Analysis and design of ultra-dense wireless networks
Authors: Στεφανάτος Στέλιος 
Published: September 2021

Η ραγδαία αύξηση ασυρμάτων συσκευών καθώς και η εισαγωγή νέων ασύρματων εφαρμογών με στόχο την υλοποίηση του “δικτύου των πραγμάτων” εισάγουν σημαντικές προκλήσεις στην λειτουργία του κυψελλωτού δικτύου. Είναι ευρέως αποδεκτό ότι η αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων απαιτεί ραγδαίες αλλαγές στην λειτουργία του δικτύου όπως το γνωρίζουμε σήμερα. Η πιο σημαντική αλλαγή αφορά την δημιουργία δικτύων πυκνής δόμησης με στόχο την μεγαλύτερη χωρική επαναχρησιμοποίηση φάσματος και, εν τέλει, την εξυπηρέτηση του τεραστίου αριθμού συσκευών που αναμένεται να υπάρχει στο μέλλον. Ταυτόχρονα, αυτός ο μεγάλος αριθμός ασυρμάτων συσκευών ενθαρρύνει την εισαγωγή νέων μεθόδων πρόσβασης στο δίκτυο - επιπλέον των παραδοσιακών ανοδικών/καθοδικών ζεύξεων - με τις συσκευές να είναι σε θέση να επικοινωνήσουν απευθείας χωρίς την διαμεσολάβηση ενός ή περισσοτέρων σταθμών βάσης. Αυτά τα νέα χαρακτηριστικά του μελλοντικού δικτύου, αν και θεωρητικά προσφέρουν την ζητούμενη αύξηση των επιδόσεων, στην πράξη εισάγουν σημαντικές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν και οι οποίες δεν ήταν παρούσες στα δίκτυα προηγούμενων γενεών.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται διάφορα χαρακτηριστικά της λειτουργίας μελλοντικών, πυκνά δομημένων κυψελλωτών δικτύων με χρήση εργαλείων στοχαστικής γεωμετρίας. Στο Κεφάλαιο 2 μελετάται η επίδραση που έχει η ολοένα αυξανόμενη πυκνότητα σταθμών βάσης στην ποιότητα υπηρεσιών που αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Αποδεικνύεται ότι η αύξηση της πυκνότητας, αν και είναι σε θέση από μόνη της να αυξήσει τις επιδόσεις, πρέπει απαραίτητα να συνοδεύεται και από ένα προσεκτικά σχεδιασμό μηχανισμό κατανομής πόρων μεταξύ των χρηστών της κάθε κυψέλης. Αν και η επίδοση αυξάνει μονοτονικά με την αύξηση της πυκνότητας, αύξηση πέραν του σημείου όπου είναι συγκρίσιμη με την πυκνότητα των συσκευών παρέχει λίγα οφέλη και, συνεπώς, δεν έχει πρακτικό ενδιαφέρον.Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζεται κατά πόσο η απευθείας επικοινωνία μεταξύ συσκευών (device-to-device/D2D επικοινωνία) είναι ωφέλιμη για την συνολική λειτουργία του δικτύου. Για αυτόν τον σκοπό εισάγεται η έννοια της “περιοχής λειτουργίας” που καθορίζει τα σημεία λειτουργίας του δικτύου (χαρακτηριζόμενα από παραμέτρους όπως πυκνότητα σταθμών βάσης και χρηστών) για τα οποία η εισαγωγή D2D επικοινωνίας ωφελεί. Υπό παραδοχές, η περιοχή λειτουργίας προσδιορίζεται σε απλές κλειστές μορφές για διάφορες εναλλακτικές όσων αφορά την μέθοδο επιλογής μεθόδου πρόσβασης και τον τρόπο πρόσβασης στο κανάλι. Από την ανάλυση προκύπτει ότι με επιλογή μεθόδου πρόσβασης βασιζόμενη στην απόσταση των συσκευών, η εισαγωγή D2D επικοινωνιών είναι ωφέλιμη για όλα τα δυνατά σημεία λειτουργίας. Επιπλέον, η εγκαθίδρυση D2D ζεύξεων δεν είναι απαραίτητο να περιορίζεται σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ των συσκευών, μιας και, υπό συνθήκες, D2D ζεύξεις απόστασης της τάξης της απόστασης από τον κοντινότερο σταθμό βάσης είναι ωφέλιμες.Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται χαρακτηρισμός της στατιστικής της παρεμβολής που προέρχεται από μεταδόσεις διαφορετικής μεθόδου πρόσβασης. Ένα τέτοιο παράδειγμα παρεμβολής είναι αυτή που αντιλαμβάνεται ένας δέκτης που λαμβάνει δεδομένα από ένα σταθμό βάσης λόγω μεταδόσεων άλλων συσκευών (και όχι σταθμών βάσης) που βρίσκονται σε D2D επικοινωνία. Κάνοντας χρήση ενός γενικευμένου μοντέλου συστήματος η στατιστική περιγραφή της παρεμβολής προσδιορίστηκε σε απλές προσεγγιστικές εκφράσεις, οι οποίες έχουν εφαρμογή σε πολλαπλά σενάρια λειτουργίας, όπως οι D2D επικοινωνίες μεταξύ συσκευών που ενδεχομένως να βρίσκονται σε διαφορετικές κυψέλες.Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται μία τεχνο-οικονομική μελέτη της λειτουργίας του δικτύου υπό την υπόθεση ότι η διαχείρισή του γίνεται από πολλούς ανταγωνιστικούς παρόχους. Μία τέτοια ανάλυση έχει ενδιαφέρον μιας και η μεγάλη πυκνότητα του μελλοντικού δικτύου καθώς και η ευκολία δημιουργίας υπο-δικτύων μεσω λογισμικού, ενθαρρύνουν την είσοδο νέων παρόχων. Με συνδυασμό εργαλείων στοχαστικής γεωμετρίας και θεωρίας παιγνίων προτάθηκε ένα απλό μοντέλο της αλληλεπίδρασης παρόχων και χρηστών. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δείχνουν ότι ο μέσος χρήστης ωφελείται από την παρουσία πολλαπλών ανταγωνιστικών παρόχων της ίδιας αγοραστικής δύναμης, με την τελευταία να προσδιορίζεται από την πυκνότητα και την τεχνολογία των δικτύων. Εν γένει, η παρουσία παρόχων που έχουν στην κατοχή του πυκνά δομημένα δίκτυα ή/και προσφέρουν τις υπηρεσίες του σε χαμηλές τιμές είναι ωφέλιμη για τον μέσο χρήστη. Η ανάλυση επιπλέον δείχνει ότι η αύξηση της πυκνότητας σταθμών βάσης από ένα σημείο και μετά ενδέχεται να μην οδηγεί την αγορά σε σταθερή κατάσταση, ενθαρρύνοντας έτσι την χρησιμοποίηση άλλων, π.χ., συνεργατικών, μοντέλων αλληλεπίδρασης μεταξύ των παρόχων.