Study and development of advanced meta-heuristic approaches for resource allocation in intelligent communication systems

Resum

Esta tesis doctoral adopta como punto de partida el concepto de radio inteligente, el cual agrupa todos aquellos sistemas de comunicación capaces de adaptar su funcionamiento ¿ mediante la gestión optimizada de sus recursos radio ¿ tanto a las condiciones del medio físico por el que transmiten la información como a restricciones impuestas por el usuario, operador, o aplicación que los utilizan. Los motivos para la implementación y despliegue de sistemas inteligentes de comunicación son varios y diversos: por un lado, la movilidad de los dispositivos que incorporan esta funcionalidad (abarcando desde personas hasta vehículos de toda clase) dan lugar a fluctuaciones y, ocasionalmente, profundos desvanecimientos de potencia en la señal recibida en la interfaz destino, con particular énfasis en los medios de transmisión inalámbrica. Por otro lado, el ecosistema de aplicaciones multimedia que utilizan este tipo de sistemas demanda requisitos de calidad de servicio cada vez más exigentes por las igualmente crecientes dimensiones de las redes de comunicación que los soportan. Ambos factores condicionan significativamente la asignación de recursos radio tales como frecuencia, tiempo o potencia entre los usuarios y aplicaciones que los explotan, por lo que deben ser tenidos en consideración a la hora de gestionar óptimamente dichos recursos.En este contexto, la investigación realizada tiene por objetivo demostrar la aplicabilidad de nuevas técnicas meta-heurísticas de optimización a la asignación de recursos en sistemas de radio inteligente. Inspiradas en la observación de fenómenos físicos y comportamientos de la Naturaleza, estas técnicas son bien conocidas por equilibrar eficientemente el compromiso entre complejidad computacional y la calidad de las soluciones generadas, balance de gran trascendencia habida cuenta de las crecientes escalas de las redes de comunicación. Específicamente, son tres los escenarios donde se paraboliza la meta-heurística al servicio de la gestión de recursos radio: ¿ El primer escenario se centra en enlaces descendentes donde una estación base transmite a varios usuarios multiplexando la información de cada uno de ellos en una misma señal transmitida mediante el uso de portadoras ortogonales. La imposición de límites en la tasa de transmisión a recibir por cada usuario y la introducción de una segunda estación base a modo de usuario no licenciado en la banda en cuestión da lugar a un problema de optimización con restricciones, resuelto de manera eficiente mediante el algoritmo meta-heurístico búsqueda por harmonía. Esta contribución también incluye un innovador proceso voraz de reparación que permite compatibilizar las soluciones producidas con las tasas de transmisión impuestas por usuario. ¿ El segundo escenario aborda el problema de la asignación dinámica de canales en redes basadas en radio cognitiva, donde la búsqueda por harmonía es empleada para la asignación de canales en frecuencia a los enlaces entre nodos bajo criterios de minimización de su tasa de error promedio. La novedad de esta contribución radica tanto en la aplicación de esta meta-heurística de optimización en sí, como en el diseño del algoritmo para su funcionamiento en topologías distribuidas, orientadas éstas últimas a balancear la complejidad localizada característica de los sistemas centralizados. ¿ El tercer escenario bordea lateralmente la meta-heurística considerando, en su lugar, una rama relacionada en el ámbito del Soft Computing para su aplicación a escenarios de radio inteligente: la lógica difusa. En concreto, se propone un esquema novedoso de selección del método de sensorización espectral según un juego de reglas heurísticas que pueden ser formuladas por expertos o por la propia experiencia del selector. La lógica difusa facilita la consideración conjunta de varios parámetros relevantes para el proceso de selección (e. g. probabilidad de detección o tiempo de cómputo disponible) sin la necesidad de definir un modelo matemático preciso y objetivo para dicho proceso. En resumen, esta tesis supone un avance científico-técnico hacia la adopción de herramientas meta-heurísticas ¿ y por extensión, de Soft Computing ¿ en la gestión de recursos radio de los futuros sistemas inteligentes de comunicación.