Phd presentation

Βέλτιστη Ανάθεση Χρηστών και Βέλτιστη Ανάθεση Χρηστών και

Διαμοιρασμός Πόρων σε Διαμοιρασμός Πόρων σε

Ετερογενή Ασύρματα ΔίκτυαΕτερογενή Ασύρματα Δίκτυα

ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Γεώργιος Π. Αριστομενόπουλος

Αθήνα 29/03/2013

ΤΤα ασύρματα δίκτυα σήμεραα ασύρματα δίκτυα σήμερα……

• Κινητοί Χρήστες• Πολλαπλές Υπηρεσίες• Ποικίλες Απαιτήσεις ΠτΥ• Διαφορετικά Δίκτυα

Πρόσβασης

ΕτερογένειαΠολυπλοκότηταΠολλαπλότητα

“εξεύρεση τρόπων, μηχανισμών και αρχιτεκτονικών που θα επιτρέψουν την ενσωμάτωση μιας πληθώρας ετερογενών δικτύων κάτω από μία κοινή διαχειριστική μονάδα με στόχο την συνολική αντιμετώπιση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου” 23/03/2013 2Γεώργιος Π. Αριστομενόπουλος

ΔΔιάρθρωση της παρουσίασηςιάρθρωση της παρουσίασης

Το πρόβλημα στη Βιβλιογραφία Αυτόνομες ευρετικές λύσεις

o Χαμηλή πολυπλοκότηταo Εύκολα υιοθετήσιμεςo Μη αποδεδειγμένης βελτιστότητας

Κατανεμημένες βέλτιστες λύσειςo Εξασφαλίζουν το βέλτιστο σημείο λειτουργίας του συνολικού

ενοποιημένου συστήματοςo Πολυπλοκότηταo Σηματοδοσία

Συμπεράσματα και Μελλοντική Εργασία

23/03/2013 3Γεώργιος Π. Αριστομενόπουλος

ΤΤο πρόβλημα στη ο πρόβλημα στη

ΒιβλιογραφίαΒιβλιογραφία

23/03/2013Γεώργιος Π. Αριστομενόπουλος 4

ΤΤι κάνουμε…ι κάνουμε…Βέλτιστη ανάθεση χρηστών και

διαμοιρασμός πόρων σε ενοποιημένα ετερογενή ασύρματα δίκτυα

• Δημιουργία ενός ενοποιημένου πλαισίου που αντιμετωπίζει ολόκληρο το ετερογενές σύστημα σαν ένα ενιαίο πρόβλημα βελτιστοποίησης o Ανεξάρτητο του υποκείμενου δικτύου πρόσβασηςo Βελτιστοποιεί τη συνολική απόδοση του συστήματοςo Μεγιστοποιεί τη συνολική απόδοση των υπηρεσιών των

χρηστών διασφαλίζοντας τα αντίστοιχων κριτηρίων ΠτΥ τους

Θεωρία Μεγιστοποίησης Χρησιμότητας Δικτύου Network Utility Maximization Theory (NUM)


ΣΣυναρτήσεις Χρησιμότηταςυναρτήσεις Χρησιμότητας


• Αντανακλά το βαθμό της ικανοποίησης του χρήστη συναρτήσει της ποιότητας της υπηρεσίας που λαμβάνει – Ενοποιημένο τρόπο– Ανεξαρτήτως του

υποκείμενου δικτύου πρόσβασης

“Η μοντελοποίηση ενός συστήματος με χρήση συναρτήσεων χρησιμότητας επιτρέπει την δημιουργία κοινών προβλημάτων βελτιστοποίησης που μπορούν να επιλυθούν χρησιμοποιώντας εργαλεία και τεχνικές της θεωρίας Μεγιστοποίησης Χρησιμότητας Δικτύου“

ΑΑυτόνομος Μηχανισμός υτόνομος Μηχανισμός Διαχείρισης Πόρων σε Διαχείρισης Πόρων σε

Ενοποιημένα Ασύρματα Ενοποιημένα Ασύρματα ΔίκτυαΔίκτυα

Autonomic JOint Network Selection (AJONS)


ΣΣυνολική Αρχιτεκτονικήυνολική Αρχιτεκτονική


Step_1 Information Monitoring

Step_2 Information Analysis

Step_3 Decision Making towards

Self-Optimization

*, avg c c C

,̂k c

AJONS Control Loop at A Mobile NodeAutonomic Mobile

Node’s Control Loop for Enabling ARRM

under a CDMA

AJONS Control Loop at A Mobile Node

Autonomic Mobile Node

Autonomic Mobile Node’s Control Loop for Enabling ARRM

under a WLAN

Autonomic Base Station

AJONS Control Loop at A Base Station

Autonomic CDMA Base Station Control Loop for Enabling

ARRM (A Resource Scheduler)

Step_1 Information Monitoring

Step_2 Information Analysis

Step_3 Decision Making towards Self-

Optimization

Channel Gain - Interference if CDMA Effective bandwidth

if WLAN

max,i c

max *, { }

{ - }

i c cif resource allocation

else QoS triggered AJONS

Autonomic Mobile Node’s Control Loop for Enabling ARRM

A) QoS-triggered events

B)

