Spectral efficient cooperative relaying with interference mitigation in heterogeneous wireless networks
Authors: Νομικός Νικόλαος 
Published: August 2021

Σε αυτήν τη διατριβή εξετάζονται συνεργατικές τεχνικές οι οποίες βελτιώνουν τη φασματική αποδοτικότητα των ασύρματων δικτύων. Προς αυτήν την κατεύθυνση, θεωρούμε τη συνεργατική επανάληψη ως την τεχνική που οδηγεί στη φασματική αποδοτικότητα και προτείνουμε διάφορες στρατηγικές ανάλογα με την υπό εξέταση δικτυακή τοπολογία. Μία βασική πηγή ανησυχίας στα ασύρματα δίκτυα είναι η αποδοτική εξομάλυνση των παρεμβολών και έτσι, παρουσιάζουμε αρκετά σχήματα βασιζόμενοι στην επιλογή επαναλήπτη καθώς και στην ακύρωση των σημάτων παρεμβολής. Επιπρόσθετα, η ετερογένεια λαμβάνεται υπόψη εκμεταλλευόμενοι τις δυνατότητες των επαναληπτών και τα χαρακτηριστικά του δικτύου. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε μία εισαγωγή των βασικών στοιχείων της διατριβής, όπως είναι η συνεργατική επανάληψη, η εξομάλυνση των παρεμβολών και τα ετερογενή δίκτυα. Επίσης, συμπεριλαμβάνονται τα κίνητρα πίσω από αυτήν τη διατριβή καθώς και η ερευνητική συνεισφορά μας. Έπειτα,στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται διάφοροι φασματικά αποδοτικοί αλγόριθμοι επανάληψης οι οποίοι συνδυάζουν την οπορτουνιστική επιλογή επαναλήπτη και τη διαδοχική επανάληψη, σχηματίζοντας έτσι, την Οπορτουνιστική Διαδοχική Επανάληψη (ΟΔΕ). Καθώς εφαρμόζονται μεταδόσεις με προσαρμογή της ισχύος εκπομπής, η επιλογή του βέλτιστου ζεύγους επαναληπτών βασίζεται στην ελάχιστη απαιτούμενη ισχύ εκπομπής η οποία αρκεί για να επιτευχθεί ένα προκαθορισμένο κατώφλι φασματικής απόδοσης. Επιπρόσθετα, προτείνονται δύο εκδοχές της ΟΔΕ, η ΟΔΕ με χρήση της ίδιας συχνότητας και στις δύο ζεύξεις μεταξύ πηγής-επαναλήπτη και επαναλήπτη-προορισμού, η οποία εισάγει παρεμβολές μεταξύ των επαναληπτών και η ΟΔΕ με χρήση διαφορετικής συχνότητας στις δύο ζεύξεις, η οποία μηδενίζει τις παρεμβολές.Ταυτόχρονα, πραγματοποιούμε μία αξιολόγηση της απόδοσης αυτών των αλγορίθμων αναφορικά με την πιθανότητα διακοπής, το μέσο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και τη μείωση στην ισχύ εκπομπής συγκριτικά με σχήματα που δε χρησιμοποιούν προσαρμοζόμενα επίπεδα ισχύος εκπομπής. Μετά, στο τρίτο κεφάλαιο χρησιμοποιούνται επαναλήπτες με δυνατότητα αποθήκευσης δεδομένων. Παρουσιάζεται μία τροποποιημένη εκδοχή του max − link, ενός δημοφιλούς αλγορίθμου ημί-διπλεξίας, η οποία συμπεριλαμβάνει την περίπτωση της απευθείας συνδεσιμότητας πηγής-προορισμού και έπειτα, ο συνδυασμός max − link, ΟΔΕ και επαναληπτών πλήρους διπλεξίας οδηγεί στην ανάπτυξη δύο υβριδικών σχημάτων. Πρώτα παρουσιάζεται ο αλγόριθμος ελάχιστης ισχύος (min − power) βασιζόμενος στο συνδυασμό max − link και ΟΔΕ και στη συνέχεια, οι αλγόριθμοι BAFDA βασιζόμενοι στο συνδυασμό max − link, ΟΔΕ και επαναληπτών πλήρους διπλεξίας. Και τα δύο υβριδικά σχήματα αξιολογούνται αναφορικά με την πιθανότητα διακοπής, το μέσο ρυθμό μετάδοσης, τη μείωση της ισχύος εκπομπής και τη μέση καθυστέρηση. Επιπλέον, προτείνεται ένα μη-βέλτιστο σχήμα BAFDA με στόχο τη μείωση των επίβαρων που απορρέουν από τη συνεχή εκτίμηση της κατάστασης του ασύρματου καναλιού. Στο τέταρτο κεφάλαιο συμπεριλαμβάνονται ενδεικτικές εφαρμογές των προτεινόμενων αλγορίθμων. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται μία εφαρμογή με αυξημένες απαιτήσεις καθυστέρησης και μία εφαρμογή με απαιτήσεις ελαχιστοποίησης της ισχύος εκπομπής. Εξετάζοντας δίκτυα όπου χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι επαναληπτών, οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι λαμβάνουν υπόψη τους τα διαφορετικά χαρακτηριστικά των επαναληπτών καθώς και την επίπτωσή τους στην απόδοση του δικτύου αναφορικά με το ρυθμό μετάδοσης και τη μείωση της ισχύος. Το κεφάλαιο συνεχίζει με την παρουσίαση ενός επίγειου-δορυφορικού δικτύου όπου στρατοσφαιρικοί επαναλήπτες επιλέγονται με στόχο την εγκαθίδρυση της απ’άκρου εις άκρον επικοινωνίας. Για αυτήν την τοπολογία, δίνονται δύο αλγόριθμοι επιλογής με βάση τη διαθεσιμότητα των στοιχείων της κατάστασης του ασύρματου καναλιού. Μετά, το πέμπτο κεφάλαιο εξετάζει την απόδοση υβριδικών αλγορίθμων επιλογής επαναληπτών σε ένα δίκτυο με περιορισμούςεμπιστευτικότητας, όπου κακόβουλες οντότητες προσπαθούν να αποκωδικοποιήσουν ταμεταδιδόμενα μηνύματα. Για να εξεταστεί η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων αλγορίθμων σε εφαρμογές με διαφορετικές προτεραιότητες απόδοσης, παρουσιάζονται αποτελέσματα για τον επιτυγχανόμενο ρυθμό μετάδοσης εμπιστευτικότητας, καθώς και για τη μείωση της εκπομπής ισχύος ικανοποιώντας ένα κατώφλι εχεμύθειας. Τέλος, το έκτο κεφάλαιο παρουσιάζει τα συμπεράσματα της διατριβής και τις μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.