Qos constrained semi-persistent scheduling of machine type communications in cellular networks

Abstract

Makineler arası iletişimin hücresel ağlarda hızlı bir şekilde büyümesi, kısıtlı spektrum kaynaklarıyla bu makinelerin servis kalitesinin sağlanmasını önemli ölçüde zorlaştırmaktadır.Bu tezde, makineler arası iletişimin bağlanma ve çizelgeleme ek yükünün azaltılması amacıyla,makinelerin veri iletiminin periyodikliğini kullanarak, yarı kalıcı çizelgeleme için bir eniyilemeçerçevesi önerilmiştir. Yarı kalıcı çizelgeleme, makinelerin ağa bağlanması ve çizelgelenmesiiçin gereken işaretleşme ek yükünün azaltılmasını sağlar. Eniyileme problemi,frekans kaynaklarının ağa yeni katılan makineler arası iletişim cihazları ve insandan insanailetişim cihazları arasında adil tahsis edilmesi için, makinelerin kullandığı frekansband sayısını minimize etmeyi amaçlar. Eniyileme probleminin kısıtlamaları makine arasıiletişim cihazlarının periyodiklik ve zamanda sapma gereksinimlerinden oluşmaktadır. ProbleminNP-Zor olduğu kanıtlanmıştır. Öncelikle, problemin en iyi çözümünü elde edenbudamaya dayalı akıllı bir sayım metodu önerilmiştir. Daha sonra problemi çok terimlizamanda yaklaşık olarak çözen sezgisel bir algoritma önerilmiştir. Makinelerin zamandasapma toleranslarının periyotlarına eşit olduğu durumda, önerilen sezgisel algoritmanınen iyi çözüme asimptotik yaklaşım oranının 2.33 olduğu kanıtlanmıştır. Ayrıca, ağa yenikatılan makinelerin çizelgelerinin dinamik olarak yönetilmesi için bir çağrı kabul denetimimekanizması önerilmiştir. Tezde önerilen algoritmaların, daha önce ileri sürülen algoritmalarakıyasla, frekans bandını daha verimli kullandığı ve makinelerin servis kalitesigerekliliklerini sağladığı kapsamlı simülasyonlarla gösterilmiştir.

The dramatic growth of machine-to-machine (M2M) communication in cellular networksbrings the challenge of satisfying the Quality of Service (QoS) requirements of a largenumber of machine-type communication (MTC) devices with limited radio resources. Inthis thesis, an optimization framework for semi-persistent scheduling of M2M transmissionsbased on the exploitation of the periodicity of their transmissions with the goal ofreducing the overhead of connection and scheduling is proposed. Semi-persistent schedulingallows decreasing the overhead of the signaling required for connection initiation andscheduling.The goal of the optimization problem is to minimize the number of frequencybands used by MTC devices to allow fair resource allocation of newly joining machines andhuman-to-human communications. The constraints of the problem are jitter and periodicityrequirements of MTC devices. The optimization problem is proved to be NP-hard. Wefirst propose an efficient fathoming-based smart enumeration algorithm to find the optimalsolution. Then, we propose a polynomial-time heuristic algorithm employing a fixed priorityassignment according to QoS characteristics of devices. We prove that this heuristicalgorithm provide an asymptotic approximation ratio of 2.33 to the optimal solution for thecase where the jitter tolerance of devices are equal to their periods. We also propose a calladmission control scheme to dynamically manage the scheduling of newly joining devices.Through extensive simulations, we demonstrate that the proposed algorithm performs betterthan the existing algorithms by providing a greater efficiency in frequency band usageand satisfying QoS requirements of MTC devices.