Study, design and development of novel architectures and technologies that exploit the digital spectrum dividend for the development of wireless local / metropolitan multimedia services infrastructures
Authors: Μπουρδένα Αθηνά 
Published: August 2021

Η Διδακτορική Διατριβή αυτή συμβάλλει στην ευκαιριακή αξιοποίηση του ραδιοφάσματος, μέσω της μελέτης, του σχεδιασμού και της υλοποίησης μίας πρωτότυπης αρχιτεκτονικής, η οποία επιτρέπει στις μη-αδειοδοτημένες (δευτερεύουσες) συσκευές να αξιοποιούν δυναμικά και σε τοπικό επίπεδο, τις διαθέσιμες τηλεοπτικές συχνότητες VHF/UHF (Τηλεοπτικό Λευκό Φάσμα - TVWS) για την παροχή πολυμεσικών υπηρεσιών σε ασύρματες τοπικές/μητροπολιτικές υποδομές. Βασιζόμενη στις πρόσφατες εξελίξεις της τεχνολογίας του γνωσιακού ραδιοφάσματος (Cognitive Radio technology) καθώς και εξετάζοντας τις νέες πολιτικές διαχείρισης του ραδιοφάσματος που θα αξιοποιηθούν για την εκμετάλλευση των απελευθερωμένων ραδιο-πόρων, η Διδακτορική Διατριβή παρουσιάζει μια υβριδική αρχιτεκτονική, για την αποδοτική διαχείριση του ραδιοφάσματος, είτε μέσω ενός μεσίτη φάσματος (Spectrum Broker), είτε μέσω τεχνικών αποφυγής παρεμβολών υπό την επίβλεψη μιας χωρικά τοποθετημένης βάσης δεδομένων (Geo-location database). Στα πλαίσια της παρούσας Διατριβής σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε, στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων, ένας πρωτότυπος μηχανισμός, για την βέλτιστη διαχείριση των ραδιο-πόρων (Radio Resource Management - RRM) σε σχέση με την εγγυημένη παροχή Ποιότητας Υπηρεσίας (Quality of Service - QoS), καθώς και το μέγιστο δυνατό κέρδος των συναλλαγών. Προς την κατεύθυνση αυτή μελετήθηκαν, δύο είδη τεχνικών βελτιστοποίησης, η τεχνική λήψης αποφάσεων και η θεωρία παιγνίων, προκειμένου να αναπτυχθεί ένας νέος αλγόριθμος ικανός να παρέχει αποδοτικές λύσεις όσον αφορά τον ελάχιστο κατακερματισμό του φάσματος και το μέγιστο δυνατό κέρδος του μεσίτη φάσματος. Επιπλέον, η Διατριβή συμβάλλει στη μελέτη και ανάπτυξη ενός νέου πρωτοκόλλου δρομολόγησης, που επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ συστημάτων, τα οποία δημιουργούν ad-hoc γνωσιακά δίκτυα και βρίσκονται σε διαφορετικές περιοχές (δηλαδή, δεν υπάρχει άμεση ζεύξη επικοινωνίας μεταξύ τους). Για να γίνει αυτό, το βέλτιστο μονοπάτι επικοινωνίας εγκαθίσταται μέσα από μία σειρά ενδιάμεσων κόμβων που χρησιμοποιούν την γνωσιακή τεχνολογία, οι οποίοι επιλέγονται βήμα-προς-βήμα (hop-by-hop) αξιολογώντας τη χρονική καθυστέρηση της επικοινωνίας. Επιπλέον, και προκειμένου να αποφευχθούν πιθανές αποτυχίες στη διαδρομή ή υπερφόρτωση των ενδιάμεσων κόμβων, το πρωτόκολλο εφαρμόζει ένα πρωτότυπο μηχανισμό σε κάθε κόμβο, προκειμένου να εξισορροπείται το φορτίο κάνοντας ανακατεύθυνση της δικτυακής κίνησης. Για την επαλήθευση της εγκυρότητας της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, μία σειρά από πειράματα σχεδιάστηκαν και διεξήχθησαν υπό ελεγχόμενες συνθήκες περιβάλλοντος (προσομοιώσεις). Στα πλαίσια αυτά, ένα πειραματικό πρωτότυπο τέθηκε σε εφαρμογή σύμφωνα με τις τεχνικές προδιαγραφές σχεδιασμού, το οποίο αξιοποιήθηκε για τη διεξαγωγή μετρήσεων αξιολόγησης των επιδόσεων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν επαλήθευσαν την ικανότητα της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής για την υποστήριξη της ανάπτυξης τοπικών/μητροπολιτικών υποδομών πολυμέσων μέσω της ευκαιριακής αξιοποίησης του ραδιοφάσματος των TV WS και ανέδειξαν πεδία μελλοντικής έρευνας, όπως η λειτουργία με την ελάχιστη ενεργειακή απόδοση τόσο σε επίπεδο συστημάτων όσο και τελικών χρηστών ή η μελέτη μηχανισμών επιπέδου μεταφοράς για τον περιορισμό των μειονεκτημάτων του υπάρχοντος TCP σε χρονικά μεταβαλλόμενα συνδέσεις.