Asignación de espectro basado en inteligencia artificial y teoría de juegos para el control de interferencia en una red heterogénea

Abstract

El vertiginoso y exponencial incremento de los nuevos servicios móviles e inalámbricos, inherentes a las necesidades de una sociedad hiperconectada, demandan cada vez más el acceso casi inmediato y permanente de diferentes recursos radio, lo que implica atender de manera cuidadosa, aspectos de estudio como la prevista escasez del espectro electromagnético y su considerable subutilización en las radiocomunicaciones actuales, motivando así la investigación de modelos emergentes para la asignación dinámica de espectro. De esta manera, el Acceso Dinámico de Espectro (DSA, Dynamic Spectrum Access) se presenta como una solución prometedora para el reúso resiliente de canales inalámbricos de comunicación, en esquemas oportunistas o compartidos de bandas de frecuencia, entre las tecnologías y servicios que así lo requieran. El reto principal de la DSA parte de la necesidad de garantizar a todos los usuarios de una red, protección contra la interferencia que se pudiera generar durante la ocupación simultánea de un canal de comunicación, bien sea, compartiéndolo concurrentemente entre diferentes tecnologías inalámbricas o reciclándolo cuando se encuentre disponible. Por lo tanto, se considera pertinente restringir el acceso a una cantidad sobrecargada de usuarios, con el fin de conseguir una coexistencia pacífica e inofensiva en un área de cobertura dada, teniendo en cuenta que el uso simultaneo de un canal por uno o más usuarios, será posible siempre y cuando, no excedan el umbral de interferencia y se ajusten a las restricciones impuestas por el sistema. En consecuencia, en este trabajo de investigación se emplean técnicas de Inteligencia Artificial (AI, Artificial Intelligence) basadas en Optimización por Enjambre de Partículas (PSO, Particle Swarm Optimization) y Teoría de Juegos (GT, Game Theory), con el fin de dar solución al problema de DSA en una Red Heterogénea (HetNet, Heterogeneous Network), teniendo como función de utilidad métricas asociadas a la maximización de la tasa de datos y la densidad de usuarios, mediante el control de los niveles de interferencia establecidos por el escenario de comunicación bajo análisis.

The vertiginous and exponential increase of the new mobile and wireless services, inherent to the needs of a hyperconnected society, increasingly demand the almost immediate and permanent access of different radio resources, which implies careful attention, aspects of study such as expected shortage of the electromagnetic spectrum and its considerable underutilization in current radiocommunications, thus motivating the investigation of emerging models for dynamic spectrum allocation. In this way, Dynamic Spectrum Access (DSA) is presented as a promising solution for the resilient reuse of wireless communication channels, in opportunistic or shared frequency band schemes, among the technologies and services that so require. The main challenge of the DSA starts from the need to guarantee to all users of a network, protection against interference that could be generated during the simultaneous occupation of a communication channel, either, sharing it concurrently between different wireless technologies or recycling it when is available, Therefore, it is considered pertinent to restrict access to an overloaded amount of users, in order to achieve a peaceful and harmless coexistence in a given coverage area, taking into account that the simultaneous use of a channel by one or more users, it will be possible as long as they do not exceed the interference threshold and conform to the restrictions imposed by the system. Consequently, this research work uses Artificial Intelligence (AI) techniques based on Particle Swarm Optimization (PSO) and Game Theory (GT), in order to give solution to the problem of DSA in a Heterogeneous Network (HetNet), having as utility function metrics associated with the maximization of the data rate and user’s density, by controlling the interference levels established by the scenario of communication under analysis.