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Defensa Tesis Doctorado : “Stochastic models for cognitive radio networks”

Viernes 8 de diciembe 09:30hs, Salón Azul (502)-Facultad de Ingeniería, J. Herrera y Reissig 565

Tenemos el agrado de invitarlos a la defensa de tesis de doctorado de Claudina Rattaro : “Stochastic models for cognitive radio networks”

Director de Tesis : Pablo Belzarena y Paola Bermolen

Tribunal : Héctor Cancela, Andrés Ferragut, Matthieu Jonckheere, María Simon y Sandrine Vaton

Saludos,

Pablo Belzarena

Resúmen :

Hace ya un buen tiempo que las redes inalámbricas constituyen uno de los temas de investigación más estudiados en el área de las telecomunicaciones. Actualmente un gran porcentaje de los esfuerzos de la comunidad científica y del sector industrial están concentrados en la definición de los requerimientos y estándares de la quinta generación de redes móviles. 5G implicará la integración y adaptación de varias tecnologías, no solo del campo de las telecomunicaciones sino también de la informática y del análisis de datos, con el objetivo de lograr una red lo suficientemente flexible y escalable como para satisfacer los requerimientos para la enorme variedad de casos de uso implicados en el desarrollo de la “sociedad conectada”. Un problema que se presenta en las redes inalámbricas actuales, que por lo tanto genera un desafío más que interesante para lo que se viene, es la escasez de espectro radioeléctrico para poder asignar bandas a nuevas tecnologías y nuevos servicios. El espectro está sobreasignado a los diferentes servicios de telecomunicaciones existentes y las bandas de uso libre o no licenciadas están cada vez más saturadas de equipos que trabajan en ellas (basta pensar lo que sucede en la banda no licenciada de 2.4 GHz). Sin embargo, existen análisis y mediciones que muestran que en diversas zonas y en diversas escalas de tiempo, el espectro radioeléctrico, si bien está formalmente asignado a algún servicio, no se utiliza plenamente existiendo tiempos durante los cuales ciertas bandas están libres y potencialmente podrían ser usadas. Esto ha llevado a que las Redes Radios Cognitivas, concepto que existe desde hace un tiempo, sean consideradas uno de los pilares para el desarrollo de las redes inalámbricas del futuro. Este paradigma busca romper con el esquema tradicional de asignación de espectro de bandas licenciadas para uso exclusivo, permitiendo que los usuarios secundarios puedan usar aquellas bandas licenciadas, de manera oportunista, cuando los usuarios primarios no están presentes. Otro modelo posible dentro de las redes cognitivas, complementario al anterior, es pensar que el usuario primario es quien asigna a operadores secundarios el espectro que en ese momento no está utilizando a cambio de un cierto beneficio para él o para sus usuarios. Esto introduce diversos problemas económicos y de teoría de juegos aplicados a las redes cognitivas. Un aspecto fundamentalmente buscado es que los usuarios primarios no se vean afectados (o sean afectados lo menos posible) al participar en estos mecanismos. Para ello, un modelo posible consiste en establecer prioridad absoluta a los primarios en el uso del espectro. Esto es, en caso de que un primario necesite un cierto ancho de banda y no exista capacidad suficiente en el sistema, al menos un secundario debe ser desalojado para ceder los recursos al primario. En este contexto, las comunicaciones de los secundarios pueden ser abruptamente interrumpidas  generándoles cierto perjuicio. Es entonces que resulta necesario desarrollar los mecanismos adecuados para mantener el cumplimiento de calidad de servicio necesario, en particular para aplicaciones con requerimientos exigentes, tanto para los usuarios primarios como para los secundarios. Sumado a lo anterior, el Internet de las Cosas (IoT) dibuja un futuro de miles de millones de dispositivos interconectados. Concretamente, en 2022 se prevé que existan en todo el mundo 29.000 millones de dispositivos conectados según el último Mobility Report de Ericsson (Junio 2017). En escenarios de este tipo, los modelos y algoritmos más usados para el análisis de redes muchas veces resultan inaplicables. Esto trae otro desafío: lograr comprender el comportamiento de estas redes cuando la cantidad de usuarios y la cantidad de conexiones es inmensamente grande. Esta tesis es una contribución en esta dirección. Con lo anterior en mente, a lo largo de esta tesis se destacan cuatro grandes áreas de