Wireless Mesh Networks Based on MBPSO Algorithm to Improvement Throughput

Wireless Mesh Networks can be regarded as a type of communication technology in mesh topology in which wireless nodes interconnect with one another. Wireless Mesh Networks depending on the semi-static configuration in different paths among nodes such as PDR, E2E delay and throughput. This study summarized different types of previous heuristic algorithms in order to adapt with proper algorithm that could solve the issue. Therefore, the main objective of this study is to determine the proper methods, approaches or algorithms that should be adapted to improve the throughput. A Modified Binary Particle Swarm Optimization (MBPSO) approach was adapted to improvements the throughput. Finally, the finding shows that throughput increased by 5.79% from the previous study

Clustering algorithm for D2D communication in next generation cellular networks : thesis presented in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Engineering, Massey University, Auckland, New Zealand

Next generation cellular networks will support many complex services for smartphones, vehicles, and other devices. To accommodate such services, cellular networks need to go beyond the capabilities of their previous generations. Device-to-Device communication (D2D) is a key technology that can help fulfil some of the requirements of future networks. The telecommunication industry expects a significant increase in the density of mobile devices which puts more pressure on centralized schemes and poses risk in terms of outages, poor spectral efficiencies, and low data rates. Recent studies have shown that a large part of the cellular traffic pertains to sharing popular contents. This highlights the need for decentralized and distributive approaches to managing multimedia traffic. Content-sharing via D2D clustered networks has emerged as a popular approach for alleviating the burden on the cellular network. Different studies have established that D2D communication in clusters can improve spectral and energy efficiency, achieve low latency while increasing the capacity of the network. To achieve effective content-sharing among users, appropriate clustering strategies are required. Therefore, the aim is to design and compare clustering approaches for D2D communication targeting content-sharing applications. Currently, most of researched and implemented clustering schemes are centralized or predominantly dependent on Evolved Node B (eNB). This thesis proposes a distributed architecture that supports clustering approaches to incorporate multimedia traffic. A content-sharing network is presented where some D2D User Equipment (DUE) function as content distributors for nearby devices. Two promising techniques are utilized, namely, Content-Centric Networking and Network Virtualization, to propose a distributed architecture, that supports efficient content delivery. We propose to use clustering at the user level for content-distribution. A weighted multi-factor clustering algorithm is proposed for grouping the DUEs sharing a common interest. Various performance parameters such as energy consumption, area spectral efficiency, and throughput have been considered for evaluating the proposed algorithm. The effect of number of clusters on the performance parameters is also discussed. The proposed algorithm has been further modified to allow for a trade-off between fairness and other performance parameters. A comprehensive simulation study is presented that demonstrates that the proposed clustering algorithm is more flexible and outperforms several well-known and state-of-the-art algorithms. The clustering process is subsequently evaluated from an individual user’s perspective for further performance improvement. We believe that some users, sharing common interests, are better off with the eNB rather than being in the clusters. We utilize machine learning algorithms namely, Deep Neural Network, Random Forest, and Support Vector Machine, to identify the users that are better served by the eNB and form clusters for the rest of the users. This proposed user segregation scheme can be used in conjunction with most clustering algorithms including the proposed multi-factor scheme. A comprehensive simulation study demonstrates that with such novel user segregation, the performance of individual users, as well as the whole network, can be significantly improved for throughput, energy consumption, and fairness