Orchestrating Protocol Level Control Loop

Triggering Node’s Mobility Management Control Loop towards Vertical/Horizontal

Handoff Mechanism

Intra-cell Autonomic Radio Resource Management Autonomic Joint Network Selection

, , , ,ˆ ˆˆ arg max max{ ( )}, ( )

cc i i c c i i c

c Cc C

c e J J

ΑΑυτόνομη Ενδοκυψελική Διαχείριση υτόνομη Ενδοκυψελική Διαχείριση

ΠόρωνΠόρωνCDMA WLAN

Κάθε χρήστης υπολογίζει τη χρησιμότητα του μείον το αντίστοιχο κόστος, που εν γένει αντιπροσωπεύει την μέγιστη χρησιμότητα του χρήστη i ανά μονάδα πόρων

Κάθε Σταθμός βάσης υπολογίζει το που αντιπροσωπεύει την μοναδική τιμή ισορροπίας ανά μονάδα πόρων που βελτιστοποιεί τον διαμοιρασμό πόρων στην κυψέλη


1

max1

max

max ( ( ))

. .

0

CDMA

CDMA

N

i iP

i

N

ii

i

U r P

s t P P

P P

1

max1

max

max ( )

. .

0

WLAN

WLAN

N

j jR

j

N

jj

j

U r

s t r C

r C

max

max,

0min 0 | max ( ( )) ( ) 0

ic i i i i

r CU r t r t

*c

ΑΑυτόνομη Ενδοκυψελική Διαχείριση υτόνομη Ενδοκυψελική Διαχείριση

ΠόρωνΠόρων

• αντικατοπτρίζει την ανωτερότητα του χρήστη απέναντι στους άλλους– Υψηλές τιμές δηλώνουν μεγαλύτερη πιθανότητα ικανοποίησης των

κριτηρίων ΠτΥ.

• αντικατοπτρίζει το βαθμό συμφόρησης της κυψέλης– Χαμηλές τιμές δηλώνουν μεγαλύτερη διαθεσιμότητα πόρων


max,c i

*c

ΑΑυτόνομος Διακυψελικός Μηχανισμός υτόνομος Διακυψελικός Μηχανισμός

Επιλογής Δικτύου Επιλογής Δικτύου

Ανάγκη αξιοποίησης τοπικά διαθέσιμων πληροφοριών από κάθε σταθμό βάσης

• σαν δείκτη συμφόρησης;• Λύση: Επίλυση των προβλημάτων RRM κάθε

• Υπολόγισε το κανονικοποιημένο κέρδος ανά

μονάδα πόρων που θα αποκτούσε ο χρήστης i εάν επέλεγε τη κυψέλη c για να συνδεθεί

και


*c

max( , )AJONS s fT M T T *,avg c

max * max *, , , ,

*, ,

ˆ

0

c i avg c c i avg c

c i avg c

if

otherwise

, , , ,ˆ ˆˆ arg max max{ ( )}, ( )

cc i c i c i c i

c Cc Cc e J J

• Προοπτική του Δικτύου:o Αυξημένη συμφόρηση σε ένα κελί υψηλή

τιμή ανά μονάδα πόρων αποθάρρυνση χρήστη από επιλογή εξισορρόπηση φόρτου

• Προοπτική του Χρήστη:o Υψηλή ικανοποίηση με βάση τη συνάρτηση

χρησιμότητας του για να συνδεθεί σε μία κυψέλη υψηλή μέγιστη επιθυμία να πληρώσει ωθείται να το επιλέξει


ΑΑυτόνομος Διακυψελικός Μηχανισμός υτόνομος Διακυψελικός Μηχανισμός

Επιλογής Δικτύου Επιλογής Δικτύου max * max *, , , ,

*, ,

ˆ

0

c i avg c c i avg c

c i avg c

if

otherwise

ΧΧαρακτηριστικά και αρακτηριστικά και

ΠρακτικότηταΠρακτικότητα Ασύγχρονη Λειτουργία

o ο ΣΒ δρα υποστηρικτικά (δηλαδή να μεταδίδει περιοδικά την τιμή)o Ο κόμβος πραγματοποιεί ασύγχρονα και αυτόνομα διαδικασίες

μεταπομπής και επιλογής δικτυού πρόσβασης, στοχεύοντας στην αυτό-βελτιστοποίηση

o Μειωμένος φόρτος σηματοδοσίας o Αποδεικνύει την κλιμακωσιμότητα του σχήματος

Πολυπλοκότηταo Βρόχος Ελέγχου AJONS στον κινητό κόμβο

• λίγες πράξεις πραγματικών αριθμών

• αποθηκεύει στην εσωτερική του μνήμη μόνο μερικούς πραγματικούς αριθμούς οι οποίοι εξαρτούνται από τον αριθμό των κυψελών που βρίσκονται στην γειτονιά του.

o Βρόχος Ελέγχου AJONS στο σταθμό βάσης• πολυπλοκότητα των αλγορίθμων που λύνουν τα προβλήματα (1) και (2)

• Υποθέτοντας πως η επίλυση τέτοιων προβλημάτων υλοποιείται για το ARRM η πολυπλοκότητα που εισάγει το AJONS είναι σχεδόν μηδαμινή.


