User driven cell association in 5G hetnets for mobile and IOT devices

مقدم أطروحة جامعية

al-Wahidi, Yasir

مشرف أطروحة جامعية

Jubran, Muhammad
Husayn, Muhammad

الجامعة

جامعة بيرزيت

الكلية

كلية الهندسة و التكنولوجيا

القسم الأكاديمي

دائرة هندسة أنظمة الحاسوب

دولة الجامعة

فلسطين (الضفة الغربية)

الدرجة العلمية

ماجستير

تاريخ الدرجة العلمية

2019

الملخص العربي

في المستقبل القريب، سيتجاوز المستخدمون الأهداف الرئيسية و متطلبات الاتصال قدرات الشبكات الخلوية القائمة.

هذا سيتطلب تحسين مستمر للتقنيات و الأساليب المستخدمة في بناء هذه الشبكات.

فعلى سبيل المثال، شبكات الجيل الرابع الخليوية سيتم استبدالها بشبكات الجيل الخامس الخليوية التي ستستخدم أحدث التقنيات تقوم فكرة التحول نحو شبكات خلوية جديدة على الحاجة لمجابهة التحديات التي تعجز عن تجاوزها الشبكات الخليوية القائمة بكفاءة.

بالنسبة لشبكات الجيل الخامس هذه التحديات تتضمن سمات أعلى، و سرعات أعلى و الخفاض زمن نقل الإشارة من الطرف الى الاخر، و الاتصال بعدد هائل من الاجهزة، و انخفاض تكلفة و اتساق جودة التجربة الوفرة.

يتوقع اتسام شبكات الجيل الخامس الخليوية بالغير متجانسة المكونة من اكثر من نوع من الخلايا على سبيل المثال الخلايا الصغيرة و الخلايا متناهية الصف.

هذا التصميم يأخذ بالاعتبار النمو الحالي و الرتقب الحركة بيانات أجهزة المستخدمين التنقلة من جهة، و النمو الهائل لاعداد أجهزة انترنت الأشياء من جهة أخرى ان مطالب و اهداف هذين النوعين من الأجهزة هو متنوع لذلك ينبغي النظر في ذلك عند ربط او اتصال أي من هذه الاجهزة بشبكات الجيل الخامس الخليوية الحديثة، خلال هذا العمل، ندرس معضلة اتخاذ قرار الارتباط بالخلية بهدف تحسين توفر البيانات و تخفيض استهلاك الطاقة لدى الاجهزه.

ان الارتباط المعتاد بالشبكة يضمن مستوى أداء مقبول لكافة الأجهزة المتصلة و الجديدة التي سيتم وصلها بالشبكة، و لكن يتم استخدام معدل الإشارة الى التشويش في تنفيذ عمليات الارتباط التقليدي بخلايا الهاتف المتنقل دون الأخذ بعين الاعتبار متطلبات الأجهزة المختلفة و الأولويات التي تشمل، على سبيل المثال لا الحصر، أقصى قدر ممكن من معدل تناقل البيانات و الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة للارسال خلال هذا العمل، نراجع شبكات الجيل الخامس الغير متجانسة المرتقبة، التقنيات الحديثة، توجهات و تطبيقات و أساليب الارتباط بالخلايا، بالإضافة، نراجع عدد من نظريات الألعاب الغير تقليدية القادرة على التعامل مع السيناريوهات المكونة من عدد كبير من اللاعبين.

ثم نطرح خوارزمية الارتباط الموزع بالخلايا باستخدام نموذج لعبة عصابة اللصوص متعددة الايدي و التي تتيح لكل من أجهزة انترنت الأشياء وأجهزة المستخدمين التخاذ قراراتهم الخاصة بالارتباط بالخلايا.

ان اتزان هذه الخوارزمية يقيم عبر سيناريوهات شبكات مختلفة.

بالإضافة، ندرس أداء توفر البيانات و حفظ الطاقة من خلال الخوارزمية المقترحة.

كما و نوثق أداء الخوارزمية المشار اليها في ظروف سكون و حركة الأجهزة.

نتائجنا تشير الى تحسن كفاءة توفر البيانات بنسبة ٣ % و حفظ الطاقة ب ٥ % بالنسبة لأجهزة انترنت الأشياء عبر بناء الثقة بالارتباط بالاعتماد على الحد الأدنى للطاقة المطلوبة للارسال لكل خلية، بالإضافة، تشير نتائجنا الى انخفاض كفاءة توفر البيانات بنسبة ٣٠٤ % و حفظ الطاقة بنسبة ٤٠٣ % عند بدأ ٢٠ % من الأجهزة بالحركة.

نقارن نتائجنا مقابل حلول الارتباط بالمحلية المركزية و العشوائية.

الملخص الإنجليزي

In the near future, users prime objectives and demands of being connected will exceed the current cellular networks capabilities.

This requires continuously enhancing the techniques and technologies used to build these networks.

For example, the fourth generation (4G) cellular networks will be replaced with fifth generation (5G) cellular networks which will use the latest emerging technologies.

The idea to shift toward new cellular networks is based on the need to address different challenges that are not effectively addressed by the preceding cellular networks.

For 5G, those challenges include higher capacity, higher data rate, lower end-toend latency, massive device connectivity, reduced cost and consistent quality of experience provisioning.

5G cellular networks design assumes Heterogeneous Network (HetNets) architecture which consists of different types of cells (e.g., macrocells and small cells).

This design takes into consideration the current and foreseen growth of User Equipment (UE) traffic on one hand, and the massive increase in the number of connected Internet of Things (IoT) devices on the other hand.

The capabilities and needs of these two classes of devices vary, and thus this should be efficiently considered when connecting or associating each of them with the emerging 5G cellular networks.

This work addresses the cell association decision problem aiming to improve throughput and reduce consumed energy.

Ordinary cell association ensures that all connected devices and the new connected devices will have an acceptable performance level.

However, Signal-to-Interference-Plus-Noise Ratio (SINR) is used for traditional Cell association without taking into account different devices requirements and priorities which include, but not limited to, maximum possible data rate and minimum transmission power.

This work reviews 5G foreseen Hetnets architecture, emerging technologies, cell association approaches, implantations, and access modes.

In addition, it reviews a set of non-conventional game theories capable of handling a massive number of players scenarios.

Then, this work proposes a distributed Cell Association using Multi-Armed Bandit (CA-MAB) algorithm which allows each IoT and UE device to take its own association decision based on Mean-Field Multi-Armed Bandit (MAB) game approach.

The convergence and equilibrium of this algorithm are evaluated over different network scenarios.

In addition, this work studies the throughput performance and energy saving of the CA-MAB algorithm.

It also validates the performance of CA-MAB in static and mobile environments.

This work results show an enhancement in throughput efficiency by 3% and energy efficiency by 5% for IoT devices through building association confidence on minimum transmission power required.

In addition, this work results show degradation in throughput efficiency by 4.3% and energy efficiency by 3.5% for UE devices when 20% of those devices start mobility.

The results are also compared against random and centralized association solutions.

التخصصات الرئيسية

تكنولوجيا المعلومات وعلم الحاسوب

الموضوعات

• الإنترنت
• الهواتف المحمولة

عدد الصفحات

54

قائمة المحتويات

• APA
• MLA
• AMA

لغة النص

الإنجليزية

نوع البيانات

رسائل جامعية

رقم السجل

BIM-958764