Χωροχρονικές τεχνικές μοντελοποίησης και διαστρωματικής σχεδίασης δικτύων με εφαρμογή σε δίκτυα γνωσιακής ραδιοεπικοινωνίας

Abstract

Communication networks, and especially the wireless ones, are often influenced by the dynamicallychanging conditions of the network environment, hence, introducing dependencies in both time andspace dimensions. This phenomenon becomes even more prominent in next generation wirelessnetworks that exploit dynamic spectrum access schemes and cognitive radio technology. For thatreason, this thesis focuses on cognitive radio networks and investigates network modeling techniquesthat inherently take into account any existing spatiotemporal dependencies.The conducted spectrum occupancy survey in the metropolitan area of Athens demonstrates the actualpicture of radio spectrum, unveils practical difficulties in spectrum sensing methodologies andhighlights the existence of discontinuities in spectrum occupancy both in space and time dimensions.To improve cognitive radio users awareness, an inference methodology is described towards extractingvaluable information and useful statistical properties of spectrum through processing and analyzing theraw spectrum sensing data. In particular, we identify and study the correlation properties of adjacentfrequency bins as well as present practical application scenarios that improve current methodologies ofenergy detection based spectrum sensing through a more efficient relationship between speed andaccuracy.The focus of the thesis is placed on optimization problems in cognitive radio networks covering bothdistributed and centralized approaches. Spectrum resource allocation, power control, scheduling androuting procedures are among the key research issues that are analyzed and addressed in the currentwork through the proposed cross-layer design. Specifically, this thesis introduces a new networkmodeling methodology based on the theory of Markov random fields and proposes a distributed crosslayer architecture contributing to global optimal network states though local interactions. Similarly, byadopting the most recent regulations that specify a first centralized approach for cognitive radionetworks practical exploitation, we propose a holistic cross-layer design framework compatible with thespecified centralized spectrum databases and aiming at jointly addressing a class of network problemstowards the overall optimized operation of cognitive radio networks.

Η λειτουργία των δικτύων επικοινωνιών - και ιδιαίτερα των ασύρματων δικτύων - επηρεάζεται συχνάαπό τις μεταβαλλόμενες συνθήκες του δικτυακού περιβάλλοντος, οι οποίες εισάγουν εξαρτήσεις στον τρόπο λειτουργίας τους τόσο στο πεδίο του χώρου όσο και στο πεδίο του χρόνου. Το φαινόμενο αυτό γίνεται εμφανέστερο σε σενάρια ασύρματων δικτύων νέας γενιάς που εκμεταλλεύονται σχήματα δυναμικής φασματικής πρόσβασης και στηρίζονται στην τεχνολογία των γνωσιακών ραδιοεπικοινωνιών. Για το λόγο αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται σε δίκτυα γνωσιακής ραδιοεπικοινωνίας και ερευνά τεχνικές μοντελοποίησης των εν λόγω δικτύων που λαμβάνουν εγγενώς υπόψη τις υφιστάμενες χωροχρονικές εξαρτήσεις.Μέσω μιας επισκόπησης κατάληψης φάσματος στην περιοχή των Αθηνών αποτυπώνεται ηπραγματική εικόνα του φάσματος ραδιοσυχνοτήτων, αναδεικνύονται πρακτικά προβλήματα στημεθοδολογία φασματικής ανίχνευσης και συμπεραίνεται η ύπαρξη ασυνεχειών φασματικής κατάληψης στις διαστάσεις του χώρου και του χρόνου. Για τη βελτίωση της ενημερότητας των χρηστών τεχνολογίας γνωσιακών ραδιοεπικοινωνιών περιγράφεται μια μεθοδολογία ανάλυσης των αρχικών ακατέργαστων δεδομένων που προκύπτουν από τη διαδικασία φασματικής ανίχνευσης με σκοπό την εξαγωγή πολύτιμων πληροφοριών και χρήσιμων στατιστικών ιδιοτήτων του ραδιοφάσματος.Συγκεκριμένα, εντοπίζονται και μελετώνται οι ιδιότητες συσχέτισης στη μετρούμενη ενέργεια γειτονικών καναλιών και παρουσιάζονται πρακτικά σενάρια εφαρμογής που βελτιώνουν πρακτικές μεθοδολογίες φασματικής ανίχνευσης μέσω μιας αποδοτικότερης σχέσης μεταξύ ταχύτητας και ακρίβειας ανίχνευσης.Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, μελετώνται προβλήματα βελτιστοποίησης που αφορούν τόσοκατανεμημένες όσο και κεντρικοποιημένες προσεγγίσεις λειτουργίας των δικτύων γνωσιακήςραδιοεπικοινωνίας. Η κατανομή φασματικών πόρων, ο έλεγχος ισχύος και οι διαδικασίεςχρονοπρογραμματισμού και δρομολόγησης αποτελούν βασικά αντικείμενα έρευνας τα οποία αναλύονται εκτενώς και αντιμετωπίζονται από τεχνικές διαστρωματικής σχεδίασης που προτείνονταιστην τρέχουσα εργασία. Ειδικότερα, παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία μοντελοποίησης ασύρματων δικτύων βασισμένη στη θεωρία των τυχαίων πεδίων Markov και προτείνεται μια κατανεμημένη αρχιτεκτονική διαστρωματικής σχεδίασης που οδηγεί μέσω τοπικών χωρικών εξαρτήσεων σε βέλτιστες καταστάσεις του συνολικού δικτύου. Αντίστοιχα, υιοθετώντας τις πιο πρόσφατες σχετικές ρυθμιστικές κινήσεις που προδιαγράφουν ένα αρχικό κεντρικοποιημένο τρόπο λειτουργίας δικτύων γνωσιακής ραδιοεπικοινωνίας, προτείνεται ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο διαστρωματικής σχεδίασης των εν λόγω δικτύων που βασίζεται σε κεντρικές βάσεις δεδομένων φάσματος και συνεισφέρει στη συνδυασμένη αντιμετώπιση προβλημάτων στοχεύοντας στη γενικότερη βελτιστοποιημένη λειτουργία των δικτύων γνωσιακής ραδιοεπικοινωνίας