ΑΑριθμητικά Αποτελέσματαριθμητικά Αποτελέσματα• Περιβάλλον προσομοίωσης: MATLAB• CDMA – WLAN (3GPP2)• OFDMA – WLAN (3GPP-LTE)• Ρυθμός εισόδου χρηστών: • Μη-Πραγματικού Χρόνου:• Πραγματικού Χρόνου:• Τυχαία κίνηση (800x800)• • Συγκρινόμενες Μέθοδοι

o Radio Signal Strength – RSSo Autonomic Service Differentiation –ASDiffo AUtonomic HandOver – AUHO o Network Selection Algorithm - Initial Network Selection – NSA-

INS


1 1 10secAJONST

( )

1 = m -d

1 ii i a r pU r

e

= 1- exp(- )i i iU r gr

, , ,ˆ ˆ( ) , 0.7c i c i c iJ e

CCDMA – WLAN (3GPP2)DMA – WLAN (3GPP2)


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Time (sec)

Ave

rage

Joi

nt

Net

wor

k U

tili

ty

AJONS

ASdiff

RSS

NSA-INS

AUHO

AJON

S

ASDiff RSS NSA-

INS

AUHO

Αριθμός Μεταπομπών 14 0 39 0 34

Μεταπομπές Μ.Ο. ανά

χρήστη0,93 0 2,6 0 2,26

Πιθανότητα Μεταπομπής 15% 0 42% 0 37%

CCDMA – WLAN (3GPP2)DMA – WLAN (3GPP2)


0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

0 20 40 60 80 100 120Time (sec)

Uti

lity

Lo

ad B

alan

cin

g F

acto

r

AJONS

ASdiff

RSS

NSA-INS

AUHO

1

1

1

1

Utility Load Balancing Factor: ULBF=

CDMA

CDMA

WLAN

WLAN

N

ii

N

jj

N U

N U

OOFDMA – WLAN (3GPP/LTE)FDMA – WLAN (3GPP/LTE)


0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Time (sec)

Ave

rage

Joi

nt

Net

wor

k U

tili

ty

AJONS

ASdiff

RSS

AUHO

ΕΕνοποιημένο Πλαίσιο νοποιημένο Πλαίσιο Βέλτιστης Διαχείρισης Βέλτιστης Διαχείρισης Πόρων σε Ετερογενή Πόρων σε Ετερογενή

Ασύρματα Δίκτυα Ασύρματα Δίκτυα Το Θεμελιώδες Πρόβλημα


ΘΘεμελιώδες Πρόβλημαεμελιώδες Πρόβλημα

• Generalized Mutual Assignment Problem NP-hard


, ,

,

, ,

min max

, ,min

max ( )

. 1

j c j c jc C j J

c jc C

c j c j cj J

c c c

c j j

c

U w x

st x j J

w x W c C

W W W c C

w j J

x

FP:

, {0,1} ,j c C j J

ΒΒέλτιστη Διαχείριση Πόρων έλτιστη Διαχείριση Πόρων σε Ετερογενή Ασύρματα σε Ετερογενή Ασύρματα

Δίκτυα Πολλαπλών Δίκτυα Πολλαπλών Τεχνολογιών ΠρόσβασηςΤεχνολογιών ΠρόσβασηςMulti-access Multi-cell Resource Allocation (MMRA)


ΤΤο Γενικό Πρωτεύον ο Γενικό Πρωτεύον

ΠρόβλημαΠρόβλημα

• Ανάγκη για μια γενικότερη λύση:o Η απόδοση της υπηρεσίας ενός χρήστη κατά την

ανάθεση σε μία κυψέλη δεν είναι σταθερή, αλλά επηρεάζει και επηρεάζεται από το σύνολο των χρηστών ανατίθενται στη συγκεκριμένη κυψέλη.

o Έλλειψη συγχρονισμού και περιορισμένο εύρος ζώνης σε ασύρματα δίκτυα.


, ,

,

, ,

,

max ( )

. 1

{0,1} ,

j c j c jc C j J

c jc C

c j c j cj J

c j

U w x

st x j J

w x W c C

x c C j J

GP:

ΣΣυνολική Αρχιτεκτονικήυνολική Αρχιτεκτονική


CDMA, OFDMA Cell

WLAN (802.11 x)

MN (Mobile Node)

WiMAXIP-based Core Network

IP Network

Gateway

All IP Convergence (e.g. MIP, Proxy MIP, e.t.c.)

Joint QoS-Aware Resource Management

NUM Theory

Master Problem

Cellular Network (e.g. CDMA. OFDMA)

WiFi (e.g. 802.11 x)WiMAX

Secondary Master Problem



Normalized Prices

Cellular Network (e.g. CDMA. OFDMA)

WLANs (e.g. 802.11 x, ...)WiMAX

QoS-Aware Resource Management in

Normalized Prices

Subproblem 1 ... Subproblem N Subproblem 1 ... Subproblem N

First Level of Decomposition

CLP

Distributed Mobile Nodes Assisted QoS-aware Network Selection & Resource Management

Viewing the Network as a Global Optimizer

GP

Second Level of Decomposition

UP

...


