Μοντέλα απωλειών κλήσεων μονοδιάστατης ή πολυδιάστατης τηλεπικοινωνιακής κίνησης σε ασύρματα δίκτυα τεχνολογίας cloud RAN

Abstract

Στην πέμπτη γενιά (5G) των ασύρματων δικτύων κυψελοειδούς τεχνολογίας έχει αναδειχτεί μια ευέλικτη αρχιτεκτονική διάταξη η επονομαζόμενη Cloud Radio Access Network (C-RAN). H αρχιτεκτονική C-RAN αποτελείται από πολλαπλά Βase Station (BS) τα οποία σχηματίζουν ένα κεντρικό δίκτυο. Κάθε BS χωρίζεται σε Remote Radio Head (RRH) και Baseband Unit (BBU). Τα BBU συγκεντρώνονται σε ένα υπολογιστικό κέντρο και χαρακτηρίζονται ως Virtualized Baseband Unit (V-BBU) ενώ η σύνδεση των V-BBU με τα RRH πραγματοποιείται μέσω ζεύξεων fronthaul. Εξετάζουμε τα δίκτυα τεχνολογίας C-RAN σε επίπεδο κλήσεων και πιο συγκεκριμένα μελε- τούμε την έννοια της απώλειας κλήσης. Μια εισερχόμενη κλήση, για να εξυπηρετηθεί, χρειάζε- ται πόρους από το RRH (στο οποίο αφίχθηκε) και από το V-BBU (από το υπολογιστικό κέντρο). Η χωρητικότητα του RRH εκφράζεται σε ράδιο μονάδες πόρων, ενώ του V-BBU σε υπολογιστι- κές μονάδες πόρων. Διακρίνουμε τα RRH σε ομοιογενή, όταν έχουν την ίδια χωρητικότητα, και σε ετερογενή, όταν έχουν διαφορετική χωρητικότητα. Η τηλεπικοινωνιακή κίνηση είναι μονοδιάστατη όταν κάθε κλήση, προκειμένου να εξυπη- ρετηθεί, απαιτεί τον ίδιο αριθμό μονάδων πόρων και πολυδιάστατη όταν υπάρχουν κλήσεις με διαφορετικές απαιτήσεις σε αριθμό μονάδων πόρων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή τα ασύρματα δίκτυα τεχνολογίας C-RAN μελετούνται ως συστήματα απωλειών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζονται 14 μοντέλα απωλειών (από τα οποία 12 είναι πρωτότυπα και προτείνονται στα πλαίσια της παρούσης διατριβής), που περιγράφουν συστήματα C-RAN καλύπτοντας τις περιπτώσεις κατά τις οποίες: • το C-RAN διαθέτει είτε ομοιογενή είτε ετερογενή RRH, • η τηλεπικοινωνιακή κίνηση είναι είτε μονοδιάστατη είτε πολυδιάστατη και • η διαδικασία άφιξης των κλήσεων είναι είτε τυχαία (ανέλιξη Poisson), είτε ψευδοτυχαία (οι κλήσεις παράγονται από πεπερασμένο αριθμό πηγών κλήσεων), είτε τυχαία κατά ομάδες (οι κλήσεις αφικνούνται σε ομάδες, το πλήθος των κλήσεων σε κάθε ομάδα είναι τυχαίο, ενώ η άφιξη των ομάδων ακολουθεί την ανέλιξη Poisson). Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάζονται μοντέλα απωλειών πολυδιάστατης κίνησης υπό την πολιτική Threshold Call Admission (TCA). Παρουσιάζονται δύο μοντέλα απωλειών (το ένα είναι πρωτότυπο και προτεινόμενο) που καλύπτουν την τυχαία ή ψευδοτυχαία άφιξη κλήσεων. Στα συστήματα απωλειών, που δέχονται πολυδιάστατη τηλεπικοινωνιακή κίνηση, οι κλήσεις ομαδοποιούνται σε κλάσεις υπηρεσιών βάσει των μονάδων των πόρων που χρειάζονται για να εξυπηρετηθούν. Στα μοντέλα, με την πολιτική TCA, οι κλήσεις της ίδιας κλάσης υπηρεσίας χω- ρίζονται σε δύο κατηγορίες: νέες κλήσεις (new calls) και κλήσεις μεταπομπής (handover calls). Η πολιτική TCA θεωρεί ένα κατώφλι (που εκφράζει έναν αριθμό κλήσεων υπό την εξυπηρέτηση) για κάθε κλάση υπηρεσίας, στην υπέρβαση του οποίου οι νέες κλήσεις απορρίπτονται, ενώ οι κλήσεις μεταπομπής γίνονται δεκτές, εφόσον υπάρχουν διαθέσιμες μονάδες πόρων για την κλάση υπηρεσίας στην οποία ανήκουν. Όλα τα εξεταζόμενα μοντέλα αναλύονται ως Μαρκοβιανές αλυσίδες σε συνεχή χρόνο και αποδεικνύεται ότι η κατανομή της μόνιμης κατάστασης (steady state) εκφράζεται ως λύση μορφής γινομένου. Με βάση τη λύση αυτή, αναπτύσσεται ένας συνελικτικός αλγόριθμος ο οποίος επιτρέπει τον ακριβή υπολογισμό διαφόρων μετρικών εκτίμησης του συστήματος, κυ- ρίως των πιθανοτήτων απώλειας κλήσης και συμφόρησης στον χρόνο, αλλά και την αξιοποίηση της χωρητικότητας του συστήματος. Τα αναλυτικά αποτελέσματα των συνελικτικών αλγορίθμων επικυρώθηκαν με τα αποτελέ- σματα προσομοίωσης μέσω παραδειγμάτων.