Καταστολή παρεμβολών με τεχνικές χωρικής απομόνωσης και ανάθεσης πόρων σε OFDMA συστήματα
Authors: Σεϊμένη Μαρία 
Published: September 2021

Τα σύγχρονα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα παρουσίασαν ταχεία εξέλιξη τις τελευταίες δεκαετίες και εξαιτίας τις διαφορετικότητάς τους σε επίπεδο λογισμικού, αρχιτεκτονικής, κόστους εγκατάστασης, φασματικών αναγκών, ζώνης λειτουργίας (τόσο αδειοδοτούμενης, όσο και μη-αδειοδοτούμενης), εμβέλειας, χωρητικότητας, ταχύτητας, ασφάλειας και ιδιωτικότητας, οδήγησαν γρήγορα στο συνωστισμό του διαθέσιμου ραδιοφάσματος. Στην παρούσα φάση, ένα από τα καίρια ζητήματα που χρήζουν άμεσης αντιμετώπισης από την επιστημονική κοινότητα είναι και η αποτελεσματικότερη αξιοποίηση των ασύρματων πόρων. Mε κεντρικό θέμα συζήτησης τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας 4G, οι προσπάθειες της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζονται προς την ίδια κατεύθυνση με τη βοήθεια της πολυτονικής τεχνολογίας πρόσβασης OFDMA, η οποία μεταξύ άλλων παρουσιάζει ατρωσία στις ομοδιαυλικές παρεμβολές στενής ζώνης (Co-Channel Interference) και ευνοεί τη διαχείριση ραδιοπόρων (RRM) με κατάλληλες τεχνικές. Ο άξονας της ερευνητικής δραστηριότητας όπως αυτή διαμορφώνεται στη διατριβή περιγράφεται στη συνέχεια. Αρχικά, στο Κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται σύντομη ιστορική αναδρομή στις τεχνολογικές γενιές των ασύρματων τηλεπικοινωνιών, κατηγοριοποιούνται βάσει εμβέλειας τα κύρια επικοινωνιακά συστήματα και δίκτυα και συνοψίζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους. Από την παραπάνω ανασκόπηση εντοπίζονται οι αδυναμίες των υφιστάμενων συστημάτων και παρουσιάζονται τα κίνητρα, τα οποία εν ολίγοις αποτέλεσαν το έναυσμα της παρούσας διδακτορικής έρευνας.Στο επόμενο κεφάλαιο (Κεφάλαιο 2), παρουσιάζεται το φυσικό στρώμα PHY της πολυτονικής ορθογωνικής διαμόρφωσης OFDM και περιγράφονται στο μέτρο του δυνατού οι κύριες βαθμίδες ενός OFDM πομποδέκτη. Υπό το πρίσμα του πομποδέκτη, η μελέτη ολοκληρώνεται με την υλοποίηση πλατφόρμας προσομοίωσης ενός πολυκυψελωτού δικτύου πολλαπλής πρόσβασης (Multi-User OFDM), στα πλαίσια της οποίας προβλέπεται η κυψελική τομεοποίηση (Sectorization), ο πλειστηριασμός των σταθμών βάσης, η δυναμική ανάθεση των διαθέσιμων υποφορέων και της ισχύος (dynamic RRM), καθώς και ο έλεγχος της καταναλισκώμενης ισχύος για δεδομένο σηματοθορυβικό λόγο (SINR). Επειδή η παραμετροποίηση του συστήματος είναι εκτενής και η πλατφόρμα πραγματοποιεί προκαθορισμένο πλήθος Monte Carlo προσομοιώσεων, δευτερευόντως κρίθηκε απαραίτητη η ανάπτυξη και εφαρμογή υποβέλτιστου αλγόριθμου σύγκλισης αποτελεσμάτων. Ο εν λόγω αλγόριθμος "αποφασίζει" τον τερματισμό ή την συνέχεια των προσομοιώσεων βάσει των πιο πρόσφατων λαμβανόμενων δειγμάτων, είναι απλός, επιβαρύνει ελάχιστα τις προσομοιώσεις σεναρίων και οδήγει σε αντιπροσωπευτικά αποτελέσματα (ελαχιστοποιημένο σφάλμα). Το Κεφάλαιο 3, εν συνεχεία, εστιάζει στο υψίστης σημασίας ζήτημα