συνεισφοράσυνεισφορά Χωρικά Αποσυνδεδεμένη Λύση

o Απαιτείται μόνο τοπικά διαθέσιμή πληροφορία. o Κυψέλη: το σύνολο των ασύρματων κόμβων που είναι συνδεδεμένοι με

αυτήν.o Χρήστης: το σύνολο των κυψελών που ο χρήστης βρίσκεται στην εμβέλεια

τους και θα μπορούσε ενδεχομένως να συνδεθεί. o Αυτή η ιδιότητα εξασφαλίζει χαμηλό όγκο σηματοδοσίας και ευνοεί την

κλιμακωσιμότητα.

Λειτουργικά Αποσυνδεδεμένη Λύσηo Ανεξάρτητη του τύπου και των τεχνολογιών των κυψέλων που συνυπάρχουν

στο ενοποιημένο σύστημα.o Εξετάζονται κυψελωτά (CDMA), τοπικά ασύρματα (802.11.x) και WiMAX

δίκτυα.

Καθολική Πλησιοβελτιστότητα και Σύγκλισηo Κατανεμημένος, χαμηλής πολυπλοκότητας αλγόριθμος.o Αποδεδειγμένη σύγκλιση σε ένα καθολικά πλησιοβέλτιστο σημείο

λειτουργίας.o Καθορίζονται τα άνω και κάτω όρια της τιμής της βέλτιστης λύσης.o Υπολογίζεται η συνεπαγόμενη απόκλιση από τη βέλτιστη λύση.o Μελετάται η σταθερότητα του αλγόριθμου.


ΜΜεθοδολογία Επίλυσηςεθοδολογία Επίλυσης• Εφαρμόζουμε μερική χαλάρωση και υπολογίζουμε

το δυικό πρόβλημα του GP.1. Ορίζουμε την συνάρτηση Lagrange που αντιστοιχεί στο πρόβλημα GP

2. Η υποκείμενη συνάρτηση του δυικού προβλήματος είναι συνεπώς

3. Το Δυικό πρόβλημα (GD) μπορεί να οριστεί λοιπόν ως:


, , ,( ) ( ) - (1 ) j c j c j j c jc C j J j J c C

L U w x x

w, x, μ

, , ,( ) max ( ) jj c j c j j c j

c C j J j J j J C

DL U w x xN

w,xμ

max, ,

,

GD: min ( )

.

{0,1}, ,

NC

C

c j c j cj J

c j

N

DL

st w x W c C

x c C j J

μμ

μ

ΜΜεθοδολογία Επίλυσηςεθοδολογία Επίλυσης• Εφαρμόζουμε Δυική Αποσύνθεση


, , ,,

max, ,

,

1Cell Local Problem: max ( ) ( )

.

{0,1},

c c

c

j c j c j j c jw x

j S j S j

c j c j cj S

c j c

U w x xS

st w x W

x j S

'Master Dual Problem min ( ) min ( )

. C

cc C

N

DL DL

st

μ μμ μ

μ

( ( ))( 1) ( ) ( )

( 1) ( ) (1 )j

j jj

Sj j j

D tt t q t

t t x

ΑΑλγόριθμος λγόριθμος Multi-access Multi-cell Resource Allocation

Αλγόριθμος του Κινητού Χρήστη jΣε κάθε επανάληψη t=1,2,… , ο κινητός χρήστης j:

Βήμα 1. Λαμβάνει από τις κυψέλες της γειτονιάς του τα αποτελέσματα xc,j

Βήμα 2. Υπολογίζει το νέο του κόστος μj(t+1).

Βήμα 3. Μεταδίδει το νέο κόστος μj(t+1) και το σε κάθε κυψέλη στο Sj.

Αλγόριθμος στην Κυψέλη c

Σε κάθε επανάληψη t=1,2,… , η κυψέλη c:

Βήμα 1. Λαμβάνει τα κόστη μ(t) όλων των χρηστών , καθώς και τα .

Για t=0 τότε μ(t)=(0,…,0).

Βήμα 2. Αν τότε Τερμάτισε.

Βήμα 3. Λύσε το αντίστοιχο πρόβλημα ενδοκυψελικής ανάθεσης πόρων ανάλογα με την τεχνολογία πρόσβασης.

Βήμα 4. Επικοινώνησε τα αποτελέσματα xc,j(t+1) στους χρήστες .


jS

jx

cj S jS

jx

1, jS

j cx j S

cj S

ΣΣύγκλιση του ύγκλιση του • Λήμμα 1. Για μία οποιαδήποτε τιμή του μ, το συνολικό

άθροισμα των συναρτήσεων χρησιμότητας όλων των κυψελών, παρέχει ένα άνω όριο (upper bound - UB) της βέλτιστης τιμής της συνολικής χρησιμότητας του συστήματος, δηλαδή,

• Λήμμα 2. Για κάποια τιμή του μ, που ικανοποιείται ο περιορισμός (16) του GP, οι ανά κυψέλη βέλτιστες λύσεις των CLP αποτελούν μία βέλτιστη λύση για το GP. Συνεπώς, εάν το κάτω όριο (lower bound - LB) της συνολικής απόδοσης του συστήματος είναι,


*, ( ) ,( , ) ( , )S S

t t tw x w x

, ,( )j c j c jc C j J

U w x

, ( )

( , ) ( , )S

t t

x ww x


U w x

*

( , ) ( , )x w

w x


U w x

*( , ) ( , )x w

w x , ,( )j c j c j

c C j J

U w x

*,

( , ) ( , )S

t

x ww x

.

