A NOVEL COHESIVE AND SERVICE DRIVEN METHODOLOGY FOR AUGMENTING THE VERTICAL HANDOVER PERFORMANCE IN HETEROGENEOUS WIRELESS NETWORKS

ABSTRACT Due to the mounting requirement for anytime, anywhere network services, we need to integrate diverse kinds of wireless networks. For assisting this integration, the mobile users should be allowed to freely move across networks Keywords: wireless networks, proxy mobile IPv6, mobility management, vertical handover, media independent localized routing. INTRODUCTION The evolution of wireless technologies has led to different groups of wireless cellular systems which can be referred as NGN (Next Generation Networks), e.g., 2G, 2.5G, 3G, etc

An enhanced-MDP based vertical handoff algorithm for QoS support over heterogeneous wireless networks

Vertical handoff plays an important role in guaranteeing users to be always connected in an overlapped multi-network environment. During the vertical handoff procedure, handoff decision is the most important step that affects the normal working of communication. An incorrect handoff decision or selection of a non-optimal network may result in undesirable effects such as higher costs, poor quality of service (QoS) experience, and even dropped communication. Among the existing vertical handoff decision algorithms, the Markov Decision Process (MDP) based algorithm by Stevens-Navarro et al. is promising due to its ability to achieve the optimal expected reward. However, the reward function used by this algorithm is flawed as it favors reducing expected number of vertical handoffs at the expense of diminished expected values of other QoS parameters. This paper presents an extended MDP based algorithm (EMDP) with novel reward function formulation. Analysis shows that EMDP outperforms the MDP based algorithm in terms of improved expected values of all QoS parameters considered while keeping the vertical handoff number reasonably low

Connectivity Management for HetNets based on the Principles of Autonomicity and Context-Awareness