AI-based resource management in future mobile networks

Η υποστίριξη και ενίσχυση των δίκτυων 5ης γενιάς και πέρα από αλγόριθμους Τεχνητής Νοημοσύνης για την επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης δικτύου, μελετάται πρόσφατα προκειμένου η νέα γενιά των δικτύων να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας σχετικά με την κάλυψη, τη χωρητικότητα των χρηστών και το κόστος εγκατάστασης. Μία από τις βασικές ανάγκες είναι η βελτιστοποίηση στην διαδικασία της εγκατάστασης σταθμών βάσης δικτύου. Σε αυτή την εργασία προτείνεται μια μετα-ευριστική μέθοδος, με όνομα «Γενετικός Αλγόριθμός» (Genetic Algorithm) για την επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς ζήτησης. Ο κύριος στόχος είναι η παρουσίαση της εναλλακτικής αυτής λύσης, η οποία είναι η χρήση του Γενετικού Αλγόριθμου, για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας εγκατάστασης των σταθμών βάσης του δικτύου. Με την χρήση του αλγορίθμου για την εγκατάσταση σταθμών βάσης παρέχονται οι ίδιες υπηρεσίες με πριν και ελαχιστοποιείται την κατανάλωση ενέργειας της υποδομής του δικτύου, λαμβάνοντας υπόψιν ομοιογενή και ετερογενή σενάρια σταθμών βάσης. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε γλώσσα προγραμματισμού Python και τα καλύτερα αποτελέσματα εγκατάστασης παρουσιάστηκαν και αποθηκεύτηκαν. Έγινε σύγκριση της εγκατάστασης αποκλειστικά μακρο-σταθμών βάσης με μικρότερου μεγέθους (σε κάλυψη) σταθμών βάσης πάνω από την υπάρχουσα. Με την χρήση των μικρότερων σταθμών βάσης, η εγκατάσταση του δικτύου θα επιτρέψει βελτιώσεις στην κάλυψη των χρηστών και θα μειώσει το κόστος, την κατανάλωση ενέργειας και τις παρεμβολές μεταξύ των κυψελών. Όλα τα σενάρια μελετήθηκαν σε 3 περιοχές με διαφορετική πυκνότητα χρηστών (A, B και C). Ως προς την ικανοποίηση των απαιτήσεων αναφορικά με την ποιότητα υπηρεσιών και των κινητών συσκευών, η ανάπτυξη μικρών σταθμών βάσης είναι επωφελής, συγκεκριμένα σε περιοχές hotspot.The 5G and beyond networks supported by Artificial Intelligence algorithms in solving network optimization problems are recently studied to meet the quality-of-service requirements regarding coverage, capacity, and cost. One of the essential necessities is the optimized deployment of network base stations. This work proposes the meta-heuristic algorithm Genetic Algorithm to solve optimization problems considering the demand constraints. The main goal is present the alternative solution, which is using the Genetic Algorithm to optimize BSs network deployment. This deployment provides the same services as existing deployments and minimizes the network infrastructure's energy consumption, including using homogenous and heterogenous scenarios of base stations. The simulations were performed in Python programming language, and the results as the best plans for each generation were presented and saved. A comparison of the macro base station deployment and small base station deployment was made on top of the existing one. By applying the small base stations, the network deployment will enable user coverage enhancements and reduce the deployment cost, energy consumption, and inter-cell interference. All the scenarios were assembled in user density area A, user density area B, and user density area C areas of interest. In meeting the requirements for QoS and UE, the small base station deployment is beneficial, namely in hotspot areas

Energy Efficient Cloud Computing Based Radio Access Networks in 5G. Design and evaluation of an energy aware 5G cloud radio access networks framework using base station sleeping, cloud computing based workload consolidation and mobile edge computing

Fifth Generation (5G) cellular networks will experience a thousand-fold increase in data traffic with over 100 billion connected devices by 2020. In order to support this skyrocketing traffic demand, smaller base stations (BSs) are deployed to increase capacity. However, more BSs increase energy consumption which contributes to operational expenditure (OPEX) and CO2 emissions. Also, an introduction of a plethora of 5G applications running in the mobile devices cause a significant amount of energy consumption in the mobile devices. This thesis presents a novel framework for energy efficiency in 5G cloud radio access networks (C-RAN) by leveraging cloud computing technology. Energy efficiency is achieved in three ways; (i) at the radio side of H-C-RAN (Heterogeneous C-RAN), a dynamic BS switching off algorithm is proposed to minimise energy consumption while maintaining Quality of Service (QoS), (ii) in the BS cloud, baseband workload consolidation schemes are proposed based on simulated annealing and genetic algorithms to minimise energy consumption in the cloud, where also advanced fuzzy based admission control with pre-emption is implemented to improve QoS and resource utilisation (iii) at the mobile device side, Mobile Edge Computing (MEC) is used where computer intensive tasks from the mobile device are executed in the MEC server in the cloud. The simulation results show that the proposed framework effectively reduced energy consumption by up to 48% within RAN and 57% in the mobile devices, and improved network energy efficiency by a factor of 10, network throughput by a factor of 2.7 and resource utilisation by 54% while maintaining QoS

Context awareness and related challenges: A comprehensive evaluation study for a context-based RAT selection scheme towards 5G networks