trabajo que se resumen a continuación. Considerando un número finito pero grande de recursos para compartir entre usuarios primarios y secundarios, y considerando el esquema de prioridad absoluta para las comunicaciones de los primarios, a lo largo de la tesis se aplican modelos de límites fluidos para analizar y caracterizar el comportamiento de la asignación de espectro en un sistema de redes radio cognitivas. A partir del análisis y la caracterización se aborda el problema de garantizar ciertos niveles de calidad de servicio a los usuarios secundarios tratando de utilizar de forma inteligente el espectro radioeléctrico disponible. En particular, se proponen criterios prácticos para reducir la probabilidad de interrupción de conexión de los secundarios. En la tesis se analiza la siguiente pregunta: ¿cómo incentivar a los usuarios primarios a participar en este modelo? En otras palabras, ¿cómo motivarlos para que cedan sus bandas  (por las que generalmente han pagado grandes sumas de dinero) a los usuarios secundarios? Un modelo razonable es que los secundarios paguen al operador primario por la utilización del espectro. Por otro lado, bajo la consigna de prioridad absoluta de las comunicaciones primarias, surge otra pregunta: ¿qué hacer cuándo se tiene que abortar abruptamente la comunicación de un secundario siendo que este ya pagó por el recurso? Contestando a esto último, en la literatura se observó que una opción razonable es reembolsar al secundario afectado (provocando un costo para el operador primario). Dicho lo anterior, resulta natural la aplicación de un control de admisión de secundarios de forma de que el operador primario no se vea afectado económicamente, al contrario, logre obtener algún beneficio por la participación en el mecanismo de espectro compartido. Bajo esta temática, se trabaja bajo dos enfoques. Por un lado se continúa el análisis realizado con modelos fluidos incorporando el aspecto económico. Y por el otro, se modela el problema utilizando procesos de decisión Markovianos. En ambos casos, el problema abordado consiste en encontrar y caracterizar la política de admisión de usuarios secundarios que maximice la ganancia del operador primario. En el estudio de procesos Markovianos, una vez caracterizado el sistema, se utiliza dicho análisis para optimizar algoritmos de programación dinámica utilizados para la resolución de este tipo de problemas (ej: Policy Iterator) y por otro lado, como contribución del enfoque de límite fluido se presenta una metodología que permite obtener una estimación de la política óptima basada en la resolución de ecuaciones diferenciales sencillas. Complementando el trabajo realizado y de forma de darle completitud al estudio de las posibilidades que las redes radio cognitivas ofrecen se integran a los modelos anteriores aspectos geométricos como por ejemplo : la distribución de usuarios primarios y secundarios en el espacio. Por este motivo, se incorpora al modelado herramientas de geometría aleatoria. En este sentido se trabaja en responder las siguientes preguntas: ¿qué posibilidades brindan las redes cognitivas desde el punto de vista de los usuarios secundarios?, ¿cómo se ven afectadas las comunicaciones de los primarios? En este aspecto se dan los primeros pasos en un modelado y análisis de un sistema de redes cognitivas considerando varios canales y re-asignación espacial. Se determinan distintas métricas de desempeño que contribuyen a responder las preguntas mencionadas. Debido a la alta experiencia del grupo ARTES\footnote{https://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/artes/en/home/} en el modelado y análisis de grafos aleatorios y de herramientas del tipo límite fluido, se trabaja en un modelo de asignación de espectro donde las características de la red son abstraídas a un grafo. En particular, los nodos del grafo representan a los usuarios primarios y secundarios; y las aristas definen que aquellos nodos que tienen una en común no pueden transmitir simultáneamente. Con este modelado, trabajando con un caso particular de grafos aleatorios (aquellos definidos por la distribución de grados), se logran resultados más generales que con el enfoque de geometría aleatoria debido a que estos últimos tienen hipótesis muy fuertes requeridas para la obtención de expresiones analíticas tratables de las métricas deseadas. Es importante resaltar que todos los resultados y las contribuciones de la tesis son verificados mediante simulaciones en diversos escenarios.