Χαρακτηρισμός ασύρματου καναλιού και αλγόριθμοι διαχείρισης πόρων στα αυτοοργανούμενα δίκτυα 5ης γενιάς
Authors: Γεωργακόπουλος Παναγιώτης 
Published: April 2022

Η θεμελιώδης ανάγκη του ανθρώπινου είδους για επικοινωνία οπουδήποτε και οποτεδήποτε αποτέλεσε βασική αρχή της ανάπτυξης των ασύρματων τηλεπικοινωνιών ανά τα χρονικά. Ιδιαίτερα την τελευταία τριακονταετία, ο συγκεκριμένος τομέας παρουσίασε αλματώδη ανάπτυξη με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ασύρματων κυψελωτών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων τα οποία από γενιά σε γενιά μπορούσαν να προσφέρουν ολοένα και περισσότερες υπηρεσίες. Κάπως έτσι, η επιστημονική πρόοδος συντέλεσε στην ανάπτυξη των ασύρματων δικτύων 5ης γενιάς.Όπως κάθε σύστημα, έτσι και τα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά, διαθέτουν περιορισμένους πόρους τους οποίους μπορούν να διαθέσουν στην κάτω ζεύξη για την προσφορά των υπηρεσιών τους. Το ολοένα αυξανόμενο συνδρομητικό φορτίο, με τις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις του όσον αφορά, πλέον, την ποιότητα εμπειρίας που του προσφέρεται από την νέα γενιά κυψελωτών δικτύων, έχει ως αποτέλεσμα την πύκνωση του δικτύου σε μικρο-κυψέλες, κάτι το οποίο θέτει το ζήτημα της εύρεσης και ανάπτυξης ακόμη πιο έξυπνων λύσεων σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες, για την αποτελεσματική διαχείριση των πόρων των σύγχρονων ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων με στόχο την αύξηση της απόδοσης του συστήματος και την επιτυχή διαχείριση της αυξημένης παρεμβολής που δέχονται οι συνδρομητές. Αυτές οι λύσεις θα πρέπει να παρουσιάζουν προσαρμοστικότητα στις συνεχείς αλλαγές του εκάστοτε δικτύου και να διακρίνονται από την επεκτασιμότητά τους και από μικρή πολυπλοκότητα σε ό,τι αφορά την εφαρμογή τους. Επίσης, σημαντικό μέρος της ανάπτυξής τους αποτελεί και η μελέτη των χαρακτηριστικών των τοπολογιών διάδοσης κλειδί στις οποίες θα εφαρμοστούν, για τα αντίστοιχα σενάρια χρήσης των δικτύων 5ης γενιάς.Πάνω σε αυτό το πλαίσιο έχει δομηθεί και η εν λόγω διδακτορική διατριβή. Συγκεκριμένα, αρχικά προτείνονται κατάλληλες μέθοδοι και τεχνικές διαχείρισης ραδιοπόρων, όπως η κατανομή των ραδιοπόρων χρόνου-συχνότητας, της ισχύος και της διαχείρισης των ακτινών, για ένα δίκτυο τεχνολογίας ραδιοπρόσβασης LTE-A και ένα δίκτυο στο οποίο εφαρμόζονται οι ελπιδοφόρες για την τεχνολογία ραδιοπρόσβασης 5G NR τεχνικές NOMA και MU-MIMO. Οι σχετικές τεχνικές επιλέγονται με γνώμονα την αποδοτικότητά τους αλλά και την απλότητα εφαρμογής τους. Επιπλέον, αναλύεται η τεχνική διαχείρισης της διακυψελικής παρεμβολής Συντονισμού Πολλαπλών Σημείων μαζί με τις κατηγορίες της. Έπειτα, προτείνεται η καταλληλότερη κατηγορία της, όσον αφορά τους στόχους της διατριβής, μαζί με τις κατάλληλες τεχνικές χρονοπρογραμματισμού των ραδιοπόρων χρόνου-συχνότητας που συνοδεύουν την εφαρμογή της για κάθε τεχνολογία ραδιοπρόσβασης που εξετάζεται. Επίσης, προτείνονται νέοι τρόποι καθορισμού των χρηστών στους οποίους αυτή η τεχνική πρέπει να απευθύνεται.Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μία καινοτόμος μέθοδος αυτοοργάνωσης των ασύρματων κυψελωτών δικτύων η οποία βασίζεται στην Θεωρία Παιγνίων και αποτελεί πρόταση της εν λόγω διδακτορικής διατριβής. Η προτεινόμενη λύση αυτοοργάνωσης εκμεταλλεύεται την ασάφεια που επικρατεί όσον αφορά την οργάνωση των σημείων μετάδοσης σε συστάδες για την εφαρμογή της τεχνικής Συντονισμού Πολλαπλών Σημείων και κατασκευάστηκε με τέτοιον τρόπο ώστε να χαρακτηρίζεται από επεκτασιμότητα, προσαρμοστικότητα και ευστάθεια. Βασική αρχή της είναι η βελτίωση της ρυθμαπόδοσης των χρηστών με ασθενείς ζεύξεις με τα σημεία μετάδοσης, χωρίς παράλληλα να υπονομεύεται αυτή των χρηστών με καλές συνθήκες καναλιού. Έπειτα, η προτεινόμενη λύση εφαρμόζεται σε ένα δίκτυο μικρο-κυψελών LTE-A όπου το δίκτυο ραδιοπρόσβασης βασίζεται στην αρχιτεκτονική Υπολογιστικού Νέφους. Το δίκτυο έχει προσομοιωθεί σε επίπεδο συστήματος για την κάτω ζεύξη, με ρεαλιστική μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού, στοχεύοντας στην επικύρωση της αποτελεσματικότητας της προτεινόμενης λύσης για εφαρμογές πραγματικών δικτύων για σενάρια κινούμενου ή μη συνδρομητικού φορτίου το οποίο μπορεί να έχει ατομικές απαιτήσεις ποιότητας εμπειρίας. Η επίδραση της προτεινόμενης μεθόδου αυτοοργάνωσης μελετάται επίσης και για το σενάριο κάτω ζεύξης ενός δικτύου ραδιοπρόσβασης μικρο-κυψελών που βασίζεται στην αρχιτεκτονική Υπολογιστικού Νέφους και λειτουργεί στην μπάντα των 3.5 GHz. Επιπλέον, στο δίκτυο εφαρμόζονται παράλληλα και οι τεχνολογίες NOMA και MU-MIMO. Για την όσο το δυνατόν ακριβέστερη αξιολόγηση της επίδρασής της σε ένα πραγματικό δίκτυο 5ης γενιάς, το σύστημα εφαρμόζει αρχές και πρωτόκολλα της τεχνολογίας ραδιοπρόσβασης 5G NR, ενώ σχηματίζονται κατάλληλες εξισώσεις που αποτυπώνουν τον συνδυασμό των προαναφερθέντων τεχνολογιών που υιοθετούνται σε όρους λαμβανόμενου σήματος και λόγου σήματος προς παρεμβολή συν θόρυβο.Η διατριβή ολοκληρώνεται με την μελέτη των χαρακτηριστικών μεγάλης κλίμακας του ασύρματου καναλιού για διάδοση στις τοπολογίες εσωτερικών χώρων γραφείου και εργοστασίου για την συχνότητα φέρουσας των 3.5 GHz. Ο χαρακτηρισμός του ασύρματου διαύλου σε αυτές τις τοπολογίες είναι εξαιρετικά σημαντικός για την πραγμάτωση των σεναρίων εφαρμογής της τεχνολογίας ραδιοπρόσβασης 5G NR τα οποία απαιτούν μεγάλη αξιοπιστία στις ζεύξεις μεταξύ των σημείων μετάδοσης και των εκάστοτε συσκευών ή και μεταξύ συσκευών.