Contribution to radio resource and spectrum management strategies in wireless access networks: a markov modeling approach

Abstract

Las redes inal´ambricas actuales exhiben caracter´ısticas heterog´eneas de acceso m´ultiple mediante el despliegue, la coexistencia y la cooperaci´on de varias Tecnolog ´ıas de Acceso Radio (RAT2). En este escenario, la prestaci´on de servicios multimedia garantizando una cierta calidad de servicio (QoS3) es obligatoria. El objetivo global de las redes heterog´eneas de acceso inal´ambrico consiste en sustentar la realizaci´on del concepto ABC (del ingl´es Always Best Connected), en el que un usuario est´a siempre conectado a la RAT que mejor satisface sus necesidades de servicio en cualquier momento, en cualquier lugar, de cualquier modo. En este sentido, las estrat´egias de gesti´on de recursos radio comunes [del ingl´es, Common Radio Resource Management (CRRM)] se dise˜nan para proporcionar una utilizaci´on eficiente de los recursos radio y de espectro radioel´ectrico dentro de la red heterog´enea, ofreciendo un mejor rendimiento en comparaci´on con la realizaci´on independiente de RRM en cada RAT. Adem´as, los recursos de espectro asignados a cada una de las RATs deben ser utilizado de manera eficiente, ya que se trata de un recurso escaso y costoso. En este sentido, conceptos y metodolog´ıas de radio cognitiva (del ingl´es Cognitive Radio o CR) se han aplicado a la gesti´on del espectro, permitiendo una compartici´on dinamico-oportunista del mismo. En estos casos, el espectro sujeto a licencia se abre hacia el acceso de usuarios sin licencia siempre que no perjudiquen y que el funcionamiento libre de interferencias est´e garantizado. Esta tesis analiza estrategias de gesti´on de recursos radio y de espectro para ofrecer un uso mayor y eficiente de los escasos recursos radio y de espectro con el objetivo final de aumentar al m´aximo la capacidad de usuario, garantizando los requerimientos de QoS. En concreto, estas tesis se centra primero en como seleccionar una RAT al inicio de una llamada/sesi´on (en adelante, selecci´on inicial de RAT) en una red de acceso heterog´enea. Un modelo de Markov ha sido desarrollado para definir la asignaci´on de m´ultiples servicios (multi-servicio) en m´ultiples RATs (multi-acceso). En este marco, varias pol´ıticas de selecci´on de RAT son propuestas y evaluadas, gen´ericamente clasific´andose en pol´ıticas basadas en servicio (SB4) y basadas en balanceo de carga (LB5). Adem´as, el rendimiento de las pol´ıticas de selecci´on de RATs en escenarios de acceso limitado debido a la deficiente cobertura radio, la falta de disponibilidad de terminales multi-modo y la incompatibilidad entre RAT y servicios tambi´en es evaluada. Principios espec´ıficos para la asignaci´on de servicios a RATs ser´an provistos en los escenarios antes mencionados con el objetivo general de aumentar la capacidad de usuarios, garantizando los requisitos m´ınimos de calidad de servicio. Finalmente, la congesti´on en el acceso radio tambi´en se trata en este escenario multi-acceso/multi-servicio y el impacto de la selecci´on de RAT evaluado. Los principios para la asignaci´on inicial de RAT con tal de evitar la congesti´on radio ser´an tambi´en proporcionados. En segundo lugar, esta tesis investiga sobre la forma de maximizar el uso eficiente del espectro sujeto a licencia (o licenciado) por medio del acceso din´amicooportunista de espectro a usuarios sin licencia. En este sentido, se concibe un modelo de Markov para captar el problema del uso compartido de espectro entre usuarios con y sin licencia. Un modelo basado en sensado de espectro se propone con el fin de detectar porciones de espectro no utilizados (en ingl´es white spaces) que pueden ser usados por los usuarios sin licencia mientras este siga libre. En este marco, los beneficios obtenidos de la compartici´on del espectro son investigados y las ventajas que implican evaluadas. En concreto, se eval´ua el rendimiento obtenido al ajustar el punto de funcionamiento (en ingl´es operating point ) del mecanismo de sensado, el cual determina los errores de no-detecci´on y falsa-alarma. Por otra parte, sistemas de canalizaci´on de espectro fijos versus adaptativos ser´an propuestos y analizados bajo dos disciplinas de servicio diferentes, cuya duraci´on (o tiempo de permanencia en el sistema) esta basada en tiempo y en contenido respectivamente.

Current wireless networks exhibit heterogeneous multi-access features by means of the coexisting and cooperative deployment of several Radio Access Technologies (RATs). In this scenario, the provision of multimedia services with ensured Quality of Service (QoS) is mandatory. The overall goal of heterogeneous wireless access networks is to enable the realization of the Always Best Connected concept in which a user is seamlessly connected to the RAT best suiting its service requirements anytime, anywhere, anyhow. In this sense, Common Radio Resource Management (CRRM) strategies are devoted to provide an efficient utilization of radio resources within the heterogeneous network offering improved performances as opposed to performing stand-alone RRM in each RAT. In addition, allocated spectrum resources to each RAT must be efficiently utilized since it is a scarce and expensive resource. In this respect, cognitive radio concepts and methodologies have been applied to spectrum management by enabling dynamic/opportunistic spectrum sharing. In these scenarios, licensed spectrum is opened towards unlicensed access provided a non-harmful operation is guaranteed. This dissertation discusses both radio resource and spectrum management strategies to provide an utmost and efficient use of scarce radio/spectrum resources with the overall goal of maximizing user capacity while guaranteeing QoS constraints.Specifically, the thesis is first focused on how to select an appropriate RAT upon call/session initiation (henceforth, initial RAT selection) in a heterogeneous access network. A Markovian framework is developed to such extent supporting the allocation of multiple service-type users (multi-service) on multiple RATs (multi-access). Under this framework, several RAT selection policies are proposed and evaluated, broadly categorized into service-based (SB) and load-balancing (LB). In addition, the performance of RAT selection policies in access-limited scenarios due to poor radio coverage, non multi-mode terminal availability and RAT-service incompatibility is also evaluated. Specific guiding principles for the allocation of services on several RATs are provided in the abovementioned scenarios with the overall goal of increasing user capacity while guaranteeing minimum QoS requirements. Finally, radio access congestion is also addressed in this multi-access/multi-service scenario and the impact RAT selection assessed. Suitable allocation principles avoiding congestion are also provided.Secondly, this dissertation investigates on how to efficiently maximize the use of licensed spectrum by means of dynamic/opportunistic unlicensed spectrum access. Hereof, a Markovian framework is also devised to capture the problem of licensed spectrum sharing towards unlicensed users. A sensing-based spectrum awareness model is proposed in order to detect unused spectrum (so-called white spaces) which may be accessed by unlicensed users while remaining unused. Under this framework, the benefits of spectrum sharing are investigated and the involved gains assessed. Specifically, the sensing-throughput tradeoff and the adjustment of the sensing mechanism’s operating point, which tradeoffs missed-detection and false-alarm errors, is evaluated. Moreover, fixed vs. adaptive spectrum channelization schemes are proposed and analyzed under two different service disciplines considering time-based and volume-based content delivery.