Ο αποτελεσματικός σχεδιασμός των δικτύων είναι απαραίτητος για να αντιμετωπιστεί ο αυξανόμενος αριθμός των συνδρομητών κινητού διαδικτύου και των απαιτητικών υπηρεσιών δεδομένων, που ανταγωνίζονται για περιορισμένους ασύρματους πόρους. Επιπλέον, οι βασικές προκλήσεις για τα συνεχώς αναπτυσσόμενα δίκτυα LTE είναι η αύξηση των δυνατοτήτων των υφιστάμενων μηχανισμών, η μείωση της υπερβολικής σηματοδότησης (signaling) και η αξιοποίηση ενός αποτελεσματικού μηχανισμού επιλογής τεχνολογίας ασύρματης πρόσβασης (RAT). Υπάρχουν ποικίλες προτάσεις στην βιβλιογραφία σχετικά με αυτές τις προκλήσεις, μερικές από τις οποίες παρουσιάζονται εδώ. Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι να ερευνήσει τις τρέχουσες εξελίξεις στα δίκτυα LTE σχετικά με την ενσωμάτωση EPC και WiFi και την επίγνωση πλαισίου (context awareness) στην διαχείριση κινητικότητας, και να προτείνει τον αλγόριθμο COmpAsS, έναν μηχανισμό που χρησιμοποιεί ασαφή λογική (fuzzy logic) για να επιλέξει την πιο κατάλληλη τεχνολογία ασύρματης πρόσβασης για τα κινητά. Επιπλέον, έχουμε ποσοτικοποιήσει το κόστος σηματοδότησης του προτεινόμενου μηχανισμού σε σύνδεση με τις σημερινές προδιαγραφές του 3GPP και εκτελέσαμε μια ολοκληρωμένη ανάλυση. Τέλος, αξιολογήσαμε τον αλγόριθμο μέσω εκτεταμένων προσομοιώσεων σε ένα πολύπλοκο και ρεαλιστικό σενάριο χρήσης 5G, που απεικονίζονται τα σαφή πλεονεκτήματα της προσέγγισής μας όσον αφορά τη συχνότητα μεταπομπών (handover) και τις μετρήσεις βασικών QoS τιμών, όπως ρυθμός μετάδοσης και καθυστέρηση.Effective network planning is essential to cope with the increasing number of mobile internet subscribers and bandwidth-intensive services competing for limited wireless resources. Additionally, key challenges for the constantly growing LTE networks is increasing capabilities of current mechanisms, reduction of signaling overhead and the utilization of an effective Radio Access Technology (RAT) selection scheme. There have been various proposals in literature regarding these challenges, some of which are discussed here. The purpose of this work is to research the current advances in LTE networks regarding EPC - WiFi integration and context awareness in mobility management, and propose the COmpAsS algorithm, a mechanism using fuzzy logic to select the most suitable Radio Access Technology. Furthermore, we quantify the signaling overhead of the proposed mechanism by linking it to the current 3GPP specifications and performing a comprehensive analysis. Finally, we evaluate the novel scheme via extensive simulations in a complex and realistic 5G use case, illustrating the clear advantages of our approach in terms of handover frequency and key QoS metrics, i.e. the user-experienced throughput and delay

Context-based Resource Management and Slicing for SDN-enabled 5G Smart, Connected Environments