Στο περιβάλλον του Διαδικτύου του Μέλλοντος, η Πέμπτη γενιά (5G) δικτύων έχει ήδη αρχίσει να καθιερώνεται. Τα δίκτυα 5G αξιοποιούν υψηλότερες συχνότητες παρέχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ενώ υποστηρίζουν εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα σε σταθμούς βάσης και κινητές συσκευές, σχηματίζοντας ένα περιβάλλον ετερογενών δικτύων, το οποίο στοχεύει στο να καλυφθούν οι απαιτήσεις της απόδοσης ως προς την μικρότερη δυνατή συνολική χρονοκαθυστέρηση και κατανάλωση ενέργειας. Η αποδοτική διαχείριση της συνδεσιμότητας σε ένα τόσο ετερογενές δικτυακό περιβάλλον αποτελεί ανοιχτό πρόβλημα, με σκοπό να υποστηρίζεται η κινητικότητα των χρηστών σε δίκτυα διαφορετικών τεχνολογιών και βαθμίδων, αντιμετωπίζοντας θέματα πολυπλοκότητας και διαλειτουργικότητας, υποστηρίζοντας τις απαιτήσεις των τρεχουσών εφαρμογών και των προτιμήσεων των χρηστών και διαχειρίζοντας ταυτόχρονα πολλαπλές δικτυακές διεπαφές. Η συλλογή, η μοντελοποίηση, η διεξαγωγή συμπερασμάτων και η κατανομή πληροφορίας περιεχομένου σε σχέση με δεδομένα αισθητήρων θα παίξουν κρίσιμο ρόλο σε αυτήν την πρόκληση. Με βάση τα παραπάνω, κρίνεται σκόπιμη η αξιοποίηση των αρχών της επίγνωσης περιεχομένου και της αυτονομικότητας, καθώς επιτρέπουν στις δικτυακές οντότητες να είναι ενήμερες του εαυτού τους και του περιβάλλοντός τους, καθώς και να αυτοδιαχειρίζονται τις λειτουργίες τους ώστε να πετυχαίνουν συγκεκριμένους στόχους. Επιπλέον, χρειάζεται ακριβής ποσοτική αξιολόγηση της απόδοσης λύσεων διαχείρισης της συνδεσιμότητας για ετερογενή δίκτυα, οι οποίες παρουσιάζουν διαφορετικές στρατηγικές επίγνωσης περιβάλλοντος, απαιτώντας μια μεθοδολογία που να είναι περιεκτική και γενικά εφαρμόσιμη ώστε να καλύπτει διαφορετικές προσεγγίσεις, καθώς οι υπάρχουσες μεθοδολογίες στην βιβλιογραφία είναι σχετικά περιορισμένες. Tο σύνολο της μελέτης επικεντρώνεται σε δύο θεματικούς άξονες. Στο πρώτο θεματικό μέρος της διατριβής, αναλύεται ο ρόλος της επίγνωσης περιβάλλοντος και της αυτονομικότητας, σε σχέση με την διαχείριση της συνδεσιμότητας, αναπτύσσοντας ένα πλαίσιο ταξινόμησης και κατηγοριοποίησης, επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Με βάση το προαναφερθέν πλαίσιο, ταξινομήθηκαν και αξιολογήθηκαν λύσεις για την υποστήριξη της κινητικότητας σε ετερογενή δίκτυα, οι οποίες δύνανται να θεωρηθούν ότι παρουσιάζουν επίγνωση περιβάλλοντος και αυτο-διαχειριστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, μελετήθηκε κατά πόσον οι αποφάσεις που λαμβάνονται ως προς την επιλογή του κατάλληλου δικτύου, σύμφωνα με την κάθε λύση, είναι αποτελεσματικές και προτάθηκαν τρόποι βελτιστοποίησης των υπαρχουσών αρχιτεκτονικών, καθώς και προτάσεων προς περαιτέρω ανάπτυξη σχετικών μελλοντικών λύσεων. Στο δεύτερο θεματικό μέρος της διατριβής, αναπτύχθηκε μια ευέλικτη αναλυτική μεθοδολογία, περιλαμβάνοντας όλους τους παράγοντες που μπορούν να συνεισφέρουν στην συνολική χρονοκαθυστέρηση, λαμβάνοντας υπόψιν την σηματοδοσία, την επεξεργαστική επιβάρυνση και την συμφόρηση (μελέτη ουράς), επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Η μεθοδολογία είναι περιεκτική, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει κλειστού τύπου λύσεις και έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται σε διαφορετικές προσεγγίσεις. Προς απόδειξη αυτού, εφαρμόσαμε την μεθοδολογία σε δύο λύσεις με διαφορετική στρατηγική επίγνωσης περιβάλλοντος (μια μεταδραστική και μια προδραστική). Και για τις δύο προσεγγίσεις, τα αναλυτικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια της αναλυτικής μεθοδολογίας. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η προδραστική προσέγγιση εμφανίζει καλύτερη απόδοση ως προς την συνολική χρονοκαθυστέρηση, ενώ χρειάζεται σημαντικά λιγότερους επεξεργαστικούς πόρους, παρουσιάζοντας πιθανά οφέλη και στην συνολική ενεργειακή κατανάλωση και στα λειτουργικά και κεφαλαιουχικά κόστη (OPEX και CAPEX)

