Dynamic optimization of radio resource management in LTE-based high-speed railway wireless networks
LTE tabanlı hızlı demiryolu kablosuz ağlarda radyo kaynak yönetiminin dinamik optimizasyonu
- Tez No: 496361
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Demiryolları her zaman yeni iletişim teknolojilerinin erken benimseyicisi olmuştur. İletişim teknolojilerinde vazgeçilmez demiryolu bağımlılığı her geçen gün artmaktadır. Bu nedenle, demiryolları tarafından seçilen iletişim teknolojisinin yetenekleri ve güvenilirliği demiryollarının yeteneklerini ve güvenilirliklerini belirler. Bir başka ifadeyle, iyi ve güvenilir bir iletişim, iyi ve güvenilir bir demiryolu sistemi için bir temel oluşturacaktır. Aksi takdirde, iletişim sistemlerin kısıtlamaları ve arızaları bütün demiryolların sınırlamasını ve arızalanmasını sebep olur. Böylece, Demiryolları için en önemli kriter doğru iletişim ağı seçmektir. Hızlı demiryolu, hızlı toplu taşıma sistemi olarak dünya çapında yayılmıştır. Yüksek hızlı demiryolu altyapısı artan miktarda kontrol ve multimedya yayınlarına sahiptir. Bu özelliği kullanarak,hem ulaşımın güvenliğini ve verimliliğini sağlamasını hem de internet servisleri için yolcuların artan talebini desteklemesini kolaylaştırır. Hızlı demiryolu hızlı gelişmesi ile birlikte, demiryolu mobil iletişim sistemi için farklı hızlı demiryolu bileşenleri için daha yüksek teknik gereksinimler ortaya çıkar. Uzun ömürlü demiryolu ağı, GSM-R, güvenilirlik ve birlikte çalışabilirlik açısından tartışılmaz başarısı olsa da, verimlilik, yetersiz kapasite ve sınırlı veri iletim konusunda dezavantajlara sahiptir. Bu önemli dezavantajlar nedeniyle, demiryolu ve telekomünikasyon operatörleri gelecekteki iletişim sistemleriyle ilgili yeni seçenekler bulmak için alternatifleri incelemektedir. Demiryolun operasyonunu desteklemek için gelişmiş mobil iletişim teknolojileri kullanılırsa, işlem kontrolü, emniyeti ve güvenilirliği bakımından gelişmiş özellikler ve yetenekler elde edilebilir. Yeni nesil demiryolu iletişim sistemlere aşağıdaki alanları sağlaması bekleniyor: 1. Operasyonel gerçek zamanlı video. 2. Uzaktan ve sürücüsüz çalışması için gereken ses ve veri bilgileri. 3. Uzaktan-teşhis bakımı. 4. Tren içi video gözetimi. 5. Istasyon personeleri, yerleşik personeleri, ray-tarafı birimleri ve diğer hareketli trenler arasındaki yüksek hızlı iletişim bağlantıları. Ek olarak, yolcu deneyimini iyileştirmek için gelecekteki demiryolu sistemleri için yeni etkileşimli müşteri hizmetleri sağlanmasını planlanıyor. Örneğin, yolculara yolculuk sırasında kesintisiz ve yüksek hızlı internet hizmetleri sağlanması. LTE, mobil iletişim standartlarının en son sürümü olduğundan, GSM için doğal bir halef olmaktadır. Gerçek zamanlı ve gerçek zamanlı olmayan hizmet için birleştirilmiş düz bir mimari sağlar ve yüksek veri aktarım hızına sahip kullanıcıları destekler, düşük gecikme süresi ve optimum paket erişimi kablosuz teknolojisi. Böylece, LTE-R, GSM-R'nin yerini alan en güçlü adaydır. LTE'nin yapısındaki en dikkata değer özelliği, LTE-R'nin tek bir IP tabanlı çekirdek ağ üzerinde yolcular için tren kontrolü, yerleşik video gözetimi ve bilgi-eğlence hizmetleri için ses ve veri taşımasına sağlamasıdır. Üstelik, LTE ağının Düşük gecikmesi, zamana duyarlı uygulamaların desteklenmesine izin verir ve QoS yönetimi sağlar. LTE-R birçok farklı frekans bandlarında kullanılabilir ve güvenlik amacıyla şifreleme ve kimlik doğrulama ile ilgili birçok özelliklere sahiptir. GSM-R tamamen demiryoluna özel bir şebekedir. Diğer ağlardan bağımsızdır ve doğrudan yolculara herhangi bir hizmet sunmaz. Ancak, öte yandan, LTE-R, LTE şebeke operatörüne dayanan ve bağlı bir demiryolu iletişim sistemidir. Bu