Optimum multi-service access selection over heterogeneous wireless networks

This paper proposes a methodology to analyse connectivity over highly heterogeneous wireless networks. We consider a scenario comprising a large number of access elements and end users, who move and initiate different services according to some patterns. The framework that has been implemented takes periodic snapshots, each of them used to pose a different optimization problem. We take into account the intention of end users to have a connection (those with an active service), disregarding idle users, as well as the outcome of the previous problems (for instance, the base station a particular user was connected to). The feasibility of the methodology proposed in this work is assessed with a scenario over which we study different access selection strategies including the following criteria: price of resources, service affinity towards particular technologies as well as the willingness to reduce the number of handovers. The results validate the proposed methodology and highlight the impact that an appropriate design of the access selection strategy may have.We would like to express our gratitude to the Spanish government for the funding in the following project: “Connectivity as a Service: Access for the Internet of the Future”, COSAIF (TEC2012-38574-C02-01

A dynamic channel access strategy for underlay cognitive radio networks: Markov modelling and performance evaluation

[EN] Unlike in overlay cognitive radio networks, secondary users in underlay cognitive radio networks can access licensed spectrum even at the presence of a primary user, given that the interference caused by the secondary transmission is lower than a pre-specified threshold. Based on this underlay access principle, we propose in this paper a dynamic channel access strategy for multi-channel cognitive radio networks. Different from existing underlay access techniques, channel assembling, spectrum adaptation and restricted channel occupancy are also considered in the proposed strategy in order to achieve better performance in the secondary network. Accordingly, a partial channel occupancy mode, which allows secondary users to access a portion of a channel when co-existing with a primary user, is introduced in this study. The size of this portion is adjusted by selecting an appropriate value of a configurable parameter ¿ in the partial channel occupancy mode. The system performance is evaluated for both primary and secondary networks, and a comparison analysis is carried out to assess the cost against the gain. Numerical results demonstrate that the proposed underlay channel access strategy outperforms the corresponding overlay strategy in terms of secondary network capacity, blocking probability and dropping probability. The cost and gain analysis identifies appropriate traffic conditions under which the overall system performance could be improved by employing the proposed underlay strategy.The work of V. Pla was supported in part by the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain under Grant TIN2013-47272-C2-1-R.Jalali, E.; Balapuwaduge, IAM.; Li, FY.; Pla, V. (2017). A dynamic channel access strategy for underlay cognitive radio networks: Markov modelling and performance evaluation. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies. 28(1):1-11. https://doi.org/10.1002/ett.2928S11128

Μελέτη, σχεδίαση και υλοποίηση καινοτόμων αρχιτεκτονικών και τεχνολογιών εκμετάλλευσης του ψηφιακού μερίσματος φάσματος, για την δημιουργία ασύρματων τοπικών/μητροπολιτικών υποδομών πρόσβασης και παροχής πολυμεσικών υπηρεσιών

