Advanced Resource Management Techniques for Next Generation Wireless Networks

The increasing penetration of mobile devices in everyday life is posing a broad range of research challenges to meet such a massive data demand. Mobile users seek connectivity "anywhere, at anytime". In addition, killer applications with multimedia contents, like video transmissions, require larger amounts of resources to cope with tight quality constraints. Spectrum scarcity and interference issues represent the key aspects of next generation wireless networks. Consequently, designing proper resource management solutions is critical. To this aim, we first propose a model to better assess the performance of Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA)-based simulated cellular networks. A link abstraction of the downlink data transmission can provide an accurate performance metric at a low computational cost. Our model combines Mutual Information-based multi-carrier compression metrics with Link-Level performance profiles, thus expressing the dependency of the transmitted data Block Error Rate (BLER) on the SINR values and on the modulation and coding scheme (MCS) being assigned. In addition, we aim at evaluating the impact of Jumboframes transmission in LTE networks, which are packets breaking the 1500-byte legacy value. A comparative evaluation is performed based on diverse network configuration criteria, thus highlighting specific limitations. In particular, we observed rapid buffer saturation under certain circumstances, due to the transmission of oversized packets with scarce radio resources. A novel cross-layer approach is proposed to prevent saturation, and thus tune the transmitted packet size with the instantaneous channel conditions, fed back through standard CQI-based procedures. Recent advances in wireless networking introduce the concept of resource sharing as one promising way to enhance the performance of radio communications. As the wireless spectrum is a scarce resource, and its usage is often found to be inefficient, it may be meaningful to design solutions where multiple operators join their efforts, so that wireless access takes place on shared, rather than proprietary to a single operator, frequency bands. In spite of the conceptual simplicity of this idea, the resulting mathematical analysis may be very complex, since it involves analytical representation of multiple wireless channels. Thus, we propose an evaluative tool for spectrum sharing techniques in OFDMA-based wireless networks, where multiple sharing policies can be easily integrated and, consequently, evaluated. On the other hand, relatively to contention-based broadband wireless access, we target an important issue in mobile ad hoc networks: the intrinsic inefficiency of the standard transmission control protocol (TCP), which presents degraded performance mainly due to mechanisms such as congestion control and avoidance. In fact, TCP was originally designed for wired networks, where packet losses indicate congestion. Conversely, channels in wireless networks might vary rapidly, thus most loss events are due to channel errors or link layer contention. We aim at designing a light-weight cross-layer framework which, differently from many other works in the literature, is based on the cognitive network paradigm. It includes an observation phase, i.e., a training set in which the network parameters are collected; a learning phase, in which the information to be used is extracted from the data; a planning phase, in which we define the strategies to trigger; an acting phase, which corresponds to dynamically applying such strategies during network simulations. The next generation mobile infrastructure frontier relies on the concept of heterogeneous networks. However, the existence of multiple types of access nodes poses new challenges such as more stringent interference constraints due to node densification and self-deployed access. Here, we propose methods that aim at extending femto cells coverage range by enabling idle User Equipments (UE) to serve as relays. This way, UEs otherwise connected to macro cells can be offloaded to femto cells through UE relays. A joint resource allocation and user association scheme based on the solutions of a convex optimization problem is proposed. Another challenging issue to be addressed in such scenarios is admission control, which is in charge of ensuring that, when a new resource reservation is accepted, previously connected users continue having their QoS guarantees honored. Thus, we consider different approaches to compute the aggregate projected capacity in OFDMA-based networks, and propose the E-Diophantine solution, whose mathematical foundation is provided along with the performance improvements to be expected, both in accuracy and computational terms.