Τα συστήματα κινητής επικοινωνίας πέμπτης γενιάς (5G) τα οποία αναμένονται τα αμέσως επόμενα χρόνια, θα αντιμετωπίσουν πρωτοφανείς απαιτήσεις όσον αφορά τον όγκο και το ρυθμό μεταδόσης δεδομένων, τις καθυστερήσεις του δικτύου, καθώς και τον αριθμό των συνδεδεμένων συσκευών. Τα μελλοντικά δικτυακά οικοσυστήματα θα περιλαμβάνουν μια πληθώρα τεχνολογιών ασύρματης επικοινωνίας (είτε τεχνολογιών 3GPP, είτε μη-3GPP) όπως το Wi-Fi, το 3G, το 4G ή LTE, το Bluetooth, κτλ. Τα σενάρια ανάπτυξης του 5G προβλέπουν έναν πολυεπίπεδο συνδυασμό μακρο- και μικρο-κυψελών, όπου πολυλειτουργικές συσκευές –οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν ποικιλία διαφορετικών εφαρμογών και υπηρεσιών- εξυπηρετούνται από διαφορετικές τεχνολογίες. Οι περιορισμοί που υπήρξαν στα παλιότερα συστήματα κινητών επικοινωνιών πρέπει να εξαλειφθούν, ανοίγοντας το δρόμο για ένα νέο κύμα υπηρεσιών και συνολική εμπειρία χρήστη. Ως εκ τούτου, η διαχείριση των ασύρματων πόρων μέσω της χαρτογράφησης και διανομής τους στις κινητές συσκευές, μέσω της πλέον κατάλληλης τεχνολογίας πρόσβασης, η οποία εξυπηρετεί τις ανάγκες των συγκεκριμένων υπηρεσιών/εφαρμογών αποκτά πρωταρχική σημασία. Οι κύριοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων δικτύου πρόσβασης δηλαδή η επιλογή κυψέλης (cell selection/reselection), η παράδοση υπηρεσίας από τη μία κυψέλη στην άλλη (handover), καθώς και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών (call/service admission control), είναι αυτοί που τελικώς θα μπορέσουν να προσφέρουν στους χρήστες εξαιρετικά υψηλή ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service - QoS) και εμπειρίας (Quality of Experience - QoE) προς τις πολύ απαιτητικές περιπτώσεις χρήσης του 5G. Αυτό θα γίνει εφικτό μέσω της βελτιστοποίησης του συσχετισμού-χαρτογράφησης μεταξύ των διαφορετικών (τελικών) κινητών συσκευών και των συνυπαρχόντων ασύρματων δικτύων πρόσβασης. Επιπλέον της οπτικής του χρήστη, οι Πάροχοι Δικτύων Κινητής θα είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν τη μέγιστη αποδοτικότητα και χρήση των –ήδη δυσεύρετων- ασύρματων πόρων. Ευφυείς βελτιστοποιήσεις και αποδοτικές λύσεις όσον αφορά το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας πρέπει επίσης να εισαχθούν στα δίκτυα 5ης γενιάς με σκοπό να προάγουν ένα συνεκτικό, στοχευμένο στο χρήστη και πολυδιάστατο οικοσύστημα πληροφοριών. Η παρούσα διατριβή αυτή εστιάζει στη Διαχείριση Ασύρματων Δικτυακών Πόρων (ΔΑΔΠ - RRM) από την οπτική των κύριων διαδικασιών που σχετίζονται με την επιλογή ασύρματης τεχνολογίας πρόσβασης και στρώματος κυψέλης (μικρο-, μάκρο κυψέλη, κτλ.), δηλαδή η επιλογή κυψέλης, η παράδοση υπηρεσίας και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών. Έπειτα, η διατριβή προχωρά ένα βήμα παραπέρα, με σκοπό να συνδέσει τη ΔΑΔΠ με μία από τις πιο πρόσφατες προσεγγίσεις διαχείρισης δικτυακών πόρων, δηλαδή τον «τεμαχισμό δικτύου» (network slicing), όπως αυτή εισάγεται σε περιβάλλοντα που χρησιμοποιούν τη μέθοδος της Δικτύωσης Βασισμένης στο Λογισμικό (Software Defined Networking), η οποία δημιουργεί μικρότερα, εικονικά τμήματα του δικτύου, προσαρμοσμένα και βελτιστοποιημένα για συκεκριμένες υπηρεσίες και αντίστοιχες απαιτήσεις. Σαν πρώτο βήμα, πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση για τις υπάρχουσες λύσεις – όπως αυτές προδιαγράφονται στα πρότυπα της 3GPP, στη βιβλιογραφία, καθώς και τις σχετικές πατέντες-. Η διατριβή αυτή αρχικά εντοπίζει τους δεσμούς μεταξύ των προσπαθειών της ερευνητικής κοινότητας, των υλοποιήσεων της βιομηχανίας, καθώς και των δράσεων προτυποποίησης, σε μια προσπάθεια να επισημανθούν ρεαλιστικές λύσεις εφαρμογής, να προσδιοριστούν οι κύριοι στόχοι, τα πλεονεκτήματα, αλλά και οι ελλείψεις αυτών των προσπαθειών. Όπως θα δειχθεί, οι υπάρχουσες λύσεις προσπαθούν να εξισορροπήσουν σε ένα σημείο μεταξύ της βέλτιστης λύσης και μιας απλής υλοποίησης. Έτσι, οι λύσεις που έχουν προταθεί είτε είναι απλοποιημένες σε τέτοιο βαθμό που απομακρύνονται από μια ρεαλιστική πρόταση, και επιτυγχάνουν υπο-βέλτιστες λύσεις ή από την άλλη παρέχουν πολύ σημαντικές βελτιώσεις, αλλά η πολυπλοκότητά τους και η επιβάρυνση που επιβάλλουν στο δίκτυο (όσον αφορά για παράδειγμα κόστος σηματοδοσίας, ή επεξεργαστικής ισχύος) τις καθιστούν ελκυστικές για μια πραγματική ανάπτυξη. Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή εισαγωγή ένα σύνολο μηχανισμών επίγνωσης πλαισίου για τη διαχείριση δικτυακών πόρων, που αποτελείται από τρεις επιμέρους μηχανισμούς με διακριτό ρόλο: Δύο από τους μηχανισμούς χρησιμοποιούν πληροφορία πλαισίου με σκοπό τη βελτίωση τη διαχείριση πόρων και και τη χαρτογράφηση μεταξύ ροών δεδομένων κινητών συσκευών και κυψέλης/τεχνολογίας δικτύου. Ο τρίτος μηχανισμός δρα με έναν ενισχυτικό ρόλο στους δύο προηγούμενους, μέσω μιας προ-επεξεργασίας που πραγματοποιεί πάνω σε πληροφορία πλαισίου, με σκοπό τον περιορισμό του κόστους της επιπλέον σηματοδοσίας που απαιτείται για την μεταφορά της πληροφορίας πλαισίου μεταξύ των διαφόρων ενδιαφερόμενων δικτυακών οντοτήτων. Εκτός από τους τρεις μηχανισμούς αυτούς, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μελέτες σε σχέση με αρχιτεκτονικά ζητήματα και πτυχές, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και χαρτογράφηση των προτεινόμενων μηχανισμών στα συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G -όπως αυτά εισήχθησαν στα τελευταίο κείμενα προτυποποίησης της 3GPP-. Η πρώτη κύρια συμβολή της παρούσας διατριβής είναι το COmpAsS, ένας μηχανισμός επιλογής Τεχνολογίας Ασύρματης Πρόσβασης πολλαπλών κριτηρίων, με γνώμονα το περιβάλλον, το κύριο μέρος του οποίου λειτουργεί στην πλευρά του Εξοπλισμού Χρήστη (UE), ελαχιστοποιώντας με αυτό τον τρόπο τις επιβαρύνσεις σηματοδότησης στη διεπαφή αέρα και το φορτίο υπολογισμού στους σταθμούς βάσης. Ο μηχανισμός COmpAsS εκτελεί παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, υιοθετώντας την Ασαφή Λογική (Fuzzy Logic -FL) ως μία από τις βασικές προσεγγίσεις αντίληψης και ανάλυσης της κατάστασης του δικτύου. Σε συνδυασμό με ένα σύνολο προκαθορισμένων κανόνων, υπολογίζει μια λίστα με τις καταλληλότερες διαθέσιμες επιλογές πρόσβασης δικτύου, για κάθε μία από τις ροές δεδομένων/υπηρεσίας που είναι ενεργές εκείνη τη στιγμή. Τα πλεονεκτήματα του COmpAsS παρουσιάζονται μέσω μιας εκτεταμένης σειράς σεναρίων προσομοίωσης, ως μέρος των περιπτώσεων χρήσης εξαιρετικά πυκνών δικτύων (UDN) 5G. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν τον τρόπο με τον οποίο ο προτεινόμενος μηχανισμός βελτιστοποιεί τους βασικούς δείκτες επιδόσεων (Key Performance Indicators - KPIs), όταν αντιπαρατίθεται σε έναν από τους καθιερωμένους LTE αλγορίθμους. Η δεύτερη σημαντική συμβολή της παρούσας διατριβής είναι η Μηχανή Εξόρυξης Πλαισίου και Δημιουργίας Προφίλ (Context Extraction and Profiling Engine – CEPE), ένας μηχανισμός διαχείρισης πόρων, ο οποίος αναλύει συμπεριφορικά πρότυπα των χρηστών/κινητών συσκευών, εξάγει ουσιώδη γνώση και δημιουργεί αντίστοιχα προφίλ/πρότυπα συμπεριφοράς, με σκοπό να τα χρησιμοποιήσει για βέλτιστο προγραμματισμό πόρων, καθώς επίσης και για την μελλοντική πρόβλεψη απαιτήσεων πόρων. Το CEPE συλλέγει πληροφορίες σχετικά με τους χρήστες, τις υπηρεσίες, τις κινητές συσκευές, καθώς και τις συνθήκες δικτύου, και μέσω επεξεργασίας -χωρίς σύνδεση, ετεροχρονισμένα- αποκτά ένα μοντέλο γνώσης, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση των κύριων μηχανισμών ΔΑΔΠ (RRM). Το προαναφερθέν μοντέλο γνώσης μεταφράζεται έπειτα σε προφίλ χρηστών/κινητών συσκευών, τα οποία εφαρμόζονται ως είσοδος κατά τις διαδικασίες ΔΑΔΠ. Η βιωσιμότητα και η εγκυρότητα του CEPE επιδεικνύεται μέσω εκτεταμένων σεναρίων προσομοίωσης. Η τρίτη σημαντική συμβολή είναι το CIP (Context Information Preprocessor), ένας μηχανισμός προεπεξεργασίας πληροφοριών πλαισίου, με στόχο τον εντοπισμό και την απόρριψη περιττών δεδομένων κατά τη σηματοδοσία πριν από την εξαγωγή της γνώσης. Το CIP θα μπορούσε να θεωρηθεί ως αναπόσπαστο μέρος των προαναφερθέντων σχημάτων σχεδίασης, δηλαδή των COmpAsS και CEPE. Ο προτεινόμενος μηχανισμός περιλαμβάνει τη συγκέντρωση και συμπίεση πληροφοριών πλαισίου σχετικά με το δίκτυο ανά μοναδικό αναγνωριστικό κινητής συσκευής/χρήστη, -όπως η διεθνής ταυτότητα συνδρομητή κινητού (IMSI)-, καθώς και τεχνικές που σχετίζονται με την αναγνώριση και την απόρριψη δεδομένων πλαισίου που δε συμβάλλουν στην βελτίωση ή διόρθωση του πρόφιλ χρήστη, πριν από οποιαδήποτε μετάδοση προς το CEPE (ή άλλο μηχανισμό ΔΑΔΠ). Οι βελτιώσεις και τα κέρδη του CIP στη διαδικασία της σηματοδοσίας απεικονίζονται μέσω λεπτομερούς αναλυτικής προσέγγισης, η οποία καθορίζεται από τις καθιερωμένες απαιτήσεις περί χρήσης 5G. Ως τελική σημαντική συμβολή αυτής της διατριβής, διεξάγεται μια εκτεταμένη ανάλυση όσον αφορά τη διασύνδεση των CEPE-COmpAsS, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και της χαρτογράφησης αυτών με τα τελευταία συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G –όπως αυτά παρουσιάστηκαν στις τελευταίες δημοσιεύσεις προτυποποίησης της 3GPP -. Το έργο σε αυτή την ενότητα δείχνει πώς μπορεί να παρουσιαστεί το προτεινόμενο πλαίσιο ως μέρος των συνιστωσών του δικτύου 5G και των λειτουργιών που εισάγονται σε περιβάλλοντα με δυνατότητα SDN, όπως η προσέγγιση του «Τεμαχισμού Δικτύου», ο Μηχανισμός Ανάλυσης Δικτυακών Δεδομένων (Network Data Analytics Function – NWDAF), η λειτουργία επιλογής βέλτιστου τεμαχίου δικτύου (Network Slice Selection Function) - προς περαιτέρω βελτιστοποίηση της διανομής και της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων δικτύου μεταξύ των συσκευών-, καθώς και το ATSSS – Access Traffic Steering, Switching and Splitting, μια οντότητα υπεύθυνη για τη διαχείριση των ροών δεδομένων των UE –με δυνατότητες επαναδρομολόγησης, διαχωρισμού και σύνδεσης της κάθε ροής με την αντίστοιχη βέλτιστη, διαθέσιμη τεχνολογία πρόσβασης. Δύο συμπληρωματικές μελέτες περιλαμβάνονται –τέλος- σε αυτή τη διατριβή: μια αρχική ανάλυση των πολιτικών μηχανικής κυκλοφορίας (Traffic Engineering) που βασίζονται σε προφίλ χρηστών που προκύπτουν από το CEPE, καθώς και μία περίπτωση χρήσης 5G που σχετίζεται με τον τομέα του Διαδικτύου των Πραγμάτων - και πιο συγκεκριμένα την «Καλλιέργεια Ακριβείας» (Precision Farming), με σκοπό να δοθεί έμφαση σε ρητές απαιτήσεις των περιπτώσεων χρήσης 5G, όπως η επικοινωνία τύπου μηχανής κρίσιμης σημασίας (Mission-Critical Machine Type Communication).The fifth-generation (5G) mobile communication systems, which are expected to emerge in the forthcoming years, will address unprecedented demands in terms of system capacity, service latency and number of connected devices. Future 5G network ecosystems will comprise a plethora of 3GPP and non-3GGP Radio Access Technologies (RATs), such as Wi-Fi, 3G, 4G or LTE, Bluetooth, etc. Deployment scenarios envision a multi-layer combination of macro, micro and femto cells where multi-mode end devices, supporting diverse applications, are served by different technologies. Limitations previously posed by legacy generation systems need to be eliminated, paving the way to a new wave of services and overall experience for the user. As a result, the management of radio resources via mapping the end devices to the most appropriate access network becomes of paramount importance; the primary Radio Resource Management (RRM) mechanisms, i.e. cell selection/reselection, handover and call admission control will be able to offer extremely high Quality of Service (QoS) and Experience (QoE) to the users, towards the very demanding 5G use case requirements; this will be realised via an optimal association between the diverse end devices and the coexisting available access networks. Besides the user’s perspective, the Mobile Network Operators (MNOs) will be able to take advantage of the maximum efficiency and utilization over the –already scarce- wireless resources. Intelligent optimizations, as well as cost and energy efficient solutions need to be introduced in 5G networks in order to promote a consistent, user-centred and all-dimensional information ecosystem. This thesis focuses on the radio resource management (RRM) from the perspective of the primary RAT and cell layer selection processes (i.e., cell (re)selection, handover, admission control); afterwards, it goes one step beyond, in order to link the RRM with one of the latest RRM optimization approaches, i.e. the Network Slicing, as introduced in Software Defined Networking (SDN)-enabled environments, which creates smaller, virtual “portions” of the network, adapted and optimized for specific services/requirements. As a first step, a comprehensive analysis for the existing solutions -as these are specified in 3GPP standards, research papers, and patents has taken place. This thesis initially identifies the links between the research community efforts, the industry implementations, as well as the standardization efforts, in an attempt to highlight realistic solution implementations, identify the main goals, advantages and shortcomings of these efforts. As will be shown, existing solutions attempt to balance between implementation simplicity and solution optimality. Thus, solutions are either simple to implement but achieve sub-optimal solutions or provide significant improvements but their complexity and the burden placed