ΣΣύγκλιση του ύγκλιση του • Λήμμα 1. Για μία οποιαδήποτε τιμή του μ, το συνολικό

άθροισμα των συναρτήσεων χρησιμότητας όλων των κυψελών, παρέχει ένα άνω όριο (upper bound - UB) της βέλτιστης τιμής της συνολικής χρησιμότητας του συστήματος, δηλαδή,

• Λήμμα 2. Για κάποια τιμή του μ, που ικανοποιείται ο περιορισμός (16) του GP, οι ανά κυψέλη βέλτιστες λύσεις των CLP αποτελούν μία βέλτιστη λύση για το GP. Συνεπώς, εάν το κάτω όριο (lower bound - LB) της συνολικής απόδοσης του συστήματος είναι,


*, ( ) ,( , ) ( , )S S

t t tw x w x


U w x

, ( )

( , ) ( , )S

t t

x ww x


U w x

*

( , ) ( , )x w

w x


U w x

*( , ) ( , )x w

w x , ,( )j c j c j

c C j J

U w x

*,

( , ) ( , )S

t

x ww x

.

ΣΣύγκλιση του ύγκλιση του • Λήμμα 3. Η ακολουθία των πολλαπλασιαστών Lagrange

, όπως υπολογίζεται με χρήση υποβαθμίδων και σταθερού βήματος είναι, υπό τους περιορισμούς Slater (Slater’s Constraint Qualification), φραγμένη από:

όπου, και

• Λήμμα 4. Η ακολουθία των πολλαπλασιαστών Lagrange συγκλίνει στη βέλτιστη δυική λύση σε πεπερασμένο χρόνο όταν , ενώ ικανοποιούνται οι περιορισμοί κατά Slater.


*( )t

( )t

2max( ) 3

2j j c

Lt N N U L j J

( 1) j cL N N j J max maxmax jj J

U U

*22 ( 1)j cN N

( )t

( )q t

ΑΑριθμητικά Αποτελέσματαριθμητικά Αποτελέσματα• Περιβάλλον προσομοίωσης: MATLAB

• CDMA – WLAN

• OFDM – CDMA – WLAN

• Συνάρτηση Χρησιμότητας:

• ServA: (a,b,c)=(2, -1.8, 1) απόκρημνα αύξουσα

• ServB: (a,b,c)=(7, -0.5, 1) ομαλά αυξανόμενη

• Τυχαία κίνηση

• Συγκρινόμενες Μέθοδοιo Radio Signal Strength – RSSo Service Differentiation –SDiffo Maximum Utility – MAXU


( ) ( ( ) / )bj j jU w c aw b

CCDMA x9 – WLAN x36DMA x9 – WLAN x36


0 200 400 600 800 1000 1200 14000

200

400

600

800

1000

1200

1400Users' Service: 90% ServA - 10% ServB

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

Near BS SNR>-80dB

Random Far from BS -80<SNR<-100dB

Users' distribution

To

tal A

vera

ge

Sys

tem

Uti

lity

MMRA

RSS

Sdiff

MAXU

A

MMRA Opt. GAP: 3,53% 3,42% 3,43%

Users' Service: 50% ServA - 50% ServB

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

Near BS SNR>-80dB

Random Far from BS -80<SNR<-100dBUsers' distribution

To

tal A

vera

ge

Sys

tem

Uti

lity

MMRA

RSS

Sdiff

MAXU

B

MMRA Opt. GAP: 3,27% 3,22% 3,31%

Users' Service: 10% ServA - 90% ServB

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

Near BS SNR>-80dB

Random Far from BS -80<SNR<-100dBUsers' distribution

To

tal A

vera

ge

Sys

tem

Uti

lity

MMRA

RSS

Sdiff

MAXU

C

MMRA Opt. GAP: 3,22% 3,36% 3,19%

Αριθμός

Χρηστών

5

0

10

0

15

0

20

0

25

0300

Επαναλήψεις5

0

10

4

13

2

17

0

21

0230

OOFDM x1 – CDMA x3 – WLAN FDM x1 – CDMA x3 – WLAN

xx55


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

40 Users - Hotspot 100 Users - Grid 100 Users - Random

To

tal A

vera

ge

Sys

tem

Uti

lity

MMRA

RSS

Sdiff

MAXU

MMRA Opt. GAP: 1,22% 2,71% 1,17%

ΒΒέλτιστη Διαχείριση Πόρων έλτιστη Διαχείριση Πόρων και Περιοχής Κάλυψης σε και Περιοχής Κάλυψης σε Ενοποιημένα Κυψελωτά Ενοποιημένα Κυψελωτά Δίκτυα Δύο ΕπιπέδωνΔίκτυα Δύο Επιπέδων

Power Control and Coverage Management (PCC)


ΤΤο Γενικό Πρωτεύον ο Γενικό Πρωτεύον

ΠρόβλημαΠρόβλημα

• Δίκτυα φεμτοκυψελών (Femtocells)o Σταθμοί βάσης χαμηλής ισχύος και χαμηλού κόστουςo Τοποθετούνται από τους τελικούς καταναλωτές σε εσωτερικούς

