A Technical and Economic Framework for End-to-End Realization of the User-Centric Telecommunication Paradigm [Elektronische Ressource] / Manzoor Ahmed Khan. Betreuer: Sahin Albayrak

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 19
• Langue: English
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Extrait

A Technical and Economic Framework
for End-to-End Realization of the
User-Centric Telecommunication
Paradigm
vorgelegt von
Manzoor Ahmed Khan, M.S.
aus Quetta
Von der Fakultat¨ IV - Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universitat¨ Berlin
zur Erlangung der akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
Dr.-Ing.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
1. Vorsitzender: Prof. Dr. Axel Kupper¨
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Sahin Albayrak
3. Prof. Dr. Stefano Salsano
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 9.12.2011
Berlin, 2011
D 83iiAbstract
The realization of a user-centric paradigm in future telecommunication networks,
which implies free and automatic choice among different available wireless and
mobile access networks, will revolutionize the future Internet. For this innovative
concept to materialize, a paradigm shift is required from contract-based mobile
service delivery to an open, dynamic service delivery environment. This dictates
that all stakeholders of telecommunication market (e.g., spectrum holders, net-
work / service providers, and users) will adapt their strategies, objective functions,
and decision making mechanisms to cope with the envisioned user-centric tele-
com landscape. The dynamics of next generation wireless networks will force
operators to translate the most commonly used objective functions of throughput
maximization, resource utilization, call blocking minimization, etc. into user sat-
isfaction. Ideally providers should be equipped with user satisfaction evaluation
/ estimation frameworks to attain such objectives, specifically when operators are
faced with dynamic spectrum trading (e.g., with spectrum brokers) on one hand
and competition for short term contractual users on the other. In such a dynamic
telecommunication paradigm, the strategies of all stakeholders are clearly interde-
pendent and achieving any global objective function of user satisfaction depends
on the scope of modeling the interactions among all involved stakeholders and
their strategies.
The basic emphasis of this thesis is to model the decisions of different stakeholders
(i.e., users, providers, and spectrum holders), study their interdependencies, and
propose a comprehensive technical framework to realize the user-centric telecom-
munication paradigm. In this connection, the decision of network selection is
modelled at user level, service-offer computations and spectrum-demand estima-
tions are studied at the operator level, and dynamic spectrum allocation problem is
addressed at spectrum holder level. Owing to the mobility of users, changing con-
texts, varying user preferences, and dynamic wireless medium characteristics, thecomplexity of system grows and the environment may not be assumed constant.
Thus we needed to study and explore the dynamic behavior of such dynamic sys-
tem that does not only involve the time dependencies and state of environment,
but also the variability of demands, uncertainty of system parameters, time delays,
error and noise in the measurements over long-term interactions. One way of mod-
eling such dynamic interactions is to introduce learning and adaptive procedures,
which we have also done in the thesis.
The thesis covers the following main dimensions: I) Introducing a generic user
satisfaction function for Real Time (RT) and Non-Real Time (NRT) applications
- The proposed user satisfaction function is based on the utility theory and vali-
dated against subjective and objective measurements. It captures the user behavior
from both technical and economic perspectives, as well as the technology han-
dover and codec switchover costs. II) Modeling user-centric network selection -
Based on the proposed user satisfaction function, user-centric network selection
is modeled and an IMS-based realization framework is suggested. The ping-pong
effect produced by frequent handovers is also addressed in the framework. III)
Operator-centric resource utilization - Concentrating on operators’ strategies for
attaining the goal of optimal resource utilization and still satisfying the user re-
quirements, a Kalai-Smorodinsky based bargaining solution for resource sharing
is proposed, which is then extended to multi-operator scenario. IV) In the future
dynamic telecom landscape, network providers will be faced with decisions over spectrum demands, which also influences their extended service offers
to the users, both technically and economically. This forms the basis of our next
contribution, i.e., extending the interactions that capture the system-wide dynam-
ics with all stakeholders involved in the end-to-end service provision. We also
study the equilibrium characteristics in such interactions. V) In the more complex
and dynamic environment of future wireless networks, users and providers have
only the numerical values of their utility functions as representative information.
This component of the thesis introduces various distributed and heterogeneous re-
inforcement learning schemes, which are specific to the learning aspects of both
payoffs and strategies of the players. We study the system dynamics with different
learning schemes in network selection and introduce the novel concept of ”cost-to-learn”, which is then extended to study the coalition based network selection.
