Моделі та алгоритми функціонування гетерогенних мереж мобільного зв'язку

Abstract

Дисертація присвячена розв’язанню актуального наукового завдання розроблення моделей та алгоритмів адаптивного використання радіочастотних ресурсів ліцензійного та неліцензійного діапазонів у мережах мобільного зв’язку за наявності кількох конкуруючих операторів зв’язку та високої гетерогенності технологій радіодоступу, типів пристроїв та вимог до параметрів якості передавання даних. Проведено аналіз поточного стану та тенденцій розвитку мереж мобільного зв’язку за напрямком стандартів п’ятого покоління. Визначено основні обмежуючі фактори для підвищення пропускної здатності мереж мобільного зв’язку, такі як обмеження радіочастотного ресурсу, проблематику розподілу спектру та ліцензування технологій радіозв’язку в Україні, відсутність єдиної площини управління гетерогенною мережною інфраструктурою. Отримав подальший розвиток метод випадкового доступу з прослуховуванням середовища шляхом його адаптації до структури кадру LTE на канальному рівні, що дало змогу підвищити сумарну пропускну здатність гетерогенної мережі мобільного зв’язку за рахунок адаптивного використання неліцензійних радіочастотних ресурсів. Вперше запропоновано модель спільного використання радіочастотних ресурсів кількома операторами мобільного зв’язку на основі теорії ігор, яка, на відміну від існуючих, враховує поточні потреби оператора у пропускній здатності, що дає можливість підвищити ефективність використання радіочастотних ресурсів в умовах одночасного функціонування мереж LTE різних операторів у неліцензійному частотному діапазоні. Вперше запропоновано метод випадкового доступу з координованим прослуховуванням середовища абонентами LTE, який, на відміну від відомих, групує абонентів у D2D кластери, що дає змогу знизити рівень інтерференційних завад у гетерогенній мережі мобільного зв’язку за рахунок зменшення кількості колізій між абонентами LTE у неліцензійному частотному діапазоні. Проведено моделювання процесу функціонування гетерогенної мережі мобільного зв’язку в ліцензійному частотному діапазоні. Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи разработки моделей и алгоритмов адаптивного использования радиочастотных ресурсов лицензионного и нелицензионного диапазонов в сетях мобильной связи при наличии нескольких конкурирующих операторов связи и высокой гетерогенности технологий радиодоступа, типов устройств и требований к параметрам качества передачи данных. Проведен анализ текущего состояние и тенденций развития сетей мобильной связи в направлении стандартов пятого поколения. Определены основные ограничивающие факторы для повышения пропускной способности сетей мобильной связи, такие как ограничение радиочастотного ресурса, проблематика распределения спектра и лицензирования технологий радиосвязи в Украине, отсутствие единой плоскости управления гетерогенной сетевой инфраструктурой. Получил дальнейшее развитие метод случайного доступа с прослушиванием среды путем его адаптации к структуре кадра LTE на канальном уровне, что позволило повысить суммарную пропускную способность гетерогенной сети мобильной связи за счет адаптивного использования нелицензионных радиочастотных ресурсов. Впервые предложена модель совместного использования радиочастотных ресурсов несколькими операторами мобильной связи на основе теории игр, которая, в отличие от существующих, учитывает текущие потребности оператора в пропускной способности, что позволяет повысить эффективность использования ресурсов в условиях одновременного функционирования сетей LTE различных операторов в нелицензионном частотном диапазоне. Впервые предложен метод случайного доступа с координированным прослушиванием среды абонентами LTE, который, в отличие от известных, группирует абонентов в D2D кластеры, что позволяет снизить уровень интерференционных помех в гетерогенной сети мобильной связи за счет уменьшения количества коллизий между абонентами LTE в нелицензионном частотном диапазоне. Проведено моделирование процесса функционирования гетерогенной сети мобильной связи в лицензионном частотном диапазоне. The thesis is devoted to solving the actual scientific problem of developing the models and algorithms for adaptive utilization of licensed and unlicensed spectrum resources by LTE mobile networks in the presence of several competing network operators and high heterogeneity of radio access technologies, device types and parameters of data transmission quality. The current state and state-of-the-art trends in 5G mobile networks development have been analyzed in details. The key constraints of the network capacity have been identified, such as spectrum scarcity, problems of spectrum allocation and licensing of the wireless communication standards in Ukraine, absence of a unified management platform for a heterogeneous network infrastructure, etc. To alleviate these above mentioned issues, several solutions to improve the future 5G mobile network infrastructure have been proposed. First of all, the method of carrier sense multiple random access has been further developed to adjust media access control to the LTE frame structure. This solution enables the adaptive utilization of unlicensed radio frequency resources to increase the total throughput of the heterogeneous mobile network. In addition, a new model for the unlicensed spectrum sharing by several mobile network operators has been proposed. The novelty of this model is in the new game theoretical framework with proportional payoff distribution among the operators by calculation of the Shapley value, which prevents their selfish behavior. In the proposed framework, Shapley value determines how much spectrum should be allocated for each mobile network operator depends on their payoffs. High payoff means that spectrum utilization is close to the initial spectrum allocation. Low payoff means that network operator allocates much more or less spectrum than is actually required. The key advantage of this approach is in the flexibility to the traffic fluctuation within internal operator’s network. Proposed model takes into account the instantaneous bandwidth demand of the operator, which enables the increasing of the spectrum utilization efficiency in conditions of simultaneous operation of multiple LTE operators in the unlicensed spectrum. Further in this thesis, a new approach for cooperative spectrum sensing for the scenario of device-to-device assisted cellular network. The main idea of this approach is to reduce the number of total spectrum sensing attempts for each user by enabling their cooperation in clusters via device-to-device communication. Each cluster is formed by two or more devices in the vicinity of each other, which sense the carrier occupancy alternately and share the obtained information with other cluster members. Thus, the number of sensing attempts is decreased proportionally to the number of users in a single cluster. To further improve the bandwidth utilization, cluster members configure the size of contention window to minimize the idle time between their access to the unlicensed channel. The simulation of a heterogeneous mobile network operation in the licensed spectrum has been conducted and advantages of the proposed solutions have been confirmed.