χώρουςo Μοιράζονται το ίδιο φάσμα με τις μακροκυψέλεςo Κλειστή Πρόσβαση ( Closed Access)

• Ανάγκη εξεύρεσης μηχανισμών μετρίασης της διακυψελικής και ενδοκυψελικής παρεμβολής μεταξύ των φέμτο- και μακροκυψελών


max

,,

, ,max

,max

(GP) max ( ( ))

. .

c

j c jj JP P

c j cj S

Min Maxc c c

U P

s t P P c C

P P P c C

ΑΑρχιτεκτονικήρχιτεκτονική



συνεισφοράσυνεισφοράΆμεση Διαχείριση Κάλυψης

o η μέγιστη ισχύς εκπομπής της κάθε φεμτοκυψέλης ενσωματώνεται στο συνολικό πρόβλημα βελτιστοποίησης ισχύος.

Συνολική Βελτιστοποίηση του Δικτύουo Μετατροπή του μη-κυρτού προβλήματος σε κυρτό.o Επίλυση με χρήση τεχνικών κυρτής βελτιστοποίησης.

Κατανεμημένη Υλοποίηση & Σύγκλισηo Κατανεμημένο, χαμηλής πολυπλοκότητας αλγόριθμος

υποβαθμίδων (subgradient).o Χαμηλή σηματοδοσίαo Αποδεδειγμένη σύγκλιση στο βέλτιστο σημείο

λειτουργίας,


ΜΜετασχηματισμός του ετασχηματισμός του

προβλήματοςπροβλήματος• Αλλαγή μεταβλητών: • Το μετασχηματισμένο πρόβλημα είναι κυρτό

καθώς αποτελείται από συνθέσεις μη αρνητικών αθροισμάτων εκθετικών όρων, οι οποίοι είναι πάντα κυρτές συναρτήσεις.


max, , max

,

, ,max

,max

(CMP) max ( ( , ))

. . exp( ) 1

exp( ) 1

c

c

j c j c jc C j Sp p

c j cj S

Minc c

U p p

s t p p c C

P p c C

1,max ( ) exp( ) 1 Max

c cP p c C

,

,c ip

c iP e ,max

,maxcp

cP e , j J c C

ΜΜεθοδολογία Επίλυσηςεθοδολογία Επίλυσης• Εφαρμόζουμε Πρωτεύων – Δυική Αποσύνθεση


, ,

, ,max

(IPC ) max ( ( ))

. . exp( ) 1

cc

c

c j c j c jj Sp

c j cj S

U p

s t p p

max

*max

,max

(CM) max ( )

. . log( ) log( )

cc Cp

Min Maxc c c

U p

s t P p P c C

*,max ,max max

*, ,

,max ,max,max

( 1) ( ) ( ) ( ( ))

exp( )( 1) ( ) ( )

exp( )j

c c c

c j c jj S

c cc

p t p t a t p t

k k G pp t p t a t

p

ΑΑλγόριθμος λγόριθμος Power Coverage

Control


ΠΠαρατηρήσεις και Σχόλιααρατηρήσεις και Σχόλια Συγχρονισμός

o Η ύπαρξη του φθίνοντος βήματος a(t) απαιτεί συγχρονισμό μεταξύ των κυψελών

o το CDMA βασίζεται εκ φύσεως σε χρονοσχισμές και άρα ο συγχρονισμός είναι έμφυτος

o η μακροκυψέλη, ενεργώντας σαν υπερκείμενο δίκτυο, μπορεί να μεταδίδει τις απαιτούμενες τιμές στο κανάλι ευρεκπομπής, μια κοινή πρακτική στο 3GPP LTE.

Προστιθέμενη Σηματοδοσίαo |C|+1 πραγματικούς αριθμούς ανά επανάληψη (a(t) και )

Ταχύτητα Σύγκλισηςo Η σύγκλιση είναι εγγυημέννηo Ο χρόνος που απαιτείται δεν μπορεί να υπολογιστείo Tradeoff μεταξύ ακρίβειας και χρονικής πολυπλοκότηταςo Πειραματικά αποτελέσματα: 30 επαναλήψεις.


maxp

ΑΑριθμητικά Αποτελέσματαριθμητικά Αποτελέσματα

• Περιβάλλον προσομοίωσης: MATLAB

• 1 macro – 2 femto clusters (14 femtocells)

• 1 macro – 4 femto clusters (27 femtocells)

• Pmacro,max=10Watt σταθερή

• Pfemto,max=3Watt

• Συνάρτηση Χρησιμότητας:

• Βήμα:

• Μεταβαλλόμενος αριθμός χρηστών (20-90)

• Μεταβαλλόμενο FUP (Femtocell Users’ Percentage)


, ,( ( )) log( ( ))j c j c jU P P 1

( )a tt

ΤΤαχύτητα Σύγκλισηςαχύτητα Σύγκλισης


ΣΣυμπεράσματαυμπεράσματα Παρατήρηση 1

o Ένα πολύπλοκο ετερογενές ασύρματο σύστημα είναι πιθανόν να ανήκει σε διαφορετικούς, μη συνεργαζόμενους παρόχους.

o Είναι εμφανές λοιπόν, πως μόνο ο κινητός κόμβος έχει μια ολοκληρωμένη άποψη της τρέχουσας κατάστασής του, όπως και του περιβάλλοντος του, σχετικά με τα διαθέσιμα σημεία πρόσβασης στη γειτονιά του, τους αντίστοιχους διαθέσιμους πόρους αυτών καθώς και τον τρόπο με τον οποίο αυτοί κατανέμονται.