We also highlight open research issues in this regard.Abstract
Die Realisierung eines benutzer-zentrischen Paradigmas in Telekommunikation-
snetzwerken, was die freie und automatische Auswahl zwischen verschiedenen
verfugbaren¨ drahtlosen und mobilen Zugangsnetzwerken impliziert, wird das zukunftige¨
Internet revolutionieren. Damit sich dieses innovative Konzept durchsetzen kann
muss ein Paradigmenwechsel weg von vertragsbasiertem Mobilfunkservice hin
¨zu einer offenen, dynamischen Mobilfunkumgebung. Dazu ist von Noten, dass
alle Teilnehmer am Mobilfunkmarkt (z.B. Lizenznehmer von Mobilfunkfrequen-
zen, Netzwerk / Service Anbieter und Mobilfunkteilnehmer) ihre Strategien, Ziel-
funktionen und Entscheidungsmechanismen anpassen, um der vorausgesehenen
benutzer-zentrischen Telekommunikations-Landschaft gerecht zu werden. Die dy-
¨namische Entwicklung der nachsten Generation drahtloser Netzwerke wird die
Mobilfunkanbieter dazu zwingen ihre meist genutzten Zielfunktionen zur Durch-
satzmaximierung, Ressourcenauslastung, Minimierung von ”Call-Blocking” usw.
in Nutzerzufriedenheit zu ubersetzen.¨ Idealerweise sollten Anbieter mit einem
System zur Evaluierung / Abschatzung¨ der Nutzerzufriedenheit ausgestattet wer-
den, um diese Ziele zu erlangen. Dies gilt insbesondere, wenn die Mobilfunkanbi-
eter mit dynamischem Frequenzhandel (z.B. durch Frequenzbroker) auf der einen
Seite, sowie Wettbewerb um Nutzer mit kurzzeitigen Vertragen¨ auf der anderen
Seite konfrontiert werden. Mit einer solchen dynamischen Telekommunikations-
Umgebung sind die Strategien aller Teilnehmer klar voneinander abhangig¨ und das
Erreichen jeglicher. Das Erreichen einer globalen Zielfunktion der Nutzerzufrieden-
heit hangt¨ somit ab von der Modellierung der Interaktionen aller Teilnehmer und
ihrer Strategien.
Der grundliegende Schwerpunkt dieser Doktorarbeit ist es die Entscheidungen der
unterschiedlichen Teilnehmer zu modellieren (also der Nutzer, der Mobilfunkan-
bieter und der Frequenz-Lizenznehmer), ihre Abhangigk¨ eiten zu studieren und einumfassendes technisches Framework vorzuschlagen, um das benutzer-zentrische
Paradigma in Telekommunikationsnetzwerken zu realisieren. In diesem Zusam-
menhang wird die Entscheidung der Netzauswahl auf Benutzerebene modelliert,
Berechnungen zu Service Angeboten und Abschatzungen¨ des Frequenzbedarfs auf
Anbieterebene studiert, und die Problematik der dynamischen Frequenzzuweisung
auf der Ebene der Frequenz-Lizenznehmer addressiert. Aufgrund der Mobilitat¨
der Nutzer, sich anderndem¨ Kontext, veranderlichen¨ Nutzer-Praferenzen¨ und dem
dynamischen Charakter des drahtlosen Mediums wachst¨ die Komplexitat¨ des Sys-
tems und die Umgebung kann nicht als konstant angenommen werden. Daher
war es erforderlich das dynamische Verhalten eines solch dynamischen Systems
¨zu studieren, welches nicht nur die Abhangigkeit von der Zeit und den Zustand
¨der Umgebung involviert, sondern auch die Variabilitat der Nachfrage, die Un-
¨sicherheit der Systemparameter, zeitliche Verzogerungen, Fehler und Messunge-
nauigkeiten bei langfristigen Interaktionen. Eine Moglichk¨ eit solch dynamische
Interaktionen zu modellieren ist die Einfuhrung¨ lernender und adaptiver Proze-
duren, was in dieser Arbeit ebenfalls erbracht worden ist.
Die vorliegende Doktorarbeit deckt die folgenden Hauptrichtungen ab: I) Die
Einfuhrung¨ einer generischen Nutzer-Zufriedenheitsfunktion fur¨ Echtzeit und Nicht-
Echtzeit Applikationen - Die vorgeschlagene Nutzer-Zufriedenheitsfunktion basiert
auf der Nutzentheorie und wurde in Bezug auf subjektive und objektive Mes-
sungen validiert. Sie beinhaltet sowohl das Nutzerverhalten aus technischer und
ok¨ onomischer Perspektive, als auch die Kosten fur¨ ”technology handover” und
”codec switchover”. II) Modellieren der nutzer-zentrierten Netzauswahl - Basierend
auf der vorgeschlagenen Nutzer-Zufriedenheitsfunktion wird die nutzer-zen