Μεταφορά και Διαχείριση Ευρυζωνικής Κίνησης σε Ασύρματα Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη των τεχνικών διαχείρισης πόρων σε ασύρματα ευρυζωνικά δίκτυα επικοινωνιών με στόχο την βελτιστοποίηση της φασματικής απόδοσης καθώς και η μελέτη εναλλακτικών τεχνολογιών μεταφοράς ασύρματης ευρυζωνικής κίνησης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη επισκόπηση των ευρυζωνικών δικτύων ασύρματης πρόσβασης καθώς και των χαρακτηριστικών τους. Στη συνέχεια αναφέρονται συνοπτικά τα σημαντικότερα θέματα που αφορούν τις τεχνικές της διαχείρισης πόρων σε τέτοιου είδους δίκτυα. Τέλος παρουσιάζονται οι επικρατέστερες εναλλακτικές τεχνολογίες που έχουν προταθεί για την μεταφορά ασύρματης ευρυζωνικής κίνησης. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται το μοντέλου ενός τυπικού ασύρματου ευρυζωνικού δικτύου και γίνεται μια εκτενής ανασκόπηση των επικρατέστερων τεχνικών διαχείρισης πόρων που έχουν προταθεί στην διεθνή βιβλιογραφία. Στη συνέχεια παρουσιάζονται αναλυτικά οι προτεινόμενες τεχνικές διαχείρισης πόρων καθώς και τα συγκριτικά αποτελέσματα της προσομοίωσης των μεθόδων αυτών σε σχέση με την αποδοτικότερη από τις υπάρχουσες τεχνικές. Τέλος συνοψίζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή των προταθέντων τεχνικών. Στο τρίτο κεφάλαιο αρχικά παρουσιάζεται αναλυτικά το μοντέλο ενός συστήματος μεταφοράς ασύρματης ευρυζωνικής κίνησης μέσω επίγειας ασύρματης οπτικής ζεύξης. Στη συνέχεια μελετάται και αξιολογείται η απόδοση του εν λόγω συστήματος, χρησιμοποιώντας ως μετρικές την μέση πιθανότητα διακοπής καθώς και τη μέση πιθανότητα σφάλματος οι οποίες υπολογίζονται σε κλειστή μορφή. Τέλος παρουσιάζονται τα αριθμητικά αποτελέσματα της προσομοίωσης και παρατίθενται τα σχετικά συμπεράσματα. Στα πλαίσια του τέταρτου κεφαλαίου γίνεται η παρουσίαση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής ενός πολύ-αλματικού δικτύου εναέριων πλατφορμών μεγάλου ύψους οι οποίες διασυνδέονται με ασύρματη οπτική ζεύξη, με σκοπό την μεταφορά ασύρματης ευρυζωνικής κίνησης σε μεγάλες αποστάσεις. Εξετάζεται τόσο το σενάριο τους ενός όσο και το σενάριο των πολλών αλμάτων, και μελετάται η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος όσον αφορά την μέση πιθανότητα διακοπής στον τελικό χρήστη. Στο τέλος του κεφαλαίου παρατίθενται τα αριθμητικά αποτελέσματα της προσομοίωσης καθώς και τα σχετικά συμπεράσματα. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 συνοψίζονται τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διατριβή και γίνονται υποδείξεις για περαιτέρω έρευνα.The present thesis aims to study resource allocation techniques in fixed broadband wireless networks in order to optimize their spectral efficiency as well as to investigate alternative broadband transfer methods. The first chapter gives a brief overview of broadband wireless access networks with their characteristics. The fundamental resource management techniques proposed in the open technical literature are also referred. Finally, the prevailing broadband transfer technologies are presented. The second chapter describes a typical wireless broadband network model and provides a comprehensive review of the key resource management techniques proposed in the literature. Then, the proposed resource management techniques are presented and compared using proper simulation results. Finally, conclusions are summarized. In the third chapter, the analytical model of a wireless broadband traffic model over a terrestrial wireless optical link is analyzed. Its performance is extracted using analytical expressions of the average outage probability and the average error probability metrics. Appropriate simulation results are depicted as well. In the fourth chapter, a network architecture comprising of several high amplitude platforms communicating with each other using optical links, is introduced in order to transfer broadband traffic over long distances. The outage probability performance is examined using either one-hop or multi-hop scenarios and suitable numerical results are provided. Finally, in chapter 5, concluding remarks are summarized and suggestions for further research are indicated