Προτεινόμενη Λύσηo Θεώρηση και αντιμετώπιση των συνολικών πόρων του δικτύου με ένα

κοινό τρόπο.o Αυτόνομης Διαχείρισης Κινητικότητας, Αυτόνομής Ενδοκυψελικής

Διαχείρισης Ασύρματων Πόρων και Αποδοτικής Αυτόνομης Διακυψελικής Διαχείρισης Πόρων



o Η βέλτιστη επίλυση του προβλήματος απαιτεί την ταυτόχρονη θεώρηση του συνολικού ασύρματου περιβάλλοντος ως ένα κοινό πρόβλημα βελτιστοποίησης

o Απαιτείται η ενιαία αντιμετώπιση των διαφορετικών τύπων δικτύων και των αντιστοιχών πόρων τους υπό ένα κοινό πλαίσιο βελτιστοποίησης.

Προτεινόμενη Λύσηo Μοντελοποιήσαμε ένα γενικό θεμελιώδες πρόβλημα βέλτιστης

διαχείρισης πόρων για ενοποιημένα ετερογενή συστήματα, το οποίο είναι αρκετά αφαιρετικό ώστε να μπορεί να υιοθετηθεί από πληθώρα περιπτώσεων ανεξαρτήτως τεχνολογίας πρόσβασης, αλλά και ταυτόχρονα πλήρες ώστε να περιλαμβάνει όλους τους πιθανούς περιορισμούς, φυσικούς ή μη, που θα χαρακτηρίζουν το εκάστοτε πρόβλημα.



o Περιορισμένη βιβλιογραφία στο NP-Δύσκολο πρόβλημα της εξεύρεσης ενός κατανεμημένου τρόπου βέλτιστης ανάθεσης χρηστών και πόρων σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα, παρουσία πολλαπλών τεχνολογιών πρόσβασης.

Προτεινόμενη Λύσηo Θεωρίας Lagrange και την Θεωρίας Μεγιστοποίησης Χρησιμότητας

Δικτύου τροποποιήσαμε κατάλληλα το πρόβλημαo Μεγιστοποιεί τη συνολική απόδοση του ενοποιημένου συστήματος

επιτυγχάνοντας παράλληλα αξιοσημείωτη απόδοση και επίδοση συγκρινόμενη με το αρχικό NP-Δύσκολο πρόβλημα.

o Χωρικά και λειτουργικά αποσυνδεδεμένη λύση, πλησιοβέλτιστης απόδοσης και αποδεδειγμένης σύγκλισης.



o Η ανάγκη διαρκούς κάλυψης, σε συνδυασμό με την απαίτηση υψηλών ρυθμών έχουν ευνοήσει τα τελευταία χρόνια την υιοθέτηση φεμτοκυψελών.

o Προβλήματα που σχετίζονται με τις διακυψελικές και ενδοκυψελικές παρεμβολές μεταξύ της ιδίας ή γειτνιαζόντων φεμτοκυψελών.

o Απαιτείται η ταυτόχρονη βέλτιστη διαχείριση ισχύος και περιοχής κάλυψης παρουσία παρεμβολών μεταξύ ίδιων και διαφορετικών επιπέδων σε ένα ασύρματο σύστημα CDMA δύο επιπέδων (macrocell/femtocell).

Προτεινόμενη λύσηo Κατανεμημένο μηχανισμό εξεύρεσης αφενός του βέλτιστου σημείου

λειτουργίας που μεγιστοποιεί την συνολική ρυθμαπόδοση του δικτύου, σε σχέση με την ανατιθέμενη ισχύς εκπομπής στους χρήστες, και αφετέρου της εκπεμπόμενης ισχύος των κυψελών (δηλαδή την περιοχή κάλυψης).

o Με τεχνικές διαστρωμάτωσης (cross layering) και αποσύνθεσης (decomposition καταλήξαμε σε μία βέλτιστη, κατανεμημένη υλοποίηση με αποδειγμένες ιδιότητες σύγκλισης.


ΑΑνοιχτά Ερευνητικά Θέματανοιχτά Ερευνητικά Θέματα Εύρεση Βέλτιστων Χωρητικοτήτων και Ανάθεσης

Χρηστών σε Διεπίπεδα Κυψελωτά Συστήματαo Θεωρήσαμε Κλειστή Πρόσβαση, που σημαίνει πως μόνον

αδειοδοτημένοι χρήστες μπορούν να επικοινωνήσουν και να συνδεθούν στη φεμτοκυψέλη τους.

o Εφαρμογή πολιτικών Υβριδικής ή Ανοιχτής Πρόσβασης.

