A QoS-aware resources sharing architecture for homogeneous and heterogeneous wireless networks

Abstract

The static model currently applied by governmental authorities for allocating the spectrum of frequencies and the increasing demand for network resources imposed by modern applications and services may lead to a resources scarcity problem in the near future. Dealing with this problem demands improvements on resources allocation. One of the ways of providing such improvements is by allowing resources sharing among network operators in both homogeneous and heterogeneous network scenarios. These network operators may implement different technologies, such as collective use of spectrum and licensed shared access to the spectrum of frequencies. Many related works have been proposed in the same context of the presented research, however these related works generally identify the need for additional resources and search for available resources without taking into account the QoS requirements of the resources renter and the costs involved in the resources sharing initiative. Therefore, in this thesis, a novel architecture is proposed to facilitate the implementation of resources sharing and consequently encourage network operators to lease their underutilized resources taking into account both the cost and the QoS requirements. This approach allows the network operator which is serving the resources to improve its profits at the same time that allows quality of service improvements to the resources renter. The main contributions of the proposed architecture include but are not limited to the design of a multilevel resources broker to control the resources sharing process. This broker is concerned on dynamically establishing a service level agreement that takes into account the quality of service requirements of resources renter. This process focuses on exchanging a small amount of control information to prevent the overhead from interfering with the legitimate traffic of the network operators. Another important contribution of the proposed approach is to improve the resources allocation in comparison with related work. Furthermore, the proposed solution is capable of taking fast decisions regarding resources allocation, what leads to the implementation of fast handover, allowing the traffic steering without interfering with incumbent users. The proposed architecture is modeled analytically and simulated using Matlab to evaluate its behavior in three different scenarios, considering both homogeneous and heterogeneous networks. The overhead in practical operation scenarios is kept under 1% of the total network traffic, what is considered not to interfere with the transmissions of the network operators. The fast decisions taken by the resources sharing architecture are based on accurate traffic load forecasting, what leads to fast handover, attaining times up to 46% lower than the maximum allowed handover duration. Results also show that both delay and jitter metrics are controlled to be maintained below their specific thresholds of the analyzed applications and therefore, the QoS is guaranteed for the resources renter, considering the coexistence of up to 500 devices.

O atual modelo de alocação espectral implementado pelas autoridades governamentais somado à crescente demanda por recursos imposta pela implementação de modernas aplicações e serviços de rede irá resultar em um problema relacionado à escassez de recursos em um futuro próximo. Lidar com este problema demanda esforços no sentido de melhorar a alocação de recursos. Uma das maneiras de atingir este tipo de melhoria é permitir o compartilhamento de recursos entre operadores em redes homogêneas e heterogêneas que podem implementar diferentes tecnologias, como a utilização coletiva do espectro e de recursos licenciados. Diversos trabalhos relacionados à esta pesquisa foram propostos. Entretanto, estes trabalhos geralmente identificam a necessidade de obter recursos adicionais, porém buscam por esses recursos sem levar em conta os requisitos de qualidade de serviço e o custo envolvido no compartilhamento desses recursos. Considerando esse contexto, nesta tese, uma nova arquitetura é proposta para permitir a implementação do compartilhamento de recursos e para encorajar operadores a alugarem recursos sobressalentes levando em conta o custo e a qualidade de serviço oferecida. Esta abordagem permite que operadores tenha ganhos com o aluguel dos recursos, ao mesmo tempo em que o cliente recebe serviços com maior qualidade. As principais contribuições da arquitetura proposta incluem o projeto de um controlador de recursos para coordenar o processo de compartilhamento. Esse controlador busca estabelecer contratos de serviço dinâmicos levando em conta a qualidade de serviço requerida. Para tanto, é necessária a troca de informações que, no caso da arquitetura proposta, é mantida baixa para evitar que a rede seja sobrecarregada e acabe interferindo com o tráfego de dados. Além disso, a solução proposta é capaz de tomar decisões rápidas sobre a alocação de recursos, o que permite o redirecionamento do tráfego sem que ocorram interferências com os demais usuários. A arquitetura proposta é modela analiticamente e simulada com o auxílio da ferramenta Matlab. O desempenho da proposta é medido em três diferentes cenários, considerando tanto redes homogêneas, quanto heterogêneas. A sobrecarga gerada pela troca de informações de controle corresponde a menos de 1% do tráfego total da rede, o que é desprezível do ponto de vista da interferência com o tráfego de dados. As decisões rápidas tomadas pela arquitetura são baseadas na previsão acurada do tráfego futuro da rede e permitem o redirecionamento do tráfego para outras redes em um tempo até 46% abaixo do limite máximo especificado na literatura para este tipo de redirecionamento. Os resultados mostram ainda que as métricas de atraso e variação do atraso também são mantidas abaixo dos limites especificados, o que indica que a qualidade de serviço é garantida nos cenários avaliados.