της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων. Έτσι, παρατίθενται οι σύγχρονες απόψεις που προτείνονται στη σχετική βιβλιογραφία και ομαδοποιούνται σύμφωνα με τον τρόπο που αντιμετωπίζουν τις ομοδιαυλικές παρεμβολές. Στη διατριβή δίνεται έμφαση κυρίως στις τεχνικές που αφορούν στην γενιά 4G και επιλύουν το πρόβλημα γραφικά με τη φιλοσοφία της κλασματικής επαναχρησιμοποίησης συχνότητας (FFR). Κατόπιν τούτου, παρουσιάζονται πέντε αλγόριθμοι εκχώρησης υποφορέων OFDM (Round Robin, Interference Permutation, βελτιωμένη FFR, RAJSS, BAJSS/GRID) που δεν απαιτούν κανάλι ανάδρασης στον σταθμό βάσης (no CSI). Από αυτούς, οι RAJSS και BAJSS/GRID είναι προληπτικοί (proactive), ενώ ανήκουν και στην κατηγορία των συνεργατικών τεχνικών (cooperative), καθώς απαιτείται οι κοινοποίηση wish list υποφορέων μεταξύ των σταθμών βάσης. Οι αλγόριθμοι αξιολογούνται σε σενάρια πυκνής και αραιής χωροταξικής διάταξης των σταθμών βάσης, καθώς και σε ετερογενή σενάρια (OFDMA Heterogeneous Network). Το τελευταίο βήμα, βέβαια, προϋποθέτει την επικαιροποίηση της πλατφόρμας προσομοίωσης του δικτύου κορμού (backbone network) με δευτερεύον δίκτυο OFDM, το οποίο τοποθετείται για την βελτίωση της συνολικής μέσης διακίνησης. Η αξιολόγηση των τεχνικών σε όλο το μήκος της διατριβής γίνεται με γνώμονα την απόδοση του συστήματος (χωρητικότητα, καταναλισκώμενη ισχύς), την αλγοριθμική πολυπλοκότητά τους, τον δείκτη Jain και την αντιμετώπιση των ομοδιαυλικών παρεμβολών. Για να αξιοποιηθεί ο χωρικός διαφορισμός, τόσο στην πλευρά του πομπού, όσο και στην πλευρά του δέκτη, στο Κεφάλαιο 4 τα τερματικά εξοπλίζονται με πολλαπλά κεραιοστοιχεία MIMO ενημερώνοντας αναλόγως την πλατφόρμα προσομοίωσης και εφαρμόζονται οι τεχνικές διαμόρφωσης δέσμης (Beamforming) και συνδυασμού μεγίστου λόγου (MRC) αντίστοιχα. Επειδή, η σοφή αξιοποίηση της διαθέσιμης ισχύος, όπως και η βελτίωση της αρχιτεκτονικής πολυπλοκότητας του πομποδέκτη OFDM είναι εξίσου σημαντικά, στη συνέχεια, θεωρούμε μερική γνώση καναλιού ανάδρασης (partial CSI) και εφαρμόζουμε την τεχνική επιλογής κεραιών (Antenna Selection, AS). Στη φάση αυτή της διατριβής, οι τεχνικές του προηγούμενου κεφαλαίου αξιολογούνται σε μία ευρεία περιοχή SINR με και χωρίς AS, και ως προς την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών (QoS: BER). Τέλος, προτείνεται ο MSNR αλγόριθμος εκχώρησης υποφορέων OFDM, ο οποίος επιτρέπει τη φασματική πρόσβαση των κινητών τερματικών μέσω των ποιοτικά καλύτερων υποφορέων, και αξιολογείται κατόπιν σύγκρισης με αλγόριθμους που παρουσιάστηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Επισημαίνεται ότι στον προτεινόμενο αλγόριθμο η διαδικασία ανάθεσης υποφορέων διεκπεραιώνεται χάρη στη γνώση καναλιού (partial CSI).Τέλος, το Κεφάλαιο 5 συνοψίζει την ερευνητική δραστηριότητα που διεκπεραιώθηκε στα πλαίσια της διατριβής, όπως και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από αυτή. Επιστέγασμα του κεφαλαίου αποτελούν οι προτάσεις για μελλοντική εργασία, οι οποίες έχουν σημείο αναφοράς την εκχώρηση πόρων της γενιάς 5G.