Ικανοποίηση Ελαχίστων Απαιτήσεωνo Οι συνδεδεμένοι χρήστες εν τέλει θα πρέπει να λάβουν ένα ελάχιστο

ποσό πόρων, είτε αυτό μπορεί να εκφραστεί με τη μορφή ελάχιστης ανατιθέμενης ισχύ εκπομπής, είτε με τη μορφή ελάχιστης απόδοσης των συναρτήσεων χρησιμότητας κτλ.

Αντιμετώπιση του Θεμελιώδους προβλήματος


ΑΑνοιχτά Ερευνητικά Θέματανοιχτά Ερευνητικά Θέματα Παροχή Ποιότητας της Εμπειρίας σε Ετερογενή

Ασύρματα Δίκτυαo πραγματικές ανάγκες, απαιτήσεις και επιθυμίες ενός ανθρώπου δεν

εξαρτώνται μόνον από κοινές μετρήσιμες δικτυακές μετρικές, αλλά και από πληθώρα υποκειμενικών μετρικών, όπως η ψυχολογική διάθεση, ο περιβάλλων θόρυβος, το κοινωνικοπολιτικό επίπεδο, η μόρφωση, οι προσωπικές εμπειρίες, και η σημασία του περιεχομένου στο χρήστη.

o QoE: “Everything that really matters”

Ανοιχτά θέματαo Αποδοτική συσχέτιση ΠτΥ και ΠτΕo Δημιουργία μηχανισμών παροχής ΠτΕ σε ασύρματα ετερογενή

δίκτυαo Μελέτη των οικονομοτεχνικών επιπτώσεων της ΠτΕ στο

δίκτυο


ΔΔημοσιεύσειςημοσιεύσειςΆρθρα σε Επιστημονικά Περιοδικά (µε κρίση) •G. Aristomenopoulos, T. Kastrinogiannis and S. Papavassiliou, "Multi-Access Multi-Cell Distributed Resource Management Framework in Heterogeneous Wireless Networks", IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 61, issue 6, pp. 2636 - 2650, July 2012. •G. Aristomenopoulos, T. Kastrinogiannis, S. Lamprinakou and S. Papavassiliou, "Optimal Power Control and Coverage Management in Two-Tier Femtocell Networks", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Springer, doi: 10.1186/1687-1499-2012-329, Oct. 2012.•G. Aristomenopoulos, T. Kastrinogiannis, Z. Li and S. Papavassiliou, “An Autonomic QoS-centric Architecture for Integrated Heterogeneous Wireless Networks” Mobile Networks and Applications (MONET), Vol. 16, Number 4, 490-504, DOI: 10.1007/s11036-011-0319-1, Springer , February 2011. •L. Skorin-Kapov, K. Ivesic, G. Aristomenopoulos and S. Papavassiliou, "Approaches for Utility-Based QoE-Driven Optimization of Network Resource Allocation for Multimedia Services", to be published in "Data Traffic Monitoring and Analysis" book chapter, Computer Communications and Networks, Springer, 2013.

Δημοσιεύσεις σε Πρακτικά Διεθνών Επιστημονικών Συνεδρίων (µε κρίση)•G. Aristomenopoulos, S. Papavassiliou, G. Katsaros and P. Vlahopoulos, "User-centric Mobile Multimedia Service Delivery: From Theory to Experimentation to Prototyping", accepted to appear in IEEE INFOCOM 2013 (demo session), Turin, April 2013.•C. Stathopoulos, G. Aristomenopoulos and S. Papavassiliou, "Providing Throughput Guarantees in IEEE 802.11 Wireless Networks – An experimentally-driven Study", in Proc. of ADHOCNETS '12, Paris, France, October 2012.•G. Aristomenopoulos et al., "The QUEENS experiment through TEFIS platform", TRIDENTCOM 2012 (demo session), vol. 44, p.g. 394-396, Thessaloniki, 2012•G. Aristomenopoulos, T. Kastrinogiannis, V. Kaldanis, G. Karantonis and S. Papavassiliou, “A Novel Framework for Dynamic Utility-Based QoE Provisioning in Wireless Networks” in Proc. of IEEE GLOBECOM 2010.•G. Aristomenopoulos, T. Kastrinogiannis, Z. Li, M. Wilson, J. M. Gonzales, J. A. Lozano-Lopez, Y. Li, V. Kaldanis and S. Papavassiliou, “Autonomic Mobility and Resource Management Over an Integrated Wireless Environment - A GANA Oriented Architecture” in Proc. of IEEE MENS 2010.•V. Merekoulias, V. Pouli, Y. Rebahi, S. Becker, K. Cabaj, G. Aristomenopoulos and S. Papavassiliou, “A Trust Management Architecture for Autonomic Future Internet” in Proc. of IEEE MENS 2010.•G. Aristomenopoulos, T. Kastrinogiannis, and S. Papavassiliou, “A Unified Approach for Efficient Network Selection in Multi-Service Integrated CDMA/WLAN Systems,” in Proc. of 5th International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC 2009), June, 2009.•G. Aristomenopoulos, T. Kastrinogiannis, and S. Papavassiliou, “Efficient QoS-Driven Resource Allocation in Integrated CDMA/WLAN Networks - An Autonomic Architecture”, in Proc. of MOBILIGHT 2009, LNICST Springer, May 2009. 23/03/2013Γεώργιος Π. Αριστομενόπουλος 51

Phd presentation

Education

Transcript of Phd presentation