Exploiting cognition for energy and spectrum efficient wireless networks
Authors: Μεσοδιακάκη Αγάπη 
Published: January 2024

O κύριος στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να προτείνει και να αξιολογήσει αλγορίθμους πρόσβασης μέσου (επιπέδου MAC), που θα εκμεταλλεύονται διαφορετικούς τύπους γνώσης (context-aware) για την επίτευξη φασματικής και ενεργειακής αποδοτικότητας (energy and spectrum efficiency). Συγκεκριμένα, ακολουθήθηκαν δύο βασικές κατευθύνσεις έρευνας: i) η πρώτη επικεντρώνεται στην “επίγνωση του φάσματος” (spectrum-awareness) σε δίκτυα γνωστικού ραδιοφώνου (cognitive radio, CR) εμπνευσμένο από το πρωτοποριακό έργο που πραγματοποίησε ο Mitola το 1999, και ii) το δεύτερο στην αυτοπροσαρμογή (self-adaptation) των κυψελωτών ετερογενών δικτύων (HetNets) με επίγνωση του πλαισίου (context-awareness) (δηλ. self-organzing networks, SONs). Και στα δύο μέρη, η εκμετάλλευση των διαθέσιμων πληροφοριών παίζει καθοριστικό ρόλο στην παροχή βιώσιμων ασύρματων δικτύων (sustainable wireless networks). Ωστόσο, δεδομένων των διαφορετικών αναγκών και χαρακτηριστικών που χαρακτηρίζει το καθένα από αυτά τα δίκτυα, μελετώνται χωριστά σε αυτή την διπλωματική.Ως εκ τούτου, το πρώτο μέρος αυτής της διατριβής εστιάζει στη συνύπαρξη δευτερευόντων δικτύων (Secondary Networks, SNs) που μοιράζονται τους ίδιους πόρους κύριου χρήστη (Primary User, PU resources). Προτείνεται ένα σχέδιο συνύπαρξης (coexistence scheme) καθώς και ένας καινοτόμος ενεργειακά αποδοτικός αλγόριθμος επιλογής καναλιού με επίγνωση διεκδίκησης (contention-aware), που: i) εκμεταλλεύεται την συνεργατική ανίχνευση φάσματος (cooperative spectrum sensing) για να ανιχνεύσει τα αδειοδοτημένα κανάλια που είναι ελεύθερα δραστηριότητας κυρίου χρήστη (licensed channels free from PU activity), ii) για κάθε ένα από αυτά, εκτιμά την πιθανότητα της σύγκρουσης (probability of collision), και iii) επιλέγει το λιγότερο διεκδικούμενο (δηλαδή, με τη μικρότερη πιθανότητα σύγκρουσης) για να μεταβεί πρώτα. Παρέχεται και ένα αναλυτικό μοντέλο για τη ρυθμαπόδοση και την ενεργειακή αποδοτικότητα του δευτερεύοντος δικτύου υπό μελέτη (SN under study), το οποία επικυρώνεται μέσω προσομοιώσεων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιλογής καναλιού αποδεικνύεται ότι επιτυγχάνει μεγαλύτερη ρυθμαπόδοση και ενεργειακή αποδοτικότητά από τους αντίστοιχους αλγορίθμους διαθέσιμους στη βιβλιογραφία. Η προτεινόμενη τεχνική συνύπαρξης δευτερεύοντος δικτύου (SN coexistence scheme) αποδεικνύεται επίσης ότι επιτυγχάνει υψηλή ρυθμαπόδοση και ενεργειακή αποδοτικότητα, διατηρώντας παράλληλα και δικαιοσύνη στην πρόσβαση μεταξύ των συνυπαρχόντων δευτερευόντων δικτύων.Το δεύτερο μέρος της διατριβής εστιάζει στα «γνωστικά» (cognitive) ετερογενή δίκτυα (HetNets) με backhaul ζεύξεις μικροκυψελών πολλαπλών αλμάτων multi-hop small cell (SC) backhaul (BH) links. Το backhaul πολλαπλών αλμάτων (multi-hop BH) είναι μια πολλά υποσχόμενη λύση επειδή: i) δεν αναμένεται να έχουν όλες οι μικροκυψέλες (SC) απευθείας σύνδεση με το δίκτυο κορμού (core network) και κατά συνέπεια, είναι πιθανό να χρειάζεται να προωθήσουν την κίνηση τους στις γειτονικές μικροκυψέλες για να φτάσουν το δίκτυο κορμού, και ii) το αναμενόμενο μικρό μήκος των συνδέσεων backhaul επιτρέπει τη χρήση χιλιοστομετρικών κυμάτων (millimeter wave, mmWave) για παροχή συνδέσεων backhaul υψηλής χωρητικότητας. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή μελετά το ρόλο του backhaul με στόχο να απαντήσει στο εάν θα μπορούσε ή όχι να αποτελέσει ένα ενεργειακό σημείο συμφόρησης (energy bottleneck) για το ετερογενές δίκτυο. Συγκεκριμένα, ο αντίκτυπος της κατανάλωσης ενέργειας στο BH συγκρίνεται με εκείνο του δικτύου ραδιοπρόσβασης (Access Network, AN), δηλαδή με τις συνδέσεις μεταξύ των χρηστών και των κυψελών που τους εξυπηρετούν, για μια πληθώρα από διαφορετικά σενάρια κατανομής κίνησης (traffic distribution scenarios) και τεχνολογίες για το backhaul.