L'esplosiva penetrazione di dispositivi mobili nella vita di tutti i giorni pone molteplici sfide nel campo della ricerca nelle comunicazioni 'senza fili', al fine di sostenere la crescente mole di dati generata dagli utenti cellulari, i quali richiedono connettività "in ogni momento, in ogni dove". Inoltre, le applicazioni più richieste, dotate di contenuti multimediali quali le trasmissioni video, richiedono l'utilizzo di molte risorse per sostenere stringenti vincoli di qualità. La limitatezza dello spettro, congiuntamente ai problemi legati all'interferenza, rappresentano i fattori chiave delle reti cellulari di nuova generazione. Conseguentemente, il design di tecniche per la gestione delle risorse risulta essere un aspetto particolarmente critico. A questo fine, proponiamo in primo luogo un modello per valutare le prestazioni simulate delle reti cellulari basate sulla tecnologia Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA). Un modello di astrazione del canale associato alla trasmissione in downlink di dati fornisce un'accurata metrica valutativa a basso costo computazionale. Il nostro modello combina metriche di compressione multi-portante basate sull'Informazione Mutua con profili prestazionali generati a livello di canale, esprimendo così la dipendenza del rate d'errore associato al blocco di dati trasmesso con i valori di SINR, e l'indice di codifica e modulazione (MCS) assegnato dall'allocatore di risorse. Inoltre, ci proponiamo di valutare l'impatto della trasmissione di Jumboframes in reti LTE, ovvero pacchetti la cui dimensione supera il massimo valore tradizionale di 1500 Bytes. Una valutazione comparativa viene eseguita relativamente a varie configurazioni di rete, in modo da mettere in luce specifiche limitazioni. In particolare, abbiamo potuto osservare una rapida saturazione del buffer di trasmissione legato alla trasmissione di maxi pacchetti attraverso link di bassa qualità. Abbiamo dunque proposto un'architettura di rete 'cross-layer' che ci permetta di prevenire tale esubero di risorse disponibili; si tratta di un approccio che rende possibile la regolazione della dimensione dei pacchetti a seconda della capacità istantanea del canale, nota attraverso procedure standard basate sulla conoscenza di predefinite sequenze pilota alle quali vengono associate valori di qualità (CQI). Nella ricerca applicata alle reti wireless è stato recentemente introdotto il concetto di condivisione delle risorse, visto come promettente approccio attraverso cui migliorare le prestazioni delle comunicazioni radio. Lo spettro radio è limitato, e il suo utilizzo risulta spesso inefficiente. Per questi motivi appare significativo proporre soluzioni nelle quali diversi operatori uniscano le proprie forze al fine di fornire accesso wireless a bande condivise piuttosto che proprietarie. Diversamente dalla semplicità concettuale di tale idea, l'analisi matematica che ne deriva può essere molto complessa. Per questo motivo proponiamo uno strumento atto a valutare le prestazioni delle tecniche di condivisone dello spettro nelle reti cellulari basate sulla tecnologia OFDMA, al cui interno è dunque possibile integrare, testare e valutare ogni politica di condivisione. D'altra parte, relativamente all'accesso a banda larga basato sulla contesa al mezzo, ci soffermiamo su un'importante problematica all'interno delle reti mobili ad hoc WiFi, ovvero l'intrinseca inefficienza del protocollo di trasporto universalmente riconosciuto come standard, il TCP. Quest'ultimo presenta ridotte prestazioni, principalmente legate alle politiche di controllo della congestione. Infatti il TCP è stato originariamente pensato per le reti cablate, dove le perdite di pacchetti indicano una congestione. Diversamente, gli eventi di perdita nelle reti wireless possono essere legati alle variazioni del canale radio, o alla contesa sul collegamento. Intendiamo dunque definire un'architettura 'cross-layer' sufficientemente snella e dinamica, basata sul paradigma delle reti cognitive. Questo framework include una fase di osservazione, i.e., un 'training set' all'interno del quale vengono collezionati svariati parametri di rete; una fase di apprendimento, in cui viene estratta l'informazione da utilizzare per il miglioramento delle prestazioni di rete; una fase di pianificazione, in cui vengono definite le strategie da utilizzare con le informazioni 'imparate'; infine, una fase di azione che rappresenta l'esecuzione 'online' di tali strategie all'interno della rete. La più recente frontiera per le infrastrutture di rete di prossima generazione si sviluppa intorno al concetto di reti eterogenee. Tuttavia, la presenza di una moltitudine di dispositivi diversi fra loro, in quanto a tecnologia e tecniche di accesso al mezzo, pone nuove sfide. Fra tutte, l'incremento dell'interferenza legato alla densificazione dei nodi e alla pianificazione autonoma. Proponiamo dunque un approccio atto a supportare il reindirizzamento del carico di rete dalle macro celle alle femto celle, attraverso una cooperazione fornita dagli utenti mobili in modalità 'idle', che operano a tutti gli effetti come nodi relay. In questo modo aumentiamo la probabilità che un utente connesso alla macro cella possa alternativamente connettersi ad una femto cella (procedura nota come offload). Abbiamo così definito un modello di ottimizzazione congiunto per l'allocazione delle risorse e la determinazione del collegamento stazione radio base - utente. Un ulteriore tema particolarmente importante riguarda il controllo per l'accettazione di nuovi utenti nel sistema. Tale modello deve garantire il mantenimento dei margini di qualità (QoS) associati ai nodi precedentemente connessi alla rete. A questo fine consideriamo diversi approcci per il calcolo della proiezione di capacità allocata in reti wireless basate sulla tecnologia OFDMA. Infine proponiamo la soluzione 'E-Diophantine' basata sulla teoria diofantina, di cui forniamo le basi matematiche, e mostriamo l'incremento delle prestazioni che ne risulta.