nedenle, LTE şebeke kaynakları demiryolu işletmecisi ve telekomünikasyon operatörü kullanıcıları arasında paylaşılacaktır. Demiryolu ortamında bu sorun teşkil eder çünkü çekirdek demiryolu hizmetleri ile sıradan kullanıcı hizmetleri arasındaki herhangi bir çatışma ölümcül olabilir. Bu nedenle, LTE tabanlı HSR şebekesinde veri önceliklendirmesi ve kontrol (operasyonel) ve kullanıcı (operasyonel olmayan) servisler ile trafik arasındaki kritik önemdeki ayrıma vurgu HSR ortamlarında radyo kaynak yönetimi (RRM) şemalarını incelemek ve araştırmak için bir motivasyon olarak hizmet eder, etkin bir kaynak kullanımını sağlamak ve sistem performansını artırmak için bir araç olarak kullanmaktır. RRM üç ana elementlerden oluşur: kabul denetimi, kaynak ayırma ve güç denetimi. HSR ağı için kaynak yönetimi şemalarının araştırma sonuçlarını toplayan ve özetleyen bu çalışmada kapsamlı bir anket yapılmıştır. Anketin sonuçları, literatürdeki mevcut RRM çalışmalarının çoğunun bağımsız olarak tek bir RRM elemana odaklandığını göstermektedir. Bununla birlikte, daha iyi bir sistem performansı elde etmek için, çapraz katmanlı yolu kullanarak RRM elemanları birlikte optimize etmek. Böylece, farklı katmanlardan kaynaklanan farklı gereksinimleri ve kısıtlamaları karşılama şansımızı artırmış oluruz. bu yöntem aşırı derecede yararlı olduğunu bulunmuş fakat hala bazı zorlayıcı yanları vardır. Böyle çapraz katman optimizasyon modelleri, bu tabakalardaki doğal ticaret kapalılıklarını kapsamlı ve optimal şekilde yakından takip eder. Yukarıdaki açıklamalar ışığında, bu çalışma, LTE tabanlı HSR kablosuz ağlarda, çapraz katman tasarım metodolojisini kullanan ve kaynak ayırma, kabul ve güç kontrolünü optimize eden gecikmeli bir optimizasyon çerçevesi sunuyor. Önerilen çerçeve, HSR altyapısının dinamik ağ yönetimine ilave bir gecikme kısıtlaması getirerek ve dolayısıyla ağın çıkış performansını maksimize ederek yukarıda belirtilen hususları ortaklaşa optimize ederek literatürdeki önceki çalışmaları genişletmektedir. Önerilen şema ortalama gecikme kısıtlamaları altında sistem yararını en üst düzeye çıkarır, kuyruk kararlılığı ve ortalama gücü, kuyruk kararlılık problemine dönüştürülen birleşik stokastik problemi formüle ederek hesaplar. Lyapunov sürüklenme teorisini kullanarak kuyruk kararlılık sorunu ayrı konveks altproblemlere ayrıştırılır. Altın bölüm arama yöntemi, kaynak tahsisi altproblemi için küresel olarak en uygun çözümü elde etmek için kullanılır. Son olarak, dağıtılmış bir dinamik kaynak yönetim tekniği önerilmiş ve performansı, HSR kablosuz ağlar için gerçekçi koşullar altında değerlendirilmiştir. Sayısal simulasyonlar MATLAB üzerinde gerçekleştirildi ve elde edilen sonuçlara göre, önerilen yaklaşımın, verimlilik performansı iyileştirilmesini ve ortalama gecikme gereksinimlerini karşılarken bağlantı kapasitesinin arttırılmasını sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
High-speed railway (HSR) has been deployed worldwide as the dominant fast public transportation system. HSR infrastructure features an increasing amount of control and multimedia transmissions to ensure the safety and efficiency of the transportation, and to support the increasing demand from passengers for the Internet services. Since GSM-R offers limited data transmission capabilities and inefficient radio resource usage, alternative communication systems should be investigated to support the increasing traffic demand. Therefore, the deployment of wideband wireless communication technologies is an urgent need for the operation of HSR to provide reliable and robust connection with the central control systems, and to offer seamless Internet access for passengers. LTE is envisioned as