on the network components renders them unattractive for a real-life deployment. Towards this end, this thesis introduces a context-based radio resource management (RRM) framework, comprised of three distinct mechanisms: Two out of the three mechanisms exploit contextual information with the aim of optimising the resource management and UE-RAT mapping, while the third mechanism acts with an augmenting role to the former two, by pre-processing the contextual information required by such, context-based mechanisms and –thus- by limiting the signalling cost required for communicating this contextual information among network entities. In addition to the three mechanisms, comprehensive analysis has taken place in relation to architectural aspects, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The first major contribution of this thesis is COmpAsS, a context-aware, multi-criteria RAT selection mechanism, the main part of which operates on the User Equipment (UE) side, minimizing signalling overhead over the air interface and computation load on the base stations. COmpAsS mechanism performs real-time monitoring and adopts Fuzzy Logic (FL) as one the core logic modules, responsible for the perception of the network situation and, in combination with a set of pre-defined rules, calculates a list of the most suitable available access network options. The merits of COmpAsS are showcased via an extensive series of simulation scenarios, as part of 5G ultra dense networks (UDN) use cases. The results prove how the proposed mechanism optimises Key Performance Indicators (KPIs), when juxtaposed to a well-established LTE handover algorithm. The second major contribution of the current thesis the Context Extraction and Profiling Engine (CEPE), a resource management framework, which analyzes user behavioral patterns, extracts meaningful knowledge and performs user profiling in order to apply it for optimal resource planning, as well as prediction of resource requirements. CEPE collects information about users, services, terminals and network conditions and –based on offline processing– derives a knowledge model, which is subsequently used for the optimization of the primary RRM mechanisms. Then, the extracted context information is translated into user profiles and is finally applied as input for enhanced cell (re)selection, handover or admission control. The viability and validity of CEPE is demonstrated via an extensive set of simulation scenarios. The third major contribution is CIP, a Context Information Pre-processing scheme, aiming to identify and discard redundant or unnecessary data during network signalling and before knowledge extraction. CIP could be considered as an integral part of the afore described profiling schemes, i.e. COmpAsS and CEPE. The module comprises aggregating and compressing mobile network-related context information per unique identifier, such as the end device’s International Mobile Subscriber Identity (IMSI), as well as techniques related to identifying and discarding user profile-redundant or unnecessary context data, before any transmission to CEPE. CIP gains are illustrated via a detailed analytical approach, guided by well-established 5G use case requirements. As a final major contribution of this thesis, a comprehensive analysis takes place with regard to the CEPE-COmpAsS interworking, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The work in this section shows how the proposed framework can be instantiated as part of the 5G network components and functions introduced in SDN-enabled environments, such as the Network Slicing approach, the Network Data Analytics and the Network Slice Selection Functions, towards further optimising the distribution and management of the available infrastructure and network resources among the UEs, as well as the Access Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS), responsible for managing the UE data flows and mapping each single UE flow with the optimal available access technology.. Two supplementary studies are finally included in this dissertation: a preliminary analysis on traffic engineering policies based on user profiling realised by CEPE, as well as a 5G use case related to the Internet of Things domain -and more specifically, Precision Farming-, aiming to highlight explicit requirements such as mission-critical machine type communication

