Resource Management and Optimization in Multi-User DSL Systems

摘要

`Digital subscriber line' (DSL)-technologie is tegenwoordig de meest pop ulaire technologie voor breedband-internettoegang en zal ook in het volg ende decennium een belangrijke rol blijven spelen. Om echter tegemoet te komen aan de breedbandintensieve en heterogene kwaliteitsvereisten van toekomstige breedbandapplicaties en -diensten, is het van essentieel bel ang om de performantie van DSL-technologie verder te verbeteren. Eén van de grootste belemmeringen voor het verder verbeteren van DSL sys temen, is de elektromagnetische koppeling tussen de verschillende getwis te koperdraden binnen éénzelfde kabelbundel, ook wel overspraak gen oemd. Overspraak transformeert DSL systemen tot een meerdere-gebruiker i nterferentie-omgeving, waarbij verschillende gebruikers, i.e. modems, el kaars datatransmissie significant kunnen beïnvloeden. Dit fenomeen wordt ook wel benoemd als het DSL overspraakprobleem. Meerdere-gebruiker coördinatietechnieken zoals spectrum- en signaalcoörd inatie zijn algemeen gekend als een efficiënte aanpak voor overspraakond erdrukking. Bij deze technieken wordt de transmissie van meerdere gebrui kers zodanig gecoördineerd dat de overspraakimpact voorkomen of zelfs ve rwijderd wordt, resulterend in enorme performantiewinsten. Meer specifiek wordt bij spectrumcoördinatie de destructieve impact van overspraak voorkomen door het zorgvuldig coördineren van de zendspectra van alle modems. Bij signaalcoördinatie wordt de overspraakimpact daaren tegen actief verwijderd door een gemeenschappelijke signaalverwerking va n de zend- en/of ontvangstsignalen. Deze twee types van coördinatie kunn en verder ook gecombineerd worden tot een gemeenschappelijke spectrum- e n signaalcoördinatie-aanpak. De algoritmen voor spectrum- en/of signaalcoördinatie die beschikbaar wa ren bij de start van deze thesis waren echter beperkt in functionaliteit en performantie. Ze waren namelijk vooral gericht op overspraakonderdru kking met als doel de datasnelheden te verhogen. Bovendien waren ze ofwe l optimaal maar te complex, ofwel laag-complex maar zeer suboptimaal. Het hoofdonderwerp van deze thesis is de ontwikkeling van middelenbeheer en -optimalisatie-algoritmen voor zulke spectrum- en/of signaalcoördina tie. Hierbij ligt de hoofdklemtoon op de ontwikkeling van numeriek robuu ste en lage-complexiteitsalgoritmen met een quasi-optimale performantie en die toepasbaar zijn voor grootschalige DSL systemen. Bovendien wordt er bestudeerd hoe de traditionele aanpak van datasnelheidsmaximalisatie kan uitgebreid worden naar een breder gamma van ontwerpdoelen die beter afgestemd zijn op de applicatie- en netwerkkwaliteitsvereisten. Het probleem van optimale spectrumcoördinatie wordt eerst aangepakt met het voorstel van het `branch-and-bound optimal spectrum balancing' (BB-O SB) algoritme, dat erin slaagt om dezelfde globaal optimale oplossing te bekomen als het bestaande `optimal spectrum balancing' (OSB) algoritme, maar dan met een significant gereduceerde computationele complexiteit. Daarnaast worden verschillende gedistribueerde spectrumcoördinatie algor itmen (ASB2, CA-DSB, DSB, MS-DSB) voorgesteld die gekenmerkt worden door een verschillende graad van vereiste centrale controle. Deze algoritmen beschikken over een gedistribueerde 'water-filling'-structuur die bovendien sturing toelaat vanuit een centrale controller door middel van boodschappen. Ze vereisen een zeer lage computationele complexiteit en simulatieresultaten tonen aan dat ze leiden tot quasi-optimale spectrumc oördinatie, zelfs voor grootschalige DSL systemen. Tenslotte wordt er ee n verbeterde 'duale decompositie'-gebaseerde optimalisatie-aanpak o ntwikkeld voor spectrumcoördinatie. Er wordt aangetoond dat deze nieuwe aanpak toelaat de convergentiesnelheid van bestaande spectrumcoördinatie -algoritmen met één ordegrootte te verbeteren, zonder de complexite it te verhogen. Een tweede deel van deze thesis richt zich op de uitbreiding van de trad itionele 'fysische laag'-datasnelheidsmaximalisatie-aanpak van spec trumcoördinatie naar een breder gamma van ontwerpdoelen. Eerst wordt een initieel kader voorgesteld dat toelaat om 'hogere laag'-performant iematen te bestuderen, zoals verwerkingscapaciteit ('throughput') en ver traging ('delay'). Dit wordt verkregen door het combineren van 'hog ere laag'-scheduling en spectrumcoördinatie, waarvoor een aantal algorit men voorgesteld worden die in polynomiale tijd kunnen worden uitgevoerd. Hierna wordt binnen de nieuwe problematiek van groene informatietechnol ogie een kader ontwikkeld voor Groene DSL, dat bestaat uit een reeks van energie-bewuste spectrumcoördinatie-probleemformuleringen. Hiervoor wor dt verder ook een efficiënte oplossingsaanpak voorgesteld. Gebruikmakend van het Groene DSL kader, wordt er aangetoond dat enorme energiebespari ngen mogelijk zijn met slechts een minieme opoffering van datasnelheidsp erformantie. Tenslotte wordt er aangetoond dat eerlijkheid (fairness) ee n belangrijke kwestie wordt bij het toepassen van Groene DSL. Daartoe wo rdt het concept van 'fair greening' geïntroduceerd, dat een aantal aanpakken omvat om eerlijkheid te integreren in de ontwerpdoelen van spe ctrumcoördinatie. Het laatste deel van deze thesis richt zich op gemeenschappelijke spectr um- en signaalcoördinatie. Eerst wordt een 'duale decompositie'-geb aseerde aanpak voorgesteld voor partiële signaalcoördinatie met of zonde r (AAN/UIT) spectrumcoördinatie. Er wordt aangetoond dat deze aanpak bes taande algoritmen zowel in complexiteit als in performantie verbetert. T enslotte wordt een transmissieschema voorgesteld voor gemeenschappelijke spectrum- en ontvangstsignaalcoördinatie, dat bestaande algoritmen sign ificant verbetert, vooral voor DSL scenario's met spatiaal gecorreleerde (externe) overspraakinvloeden.