Novel resource allocation techniques for 5G/B5G integrated satellite-aerial-terrestrial networks
Authors: Καράβολος Μιχαήλ 
Published: July 2024

Στην εποχή του τάχιστου ψηφιακού μετασχηματισμού, η πληθώρα απαιτητικών εφαρμογών και υπηρεσιών, από επικοινωνιακής πλευράς, καθιστά αναγκαία την ύπαρξη δικτύων που θα εξασφαλίζουν την απρόσκοπτη και αποδοτική επικοινωνία. H ραγδαία αύξηση δε αναφορικά με τη ζήτηση των συγκεκριμένων εφαρμογών και υπηρεσιών απαιτεί την ανάπτυξη εύρωστων, αρθρωτών, αξιόπιστων και υψηλών επιδόσεων δικτύων με σκοπό την υποστήριξη και την αξιοποίηση της ενισχυμένης εμπειρίας που δύνανται οι εφαρμογές αυτές να παρέχουν. Ωστόσο, τα επίγεια ασύρματα δίκτυα του σήμερα αδυνατούν στο να αντεπεξέλθουν πλήρως στις αυξανόμενες απαιτήσεις και στις σχεδιαστικές ανάγκες των συστημάτων επικοινωνίας ύστερων γενεών. Η περιορισμένη κάλυψη, η αδυναμία προσαρμογής στην κινητικότητα των χρηστών και η υψηλή πίεση λόγω αυξημένης ζήτησης υπηρεσιών και εφαρμογών αποτελούν σημαντικές προκλήσεις που καλούνται να αντιμετωπίσουν τα ασύρματα επίγεια δίκτυα του μέλλοντος. Σε αυτό το πλαίσιο, η απρόσκοπτη ενοποίηση δορυφορικών και εναέριων δικτύων με την επίγεια υποδομή, θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη λύση για την αντιμετώπιση των ανωτέρω προκλήσεων και την ενίσχυση της απόδοσης των συστημάτων επικοινωνίας των επόμενων γενεών. Οι δορυφόροι δύνανται να συμπληρώσουν τα επίγεια δίκτυα παρέχοντας εκτεταμένη κάλυψη ακόμη και στις πιο απομακρυσμένες και υποεξυπηρετούμενες περιοχές. Επιπρόσθετα, ο συνδυασμός δορυφορικών και επίγειων δικτύων, είναι σε θέση να αντιμετωπίσει τις τεράστιες απαιτήσεις συνδεσιμότητας, μέσω της ανάπτυξης και χρήσης προηγμένων τεχνικών εκφόρτωσης και εξισορρόπησης φορτίου. Όσον αφορά τα εναέρια δίκτυα, έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζονται εύκολα στις εκάστοτε επικοινωνιακές ανάγκες, εξυπηρετώντας περιοχές ενδιαφέροντος κατά απαίτηση, ξεπερνώντας έτσι τα αυξημένα προβλήματα κινητικότητας. Συνεπώς, η ενσωμάτωση δορυφορικών, εναέριων και επίγειων δικτύων μπορεί να προσφέρει αρκετούς βαθμούς ελευθερίας στο δίκτυο. Ωστόσο, η διαδικασία ενσωμάτωσης περιλαμβάνει αρκετά ζητήματα που θα πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά και να επιλυθούν προκειμένου να δοθεί μια ολιστική λύση. Προς την κατεύθυνση αυτή, η παρούσα διατριβή παρέχει νέα πλαίσια επικοινωνίας και λύσεις για την αποτελεσματική ενσωμάτωση δορυφορικών, εναέριων και επίγειων δικτύων στο πλαίσιο των δικτύων πέμπτης γενιάς (Fifth Generation -- 5G) και πέρα από αυτή (Beyond 5G -- B5G). Πιο συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1 τίθενται οι βάσεις παρουσιάζοντας τις τεχνολογικές εξελίξεις στις δορυφορικές επικοινωνίες και τη νέα διαστημική εποχή. Επιπλέον, υπογραμμίζεται η σημασία των δορυφόρων στο πλαίσιο των δικτύων B5G, με την παροχή μιας λεπτομερούς επισκόπησης των ολοκληρωμένων υβριδικών δορυφορικών-επίγειων δικτύων (Hybrid Satellite-Terrestrial Networks -- HSTNs) και των ολοκληρωμένων δορυφορικών-εναέριων-επίγειων δικτύων (Integrated Satellite-Aerial-Terrestrial Networks -- ISATNs). Στο κεφάλαιο επίσης παρουσιάζονται οι τρέχουσες προσπάθειες έρευνας και ανάπτυξης, καθώς και οι πρωτοβουλίες της βιομηχανίας, δίνοντας έμφαση στις βασικές τεχνολογίες για την αποτελεσματική λειτουργία των δικτύων HSTN και ISATN. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 2, εισάγεται μια καινοτόμος επικοινωνιακή λύση κατανομής πόρων και συνεργατικής μετάδοσης, με στόχο την απρόσκοπτη ενοποίηση δορυφορικών και επίγειων δικτύων. Επίσης, σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται η υπό εξέταση τοπολογία δικτύου, διατυπώνεται λεπτομερώς το πρόβλημα βελτιστοποίησης και αναλύεται η προτεινόμενη τεχνική, που χρησιμοποιεί την τεχνολογία της μη-ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης (Non-Orthogonal Multiple Access -- NOMA) και της επικοινωνίας συσκευή-με-συσκευή (Device-to-Device -- D2D). Ακόμη, διενεργούνται εκτενείς προσομοιώσεις υπολογιστή και συγκρίσεις της επίδοσης του προτεινόμενου σχήματος με συμβατικά σχήματα μετάδοσης, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητά του. Αμέσως μετά, στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια καινοτόμα επικοινωνιακή λύση, η οποία συνδυάζει αποτελεσματικά την τεχνολογία NOMA με την κωδικοποίηση δικτύου (Network Coding -- NC) σε ένα περιβάλλον HSTN αποτελούμενο από πολλούς χρήστες. Η προτεινόμενη τεχνική μετάδοσης απλοποιεί τις λειτουργίες του δικτύου μειώνοντας την πολυπλοκότητα που σχετίζεται με την απόκτηση και την επεξεργασία των πληροφοριών κατάστασης καναλιού (Channel State Information -- CSI), ενώ αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τις προκλήσεις που θέτει η ατελής διαδοχική ακύρωση των παρεμβολών (Successive Interference Cancellation -- SIC) στο NOMA. Στο κεφάλαιο παρέχεται επίσης μια ολοκληρωμένη επισκόπηση της εξεταζόμενης τοπολογίας δικτύου, σε συνδυασμό με μια λεπτομερή διατύπωση του προβλήματος μετάδοσης σε διατάξεις HSTN και της προτεινόμενης λύσης. Ακόμη, προσφέρονται εκτενείς προσομοιώσεις μέσω υπολογιστή για την αξιολόγηση της επίδοσης του προτεινόμενου συστήματος, αποδεικνύοντας την υπεροχή του έναντι συμβατικών προσεγγίσεων. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται ένα νέο σχήμα κατανομής πόρων, με στόχο την αποτελεσματική ενοποίηση δορυφορικών, εναέριων και επίγειων δικτύων μέσω μιας υβριδικής προσέγγισης που συνδυάζει την τεχνική NOMA με την τεχνική της ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης (Orthogonal Multiple Access -- OMA). Επίσης, στο συγκεκριμένο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υπό εξέταση αρχιτεκτονική του δικτύου και διατυπώνεται λεπτομερώς το πρόβλημα συνεργατικής μετάδοσης και η προτεινόμενη λύση. Επιπλέον, εισάγεται μια καινοτόμος προσέγγιση μηχανικής μάθησης (Machine Learning -- ML) χωρίς επίβλεψη με σκοπό την καλύτερη δυνατή τοποθέτηση της εναέριας πλατφόρμας για την παροχή αυξημένης απόδοσης αναφορικά με τις επικοινωνιακές συνδέσεις αέρα-εδάφους. Ακόμη, και εδώ, παρουσιάζονται ρεαλιστικές προσομοιώσεις υπολογιστή για την αξιολόγηση της επίδοσης του προτεινόμενου σχεδίου μετάδοσης και κατανομής των διαθέσιμων πόρων. Εν συνεχεία, στο Κεφάλαιο 5, παρουσιάζεται μια καινοτόμος λύση επικοινωνίας για την αντιμετώπιση των προκλήσεων συνδεσιμότητας και τη διασφάλιση εκτεταμένης κάλυψης στο πλαίσιο των ISATN έκτης γενιάς (Sixth Generation -- 6G). Συνεπώς, στο κεφάλαιο αυτό εισάγεται ένα νέο συνεργατικό σχήμα μετάδοσης μεταξύ δορυφορικών και εναέριων δικτύων, το οποίο συνδυάζει αποτελεσματικά τη τεχνική NOMA με την τεχνική NC για μια διάταξη ISATN πολλών χρηστών. Περιγράφεται η τοπολογία του δικτύου και διατυπώνεται λεπτομερώς το πρόβλημα της συνεργατικής μετάδοσης και η προτεινόμενη τεχνική. Επιπλέον, στο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια μέθοδος που βασίζεται στην τεχνητή νοημοσύνη (Artificial Intelligence -- AI) για τη βέλτιστη τοποθέτηση του εναέριου σταθμού βάσης στην περιοχή ενδιαφέροντος, βελτιώνοντας έτσι περαιτέρω την απόδοση του δικτύου. Επιπλέον, πραγματοποιούνται ρεαλιστικές προσομοιώσεις υπολογιστή χρησιμοποιώντας γνωστούς δορυφορικούς αστερισμούς και μοντέλα καναλιών για την αξιολόγηση της επίδοσης του προτεινόμενου σχήματος. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6, δίνονται τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής και αναλύονται αρκετές μελλοντικές κατευθύνσεις.