Spectrum sharing and management techniques in mobile networks

Το φάσμα συχνοτήτων αποδεικνύεται σπάνιο κομμάτι για τους πόρους ενός κινητού δικτύου το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψιν στη σχεδίαση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων 5ης 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. Ο μερισμός φάσματος θεωρείται αναπόφευκτος για συστήματα 5G και η διατριβή παρέχει λύση για προσαρμοστικό μερισμό φάσματος με πολλαπλά καθεστώτα εξουσιοδότησης, βάσει ενός καινοτόμου αρχιτεκτονικού πλαισίου το οποίο επιτρέπει στα δικτυακά στοιχεία να λαμβάνουν αποφάσεις για απόκτηση φάσματος. Η προτεινόμενη διαδικασία λήψης αποφάσεων είναι μία καινοτόμα τεχνική προσαρμοστικού μερισμού φάσματος βασιζόμενη σε ελεγκτές ασαφούς λογικής που καθορίζονν το καταλληλότερο σχήμα μερισμού φάσματος και σε ενισχυμένη μάθηση που ρυθμίζει τους κανόνες ασαφούς λογικής, στοχεύοντας να βρει τη βέλτιστη πολιτική που πρέπει να ακολουθεί ο πάροχος ώστε να προσφέρει την επιθυμητή ποιότητα υπηρεσιών στους χρήστες, διατηρώντας πόρους (οικονομικούς ή ραδιοπόρους) όπου είναι εφικτό. Η τελευταία συνεισφορά της διατριβής είναι ένας μηχανισμός που εξασφαλίζει δίκαιη πρόσβαση σε φάσμα ανάμεσα σε χρήστες σε σενάρια στα οποία η εκχώρηση άδειας χρήσης φάσματος δεν είναι προαπαιτούμενη.Radio spectrum has loomed out to be a scarce resource that needs to be carefully considered when designing 5G communication systems and Mobile Network Operators (MNOs) will need to revisit business models that were not of their prior interest (e.g. Cognitive Radio) or consider adopting new business models that emerge (e.g. Licensed Shared Access) so as to cover the extended capacity needs. Spectrum sharing is considered unavoidable for 5G systems and this thesis provides a solution for adaptive spectrum sharing under multiple authorization regimes based on a novel architecture framework that enables network elements to proceed in decisions for spectrum acquisition. The decision making process for spectrum acquisition proposed is a novel Adaptive Spectrum Sharing technique that uses Fuzzy Logic controllers to determine the most suitable spectrum sharing option and reinforcement learning to tune the fuzzy logic rules, aiming to find an optimal policy that MNO should follow in order to offer the desirable Quality of Service to its users, while preserving resources (either economical, or radio) when possible. The final contribution of this thesis is a mechanism that ensures fair access to spectrum among the users in scenarios in which conveying spectrum license is not prerequisite

Seamless coverage for the next generation wireless communication networks

Data demand has exponentially increased due to the rapid growth of wireless and mobile devices traffic in recent years. With the advent of the fifth generation, 5G, and beyond networks, users will be able to take advantage of additional services beyond the capability of current wireless networks while maintaining a highquality experience. The exploitation of millimeter-wave (mm-wave) frequency in 5G promises to meet the demands of future networks with the motto of providing high data rate coverage with low latency to its users, which will allow future networks to function more efficiently. However, while planning a network using mm-wave frequencies, it is important to consider their small coverage footprints and weak penetration resistance. Heterogeneous network planning with the dense deployment of the small cells is one way of overcoming these issues, yet, without proper planning of the integrated network within the same or different frequencies could lead to other problems such as coverage gaps and frequent handovers; due to the natural physics of mm-wave frequencies. Therefore this thesis focuses on bringing ultra-reliable low-latency communication for mm-wave indoor users by increasing the indoor coverage and reducing the frequency of handovers. Towards achieving this thesis’s aim, a detailed literature review of mm-wave coverage is provided in Chapter 2. Moreover, a table that highlights the penetration loss of materials at various frequencies is provided as a result of thorough research in this field, which will be helpful to the researchers investigating this subject. According to our knowledge, this is the first table presenting the most studies that have been conducted in this field. Chapter 3 examines the interference effect of the outdoor base station (BS) inside the building in the context of a heterogeneous network environment. A single building model scenario is created, and the interference analysis is performed to observe the effects of different building materials used as walls. The results reveal the importance of choosing the material type when outdoor BS is close to the building. Moreover, the interference effect of outdoor BS should be minimized when the frequency re-use technique is deployed over very short distances. Chapter 4 presents two-fold contributions, in addition to providing a comprehensive handover study of mm-wave technology. The first study starts with addressing the problem of modelling users’ movement in the indoor environment. Therefore, a user-based indoor mobility prediction via Markov chain with an initial transition matrix is proposed, acquired from Q-learning algorithms. Based on the acquired knowledge of the user’s mobility in the indoor environment, the second contribution of this chapter provides a pre-emptive handover algorithm to provide seamless connection while the user moves within the heterogeneous network. The implementation and evaluation of the proposed algorithm show a reduction in the handover signalling costs by more than 50%, outperforming conventional handover algorithms. Lastly, Chapter 5 contributes to providing robust signal coverage for coverage blind areas and implementing and evaluating the proposed handover algorithm with the intelligent reflective surface. The results show a reduction in the handover signalling costs by more than 33%, outperforming conventional handover algorithms with the pre-emptive handover initiation