Energy efficiency in wireless communication

This era would probably be recognized as the information age, hence as a paramount milestone in the progress of mankind, by the future historians. One of the most significant achievements of this age is, making it possible to transmit and receive information effectively and reliably via wireless radio technology. The demand of wireless communication is increasing in a never-resting pace, imposing bigger challenge not only on service providers but also on innovators and researches to innovate out-of-the-box technologies. These challenges include faster data communication over seamless, reliable and cost effective wireless networks, utilizing the limited physical radio resources as well as considering the environmental impact caused by the increasing energy consumption. The ever-expanding wireless communication infrastructure is withdrawing higher energy than ever, raising the need for finding more efficient systems. The challenge of developing efficient wireless systems can be addressed on several levels, starting from device electronics, up to the network-level architecture and protocols. The anticipated gains of achieving such efficiency is the key feature of extending mobile devices' battery life and reducing environmental and economic impacts of wireless communication infrastructure. Therefore energy efficient designs are urgently needed from both environmental and economic aspects of wireless networks. In this research, we explore the field of energy efficiency in MAC and Physical layers of wireless networks in order to enhance the performance and reliability of future wireless networks as well as to reduce its environmental footprint. In the first part of this research, we analyse the energy efficiency of two mostly used modulation techniques, namely MQAM and MFSK, for short range wireless transmissions, up to a few $100$s of meters, and propose optimum rate adaptation to minimize the energy dissipation during transmissions. Energy consumed for transmitting the data over a distance to maintain a prescribed error probability together with the circuit energy have been considered in our work. We provide novel results for optimal rate adaptation for improved energy efficiency. Our results indicate that the energy efficiency can be significantly improved by performing optimal rate adaptation given the radio and channel parameters, and furthermore we identify the maximum distance where optimal rate adaptation can be performed beyond which the optimum rate then becomes the same as the minimum data rate. In the second part of this research, we propose energy efficient algorithm for cellular base stations. In cellular networks, the base stations are the most energy consuming parts, which consume approximately $60-80\%$ of the total energy. Hence control and optimization of energy consumption at base stations should be at the heart of any green radio engineering scheme. Sleep mode implementation in base stations has proven to be a very good approach for the energy efficiency of cellular BSs. Therefore, we have proposed a novel strategy for improving energy efficiency on ternary state transceivers for cellular BSs. We consider transceivers that are capable of switching between sleep, stand-by and active modes whenever required. We have modelled these ternary state transceivers as a three-state Markov model and have presented an algorithm based on Markov model to intelligently switch among the states of the transceivers based on the offered traffic whilst maintaining a prescribed minimum rate per user. We consider a typical macro BS with state changeable transceivers and our results show that it is possible to improve the energy efficiency of the BS by approximately $40\%$ using the proposed MDP based algorithm. In the third part of this research, we propose energy efficient algorithm for aerial base stations. Recently aerial base stations are investigated to provide wireless coverage to terrestrial radio terminals. The advantages of using aerial platforms in providing wireless coverage are many including larger coverage in remote areas, better line-of-sight conditions etc. Energy is a scarce resource for aerial base stations, hence the wise management of energy is quite beneficial for the aerial network. In this context, we study the means of reducing the total energy consumption by designing and implementing an energy efficient aerial base station. Sleep mode implementation in base stations (BSs) has proven to be a very good approach for improving the energy efficiency; therefore we propose a novel strategy for further improving energy efficiency by considering ternary state transceivers of aerial base stations. Using the three state model we propose a Markovian Decision process (MDP) based algorithm to switch between the states for improving the energy efficiency of the aerial base station. The MDP based approach intelligently switches between the states of the transceivers based on the offered traffic whilst maintaining a prescribed minimum channel rate per user. Our simulation results show that there is a around $40\%$ gain in the energy efficiency when using our proposed MDP algorithm together with the three-state transceiver model for the base station compared to the always active mode. We have also shown the energy-delay trade-off in order to design an efficient aerial base station. In the final part of our work, we propose a novel energy efficient handover algorithm, based on Markov decision process (MDP) for the two-tier LTE network, towards reducing power transmissions at the mobile terminal side. The proposed policy is LTE backward-compatible, as it can be employed by suitably adapting a prescribed SNR target and standard LTE measurements. Simulation results reveal that compared to the widely adopted policy based on strongest cell and another energy efficient policy, our proposed policy can greatly reduce the power consumption at the LTE mobile terminals. Most of our works presented in this dissertation has been published in conference proceeding and some of them are currently undergoing a review process for journals. These publications will be highlighted and identified at the end of the first chapter of this dissertation