή (D2D) εκτός ζώνης (σε φάσμα χωρίς άδεια), επιτρέποντας την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ UE απευθείας ή μέσω αναμεταδοτών UE. Ωστόσο, οι MNO χρειάζονται πρόσθετους πόρους και υποδομές φάσματος. Η έννοια της κοινής χρήσης δικτύου μεταξύ χειριστών έχει προκύψει παρακινώντας την υιοθέτηση της εικονικοποίησης που επιτρέπει τον τεμαχισμό δικτύου, δηλαδή τον δυναμικό διαχωρισμό των πόρων σε εικονικά slices (VSs). Τα VS διαχειρίζονται μεμονωμένα από διαφορετικούς ενοικιαστές χρησιμοποιώντας δικτύωση που καθορίζεται από λογισμικό και περιλαμβάνουν πόρους δικτύου πυρήνα και ραδιοπρόσβασης που κατανέμονται περιοδικά σε UE. Όταν οι UE έχουν πρόσβαση σε εφαρμογές OTT, δημιουργούνται ροές με διαφορετικές απαιτήσεις QoS και προτεραιότητες που καθορίζονται από τους παρόχους υπηρεσιών OTT (OSP). Οι πολιτικές των OSP θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στην κατανομή VS. Οι συνυπάρχουσες τεχνολογίες, τα επιχειρηματικά μοντέλα και τα ενδιαφερόμενα μέρη απαιτούν εξελιγμένες τεχνικές διαχείρισης ραδιοφωνικών πόρων (RRM). Για το σκοπό αυτό, το RRM εκτελείται σε ένα περίπλοκο οικοσύστημα. Όταν η επικοινωνία D2D περιλαμβάνει δεδομένα που λαμβάνονται ταυτόχρονα από το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας, το QoS μπορεί να επηρεαστεί από παραμέτρους δικτύου LTE-A (πολιτική προγραμματισμού πόρων, συνθήκες καναλιού κατερχόμενης ζεύξης). Επηρεάζεται επίσης από την επιλογή αναμετάδοσης, καθώς οι UE μπορεί να μην είναι πρόθυμοι να βοηθήσουν άγνωστα ζεύγη UE και οι κοινωνικοί δεσμοί των UE σε εφαρμογές για κινητά μπορεί να επηρεάσουν την προθυμία για συνεργασία D2D. Έτσι, αποτελεσματικοί μηχανισμοί ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC) θα πρέπει να συντονίζουν τις εκπομπές D2D χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές, π.χ. κωδικοποίηση δικτύου (NC). Όταν οι UE έχουν πρόσβαση σε εφαρμογές OTT, οι πολιτικές των OSP δεν λαμβάνονται υπόψη από τους MNO στο RRM και οι OSP δεν μπορούν να εφαρμόσουν ιεράρχηση ροής. Ζητήματα ουδετερότητας δικτύου προκύπτουν επίσης όταν οι OSP διεκδικούν πόρους από MNO με στόχο την ελαχιστοποίηση του βαθμού υπηρεσίας (GoS). Η παρέμβαση των OSP μπορεί να καθυστερήσει την προσαρμογή των ροών λόγω του χρόνου που απαιτείται για την αλληλεπίδραση OSP-MNO και του χρόνου που δαπανήθηκαν οι ροές αναμένοντας πόρους. Αυτή η διατριβή προτείνει νέες λύσεις στα ζητήματα RRM της εξωζωνικής επικοινωνίας D2D και της κατανομής VS για OSP σε δίκτυα 5G. Παρουσιάζουμε ένα συνεργατικό πρωτόκολλο D2D MAC που αξιοποιεί τις ευκαιρίες για NC στην επικοινωνία D2D υπό την επίδραση των παραμέτρων δικτύου LTE-A και την ανάλυση απόδοσης απόδοσης. Το πρωτόκολλο βελτιώνει την απόδοση D2D και την ενεργειακή απόδοση, ειδικά για UE με καλύτερες συνθήκες καναλιού κατερχόμενης ζεύξης. Στη συνέχεια εισάγουμε τη γνώση των συνδέσμων των κοινωνικών δικτύων στο σχεδιασμό D2D MAC και παρουσιάζουμε ένα κοινωνικό συνεταιριστικό πρωτόκολλο D2D MAC που χρησιμοποιεί τους κοινωνικούς δεσμούς των UE για την προώθηση της χρήσης φιλικών αναμεταδοτών που μειώνουν τη συνολική κατανάλωση ενέργειας. Με κίνητρο την έλλειψη προσεγγίσεων για RRM προσανατολισμένο στο OSP, παρουσιάζουμε έναν νέο αλγόριθμο ιεράρχησης ροής δικτύου που βασίζεται στη θεωρία αντιστοίχισης και εφαρμόζει τις πολιτικές των OSP σεβόμενος την ουδετερότητα του δικτύου και την ανάλυση της απόδοσης GoS και καθυστέρησης. Ο αλγόριθμος διατηρεί χαμηλό κόστος και καθυστέρηση χωρίς να επηρεάζει τη δικαιοσύνη μεταξύ των OSP. Οι τεχνικές μας οδηγούν στη βελτίωση QoS που οφείλεται στην κοινή εξέταση διαφορετικών τεχνολογιών και επιχειρηματικών μερών στο σχεδιασμό RRM.