Cross-layer Optimization for Video Delivery over Wireless Networks

As video streaming is becoming the most popular application of Internet mo- bile, the design and the optimization of video communications over wireless networks is attracting increasingly attention from both academia and indus- try. The main challenges are to enhance the quality of service support, and to dynamically adapt the transmitted video streams to the network condition. The cross-layer methods, i.e., the exchange of information among different layers of the system, is one of the key concepts to be exploited to achieve this goals. In this thesis we propose novel cross-layer optimization frameworks for scalable video coding (SVC) delivery and for HTTP adaptive streaming (HAS) application over the downlink and the uplink of Long Term Evolution (LTE) wireless networks. They jointly address optimized content-aware rate adaptation and radio resource allocation (RRA) with the aim of maximiz- ing the sum of the achievable rates while minimizing the quality difference among multiple videos. For multi-user SVC delivery over downlink wireless systems, where IP/TV is the most representative application, we decompose the optimization problem and we propose the novel iterative local approxi- mation algorithm to derive the optimal solution, by also presenting optimal algorithms to solve the resulting two sub-problems. For multiple SVC de- livery over uplink wireless systems, where healt-care services are the most attractive and challenging application, we propose joint video adaptation and aggregation directly performed at the application layer of the transmit- ting equipment, which exploits the guaranteed bit-rate (GBR) provided by the low-complexity sub-optimal RRA solutions proposed. Finally, we pro- pose a quality-fair adaptive streaming solution to deliver fair video quality to HAS clients in a LTE cell by adaptively selecting the prescribed (GBR) of each user according to the video content in addition to the channel condi- tion. Extensive numerical evaluations show the significant enhancements of the proposed strategies with respect to other state-of-the-art frameworks

Power-shaped advanced resource assignment (PSARA) for fixed broadband wireless access systems

In this paper we propose a new technique for assigning radio channels in TDMA-based fixed broadband wireless access systems (FBWA) with full frequency reuse. The proposed technique, named Power-Shaped Advanced Resource Assignement (PSARA), has the aim of partially organizing the intercell and intersector interference in a cellular system where base stations assign radio resources in an uncoordinated fashion. This is done by using an appropriate set of power profiles that limit (or shape) the power transmitted in each slot of the frame. The allocation algorithm assigns time slots to users on the basis of the power required to fulfill a predefined carrier-to-interference ratio, which is suitably estimated. Simulation results for a typical cellular FBWA system show that this technique significantly improves the capacity with respect to a system that assigns resources without power shaping, even with power control.

Resource allocation with power-shaping in fixed broadband wireless access systems

This paper investigates a new resource allocation technique for TDMA-based fixed broadband wireless access systems (FBWA) with full frequency reuse where base stations assign radio resources in an uncoordinated fashion. This technique, named Power-Shaped Advanced Resource Assignment (PSARA) exploits an appropriate set of power profiles that limit (or shape) the power transmitted in each slot of the frame with the aim of helping the allocation algorithm to efficiently distribute the intercell and intersector interference inside the frame. Simulation results for a typical cellular FBWA system show that this technique significantly improves the capacity with respect to other techniques recently proposed, e.g. the Enhanced Staggered Resource Assignment (ESRA), even when they use power control. Moreover, an analytical framework useful to understand the concept of power-shaping and to discuss some guidelines for the design of power profiles is provided