This PhD thesis contributes to the issue of opportunistic radio spectrum exploitation, by studying, designing and implementing a prototype architecture that enables unlicensed (secondary) devices to dynamically utilize the locally available VHF/UHF frequencies (namely the TV White Spaces - TVWS) for the provision of multimedia services over local/metropolitan wireless infrastructures. Building upon the recent advances in cognitive radio technology and by elaborating on novel spectrum management policies for liberalized resource exploitation, it presents a hybrid system architecture, where the radio resource allocation is efficiently coordinated either via a spectrum broker entity (Real-Time Secondary Spectrum Management policy) or via interference avoidance techniques assisted by a Geolocation database (Spectrum of Commons policy). The optimum Radio Resource Management (RRM) as a matter of guaranteed Quality of Service (QoS) provision and maximum possible trading revenue is carried over a prototype mechanism at the data-link layer that is designed and implemented within the framework of this thesis. Towards this, two types of optimization approaches are studied, one based on decision-making and the other one game theory concepts, and a novel algorithm is developed capable to provide minimum spectrum fragmentation and maximum possible spectrum broker utility. Furthermore, the thesis also elaborates on the study and development of a novel routing protocol, that enables intersystem communications among users/nodes, which are located in different and isolated (to each other) ad-hoc Cognitive Radio (CR) networks (i.e. no direct communication link exists between them). To do so, the optimum communication path is established through a number of intermediate CR nodes, which are selected via a hop-by-hop process by evaluating a number of delay metrics at each intermediate node level. Furthermore and in order to avoid possible route failures or overloading of the intermediate nodes, the implemented protocol utilises a prototype mechanisms at each node level, responsible for load balancing and traffic redirection. Towards verifying the validity of the proposed architecture a number of experiments were designed and conducted under controlled conditions environment (simulations). For this reason, a prototype test-bed conforming to the architectural design specifications was implemented, which also served as the experimental environment for carrying out performance evaluation measurements. The obtained results verified the capacity of the proposed architecture to support the deployment of local/metropolitan multimedia infrastructures through the opportunistic exploitation of TVWS, besides indicating fields for future research, such as energy efficient operation both at system and end-user levels, or transport layer mechanisms to mitigate the existing TCP’s drawbacks in time-varying links.Η Διδακτορική Διατριβή αυτή συμβάλλει στην ευκαιριακή αξιοποίηση του ραδιοφάσματος, μέσω της μελέτης, του σχεδιασμού και της υλοποίησης μίας πρωτότυπης αρχιτεκτονικής, η οποία επιτρέπει στις μη-αδειοδοτημένες (δευτερεύουσες) συσκευές να αξιοποιούν δυναμικά και σε τοπικό επίπεδο, τις διαθέσιμες τηλεοπτικές συχνότητες VHF/UHF (Τηλεοπτικό Λευκό Φάσμα - TVWS) για την παροχή πολυμεσικών υπηρεσιών σε ασύρματες τοπικές/μητροπολιτικές υποδομές. Βασιζόμενη στις πρόσφατες εξελίξεις της τεχνολογίας του γνωσιακού ραδιοφάσματος (Cognitive Radio technology) καθώς και εξετάζοντας τις νέες πολιτικές διαχείρισης του ραδιοφάσματος που θα αξιοποιηθούν για την εκμετάλλευση των απελευθερωμένων ραδιο-πόρων, η Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζει μια υβριδική αρχιτεκτονική, για την αποδοτική διαχείριση του ραδιοφάσματος, είτε μέσω ενός μεσίτη φάσματος (Spectrum Broker), είτε μέσω τεχνικών αποφυγής παρεμβολών υπό την επίβλεψη μιας χωρικά τοποθετημένης βάσης δεδομένων (Geo-location database). Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε, στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων, ένας πρωτότυπος μηχανισμός, για την βέλτιστη διαχείριση των ραδιο-πόρων (Radio Resource Management - RRM) σε σχέση με την εγγυημένη παροχή Ποιότητας Υπηρεσίας (Quality of Service - QoS), καθώς και το μέγιστο δυνατό κέρδος των συναλλαγών. Προς την κατεύθυνση αυτή μελετήθηκαν, δύο είδη τεχνικών βελτιστοποίησης, η τεχνική λήψης αποφάσεων και η θεωρία παιγνίων, προκειμένου να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος ικανός να παρέχει αποδοτικές λύσεις όσον αφορά τον ελάχιστο κατακερματισμό του φάσματος και το μέγιστο δυνατό κέρδος του μεσίτη φάσματος. Επιπλέον, η Διατριβή συμβάλλει στη μελέτη και ανάπτυξη ενός νέου πρωτοκόλλου δρομολόγησης, που επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ συστημάτων, τα οποία δημιουργούν ad-hoc γνωσιακά δίκτυα και βρίσκονται σε διαφορετικές περιοχές (δηλαδή, δεν υπάρχει άμεση ζεύξη επικοινωνίας μεταξύ τους). Για να γίνει αυτό, το βέλτιστο μονοπάτι επικοινωνίας εγκαθίσταται μέσα από μία σειρά ενδιάμεσων κόμβων που χρησιμοποιούν την γνωσιακή τεχνολογία, οι οποίοι επιλέγονται βήμα-προς-βήμα (hop-by-hop) αξιολογώντας τη χρονική καθυστέρηση της επικοινωνίας. Επιπλέον, και προκειμένου να αποφευχθούν πιθανές αποτυχίες στη διαδρομή ή υπερφόρτωση των ενδιάμεσων κόμβων, το πρωτόκολλο εφαρμόζει ένα πρωτότυπο μηχανισμό σε κάθε κόμβο, προκειμένου να εξισορροπείται το φορτίο κάνοντας ανακατεύθυνση της δικτυακής κίνησης. Για την επαλήθευση της εγκυρότητας της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, μία σειρά από πειράματα σχεδιάστηκαν και διεξήχθησαν υπό ελεγχόμενες συνθήκες περιβάλλοντος (προσομοιώσεις). Στα πλαίσια αυτά, ένα πειραματικό πρωτότυπο τέθηκε σε εφαρμογή σύμφωνα με τις τεχνικές προδιαγραφές σχεδιασμού, το οποίο αξιοποιήθηκε για τη διεξαγωγή μετρήσεων αξιολόγησης των επιδόσεων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν επαλήθευσαν την ικανότητα της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής για την υποστήριξη της ανάπτυξης τοπικών/μητροπολιτικών υποδομών πολυμέσων μέσω της ευκαιριακής αξιοποίησης του ραδιοφάσματος των TV WS και ανέδειξαν πεδία μελλοντικής έρευνας, όπως η λειτουργία με την ελάχιστη ενεργειακή απόδοση τόσο σε επίπεδο συστημάτων όσο και τελικών χρηστών ή η μελέτη μηχανισμών επιπέδου μεταφοράς για τον περιορισμό των μειονεκτημάτων του υπάρχοντος TCP σε χρονικά μεταβαλλόμενα συνδέσεις

Hybrid Terrestrial-Satellite DVB/IP Infrastructure in Overlay Constellations for Triple-Play Services Access in Rural Areas

This paper discusses the convergence of digital broadcasting and Internet technologies, by elaborating on the design, implementation, and performance evaluation of a hybrid terrestrial/satellite networking infrastructure, enabling triple-play services access in rural areas. At local/district level, the paper proposes the exploitation of DVB-T platforms in regenerative configurations for creating terrestrial DVB/IP backhaul between the core backbone (in urban areas) and a number of intermediate communication nodes distributed within the DVB-T broadcasting footprint (in rural areas). In this way, triple play services that are available at the core backbone, are transferred via the regenerative DVB-T/IP backhaul to the entire district and can be accessed by rural users via the corresponding intermediate node. On the other hand, at regional/national level, the paper proposes the exploitation of a satellite interactive digital video broadcasting platform (DVB S2/RCS) as an overlay network that interconnects the regenerative DVB-T/IP platforms, as well as individual users, and services providers, to each other. Performance of the proposed hybrid terrestrial/satellite networking environment is validated through experimental tests that were conducted under real transmission/reception conditions (for the terrestrial segment) and via simulation experiments (for the satellite segment) at a prototype network infrastructure