Management of network and energy resources in cognitive and self-organizing wireless networks

Abstract

The efficient usage of network resources and the reduction of the consumed energy in modern communication systems that operate in a dense urban environment are challenging tasks, due to the complexity and the spatio-temporal dynamics of wireless networks. Self-organization is considered as one of the most promising paradigms for the management of networks that operate in highly dynamic and dense environments. In this thesis a novel approach is proposed to dynamically control the size and configuration of a wireless network for the effective utilization of network resources and energy saving. Firstly, we define the functional and software architecture for a self-organizing network, based on the cognitive cycle concept. Central to our approach is the organization of access points into clusters to facilitate local management and coordination of the deployed cognitive managers. In each cluster, the elected cluster head monitors usage of resources as well as the energy consumption changes during the transmission and reception, at both the access point and user equipment sides, and decides on the appropriate adaptation action. Specifically, a scheme for access point dynamic deactivation and reactivation is proposed for efficient use of radio resources and reduction of access point energy consumption. Also, re-allocation of selected frequency channels and formation of multi-hop relays among user equipment is used to diminish the effect of access point deactivation on user equipment energy consumption. The energy consumption improvement attained under the proposed scheme, at both the access point and the user equipment sides, is evaluated via simulation. In addition a scheme has been proposed and evaluated for the coordination of different self-optimization actions, which are concurrently triggered by the cognitive managers in a self-organizing network (coverage and capacity optimization, energy saving, interference). The goal is to resolve conflicts on configuration actions and dependencies among performance metrics, ensuring network stability. Finally, an algorithmic framework is proposed to enhance the effectiveness of cognitive managers. Specifically, the accumulated history of previous events and a feedback-based scheme are introduced for the evolution of the decision making algorithms that are used for the improvement of VoIP QoS in a congested WiMAX network. The proposed algorithmic framework has been evaluated using the FIRE Panlab experimental facilities.

Στην παρούσα διατριβή προτείνεται μια καινοτόμος λύση για το δυναμικό έλεγχο του μεγέθους αλλά και της διαμόρφωσης ενός ασύρματου αυτο-οργανωμένου δικτύου, με σκοπό την αποτελεσματική χρησιμοποίηση των δικτυακών πόρων και την εξοικονόμηση ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική ενός αυτό-οργανώμενου δικτύου, η οποία βασίζεται στην ύπαρξη του γνωσιακού κύκλου. Κεντρική ιδέα της διατριβής είναι η οργάνωση των ασύρματων σταθμών βάσης σε συστάδες, οι οποίες διευκολύνουν το συντονισμό και τη τοπική διαχείριση των γνωσιακών διαχειριστών που είναι εγκατεστημένοι στα ασύρματα σημεία πρόσβασης. Σε κάθε σχηματιζόμενη συστάδα, ο επικεφαλής παρακολουθεί το επίπεδο χρησιμοποίησης των διαθέσιμων πόρων καθώς επίσης και τις αλλαγές στην καταναλισκόμενη ενέργεια, τόσο στην πλευρά των σταθμών βάσης όσο και σε αυτή των συσκευών των χρηστών. Αξιολογώντας τις παραπάνω πληροφορίες, επιλέγεται η κατάλληλη ενέργεια αναδιαμόρφωσης. Συγκεκριμένα, προτείνεται ένα σχήμα για τη δυναμική απενεργοποίηση ή ενεργοποίηση σταθμών βάσης με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας στην πλευρά του δικτύου και τη λελογισμένη χρήση των ραδιο-πόρων. Επιπλέον, εισάγονται αλγόριθμοι για την ανακατανομή των επιλεγμένων καναλιών/συχνοτήτων καθώς και το σχηματισμό μονοπατιών που αποτελούνται από πολλά άλματα, έχοντας ως ενδιάμεσους κόμβους (ή αναμεταδότες) συσκευές χρηστών. Η εξοικονόμηση στην καταναλισκόμενη ενέργεια που επιτυγχάνεται με τη χρήση του προτεινόμενου σχήματος, τόσο στην πλευρά των σταθμών βάσης όσο και των συσκευών του χρήστη, αξιολογείται μέσω πειραμάτων προσομοίωσης. Στη συνέχεια προτείνεται και αποτιμάται ένα αλγοριθμικό σχήμα για το συντονισμό των διαφόρων αναδιαμορφώσεων που προκύπτουν ταυτόχρονα από διαφορετικά προβλήματα αυτο-βελτίωσης σε έναν ή περισσότερους γνωσιακούς διαχειριστές. Σκοπός είναι ο εντοπισμός και η επίλυση συγκρούσεων στις αναδιαμορφώσεις που ενεργοποιούνται καθώς και η συνολικά καλύτερη απόδοση του δικτύου, επιδιώκοντας τη μικρότερη δυνατή αρνητική επίδραση στις υπόλοιπες μετρικές απόδοσης. Τέλος, στα πλαίσια ενός αυτό-διαχειριζόμενου δικτύου, το οποίο ανήκει σε έναν πάροχο, εισάγεται ένα αλγοριθμικό πλαίσιο για την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας των γνωσιακών διαχειριστών. Το εν λόγω πλαίσιο χρησιμοποιήθηκε για τη βελτίωση της ποιότητας της υπηρεσία μεταφοράς φωνής μέσω διαδικτύου σε ένα ασύρματο δίκτυο ευρείας περιοχής, ενώ η αποτίμηση της απόδοσής του έγινε στην πειραματική πλατφόρμα FIRE Panlab.