Spectrum sharing and management techniques in mobile networks

Abstract

Το φάσμα συχνοτήτων αποδεικνύεται σπάνιο κομμάτι για τους πόρους ενός κινητού δικτύου το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψιν στη σχεδίαση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων πέμπτης γενιάς. Επιπλέον οι πάροχοι κινητών δικτύων θα πρέπει να επαναπροσδιορίσουν επιχειρησιακά μοντέλα τα οποία μέχρι τώρα δεν θεωρούνταν αναγκαία (π.χ., γνωσιακά ραδιοδίκτυα), ή να εξετάσουν την υιοθέτηση νέων μοντέλων που αναδεικνύονται (π.χ., αδειοδοτούμενη από κοινού πρόσβαση) ώστε να καλύψουν τις ολοένα αυξανόμενες ανάγκες για εύρος ζώνης. Μέχρι τώρα, οι πάροχοι κινητών δικτύων ήταν επιφυλακτικοί να επενδύσουν σε επιπρόσθετες τεχνολογίες δικτύου που θα προσέφεραν ευελιξία στη διαχείριση φάσματος και προτιμούσαν να χρησιμοποιούν αποκλειστικά το εκχωρημένο σε αυτούς φάσμα, με αποτέλεσμα την περιορισμένη χρήση φάσματος. Η επιφυλακτικότητα των παρόχων κινητών δικτύων ενισχύεται από το γεγονός ότι οι διαθέσιμες από τη βιβλιογραφία τεχνικές μερισμού φάσματος επικεντρώνονται σε ένα μόνο καθεστώς εξουσιοδότησης, περιορίζοντας την ευελιξία και τις δυνατότητες μερισμού φάσματος ανάμεσα σε πολλαπλά συστήματα επικοινωνιών. Άρα, νέοι ευέλικτοι μηχανισμοί, οι οποίοι θα χειρίζονται το φάσμα αποδοτικά και θα εκμεταλλεύονται τα πλεονεκτήματα των διαφόρων καθεστώτων εξουσιοδότησης, κρίνονται απαραίτητοι.Προς αυτή τη κατεύθυνση, η διατριβή αυτή στοχεύει να παράσχει μία λύση για μερισμό φάσματος με πολλαπλά καθεστώτα εξουσιοδότησης, βάσει ενός καινοτόμου αρχιτεκτονικού πλαισίου το οποίο επιτρέπει στα δικτυακά στοιχεία να λαμβάνουν αποφάσεις για απόκτηση φάσματος και να ανταλλάσσουν πληροφορίες που οδηγούν στη πραγματοποίηση της προτεινόμενης ιδέας. Προτείνουμε την ενσωμάτωση του Ελεγκτή Φάσματος, μίας λογικής οντότητας υπεύθυνης να ζητά πρόσθετο φάσμα, στο κινητό δίκτυο, και της Οντότητας Συντονισμού, μίας λογικής (αλλά όχι απαραίτητα και κεντρικοποιημένης) μονάδας, η οποία είναι υπεύθυνη να συλλέξει πληροφορίες για διαθεσιμότητα φάσματος και να χορηγήσει άδειες πρόσβασης με βάση τις ληφθείσες αιτήσεις για φάσμα. H όλη διαδικασία επιβλέπεται από την εθνική κανονιστική αρχή και το πλαίσιο εφαρμόζεται σε πολλαπλά σενάρια μερισμού φάσματος όπως η αδειοδοτούμενη από κοινού πρόσβαση και ο από κοινού πρωτεύων μερισμός φάσματος. Ακόμη, η διατριβή αυτή προτείνει μία πιθανή υποστασιοποίηση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής μέσω δικτυακής υποδομής βασισμένης σε λογισμικό.Από την πλευρά του κινητού δικτύου η βασικότερη μονάδα η οποία επιτρέπει το μερισμό φάσματος είναι ο Ελεγκτής Φάσματος ο οποίος είναι υπεύθυνος να λάβει αποφάσεις για απόκτηση επιπλέον φάσματος. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή προτείνουμε μία καινοτόμα τεχνική μερισμού φάσματος η οποία χρησιμοποιεί Ελεγκτές Ασαφούς Λογικής ώστε να προσδιορίσει την καταλληλότερη επιλογή μερισμού φάσματος. Οι αποφάσεις των Ελεγκτών Ασαφούς Λογικής λαμβάνουν υπόψιν τις συνθήκες του δικτύου, την φασματική απόδοση και τους κανόνες που διέπουν κάθε ελεγκτή, οι οποίοι έχουν καθοριστεί με βάση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της εκάστοτε επιλογής για μερισμό φάσματος.Επιπλέον, δεδομένης της ανάγκης για αποφυγή χειροκίνητης παραμετροποίησης του συστήματος αναπτύχθηκε μία τεχνική ενισχυμένης μάθησης, η οποία επιτρέπει στο σύστημα να προσαρμόζει τις αποφάσεις του σε βάθος χρόνου. Η προτεινόμενη τεχνική για προσαρμοστικό μερισμό φάσματος λαμβάνει υπόψη την επίδραση των αποφάσεων των Ελεγκτών Ασαφούς Λογική στο δίκτυο και το κόστος αγοράς φάσματος για το πάροχο και ρυθμίζει τους κανόνες που διέπουν τους ελεγκτές της ασαφούς λογικής που χρησιμοποιεί ο μηχανισμός μερισμού φάσματος, επιχειρώντας να βρει τη βέλτιστη πολιτική που θα πρέπει να ακολουθήσει ο πάροχος ώστε να παρέχει την επιθυμητή ποιότητα υπηρεσιών στους χρήστες, επιτρέποντας όμως παράλληλα εξοικονόμηση πόρων (είτε οικονομικών ή ραδιοπόρων) όποτε είναι εφικτό. Η προτεινόμενη τεχνική προσαρμοστικού μερισμού φάσματος είναι εφαρμόσιμη σε σενάρια μερισμού στα οποία η ύπαρξη οποιασδήποτε μορφής άδειας χρήσης φάσματος είναι προαπαιτούμενη. Όμως, υπάρχουν σενάρια μερισμού στα οποία η εκχώρηση άδειας χρήσης δεν είναι απαραίτητη και τα σχήματα πρόσβασης στηρίζονται σε μηχανισμούς επαίσθησης φάσματος και μηχανισμούς ελέγχου ισχύος εκπομπής. Η τελευταία συνεισφορά της διατριβής είναι ένας μηχανισμός που εξασφαλίζει δίκαια πρόσβαση σε φάσμα ανάμεσα σε χρήστες τέτοιων σεναρίων μερισμού. Ο προτεινόμενος μηχανισμός, ο οποίος χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με ένα τυπικό μηχανισμό συνεργατικού ελέγχου ισχύος, βοηθάει τους αδικημένους χρήστες ενισχύοντας την ισχύ εκπομπής τους, μέσω της εκτέλεσης Γενετικού Αλγορίθμου. Η συμπεριφορά του αλγορίθμου σε περίπτωση ελλιπούς μοντέλου γνώσης είναι επίσης κομμάτι της μελέτης, καθώς είναι πολύ βασική περίπτωση για πραγματικά συστήματα στα οποία ένα πλήρες μοντέλο γνώσης αποτελεί ουσιαστικά μη ρεαλιστική προϋπόθεση.