the leading candidate to replace GSM-R for the future railway infrastructures due to its packet-switched network architecture with high data transmission capacities and low latency. The increasing amount of wireless traffic in HSR necessitates the development of radio resource management (RRM) techniques to enable the efficient resource utilization. However, the design of such techniques is quite challenging due to the very dynamic channel conditions between the fast moving train and base stations, and the operational and passenger services with heterogeneous QoS requirements. RRM techniques for HSR wireless networks should jointly optimize the different aspects of resource allocation, admission and power control while observing different network constraints to enhance the system performance. This optimization should be performed in a cross-layer manner by considering the distinctive parameters and constraints stemmed from different network layers. Furthermore, it should manage the inherent trade-offs between these layers in a comprehensive close-to-optimal manner. In the light of the above, this work presents a delay-aware optimization framework which exploits the cross-layer design methodology and optimizes the resource allocation, admission and power control in LTE-based HSR wireless networks. The proposed framework extends previous works in literature by introducing an additional delay constraint to the dynamic network management of HSR infrastructure, and, hence, maximizing the throughput performance of the network while jointly optimizing the aforementioned aspects. The proposed scheme maximizes system utility under the constraints of average delay, queue stability and average power by formulating a joint stochastic problem which is transformed into a queue stability problem. Using Lyapunov drift theory, the queue stability problem is decomposed into separate convex subproblems. Golden section search method is used to achieve a globally optimal solution for the resource allocation subproblem. Then, a distributed dynamic resource management technique is proposed, and its performance is evaluated under realistic conditions for HSR wireless networks. Numerical simulations is performed on MATLAB and the results show that the proposed approach provides an improved throughput performance and enhanced link capacity, while satisfying the average delay requirements.
Benzer Tezler
- Self-organized network management model for next generation wireless heterogeneous systems
Yeni nesil kablosuz çoktürel sistemlerde kendini düzenleyen ağ yönetim modeli
ÖZGÜR UMUT AKGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BERK CANBERK
- Makine öğrenmesi yöntemleri kullanılarak radyo erişim ağları için dinamik radyo kaynak yönetimi
Dynamic radio resource management for radio access networks by using machine learning techniques
AYSUN ASLAN SARUHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK TOKER
- Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde insansız hava araçları için kaynak yönetim teknikleri
Resource management techniques for unmanned aerial vehicles in next generation communication systems
UYGAR DEMİR
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK TOKER
- Gelecek nesil radyo erişim ağlarında dinamik kaynak yönetimi
Dynamic resource management in future radio access networks
ÖMER HALİLOĞLU
Doktora
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CENK TOKER
- Resource allocation mechanisms for end-to-end delay optimization of 5G URLLC services
5G URLLC hizmetlerinin uçtan uca gecikme optimizasyonu için kaynak aktarım mekanizmaları
HASAN ANIL AKYILDIZ
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
DR. İBRAHİM HÖKELEK