Advanced Resource Management Techniques for Next Generation Wireless Networks

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.