Design and optimization of optical wireless communication systems
Authors: Παπανικολάου Βασίλειος 
Published: May 2024

Τον 20ο αιώνα τα ραδιοκύματα καθιερώθηκαν ως ο κυρίαρχος τρόπος ασύρματης επικοινωνίας. Χάρη σε αυτά, κατά τη διάρκεια του τελευταίου αιώνα, αλλά ιδιαίτερα τα τελευταία 20-30 χρόνια, οι ασύρματες επικοινωνίες ραδιοκυμάτων εξελίχθηκαν από μία στρατιωτική και με μικρή απήχηση εφαρμογή σε μία ώριμη τεχνολογία, ζωτικής σημασίας για την καθημερινότητα. Η ενσωμάτωση τεράστιου αριθμού συσκευών με διαφορετικές απαιτήσεις οδήγησε την έρευνα στα ραδιοκύματα σε νέες διαστάσεις. Από την άλλη μεριά, οι οπτικές επικοινωνίες καθιερώθηκαν ως ο κυρίαρχος τρόπος ενσύρματης επικοινωνίας. Οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες αναδύθηκαν ως μία συμπληρωματική τεχνολογία στα ραδιοκύματα, για να επιτευχθούν οι στόχοι των νέων γενεών ασύρματης πρόσβασης και για να αποφευχθεί μία “κατάρρευση” του φάσματος, κατά την οποία δε θα υπάρχει διαθέσιμο εύρος ζώνης ώστε να συνδεθούν νέες συσκευές στο δίκτυο. Εν γένει, οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες αναφέρονται στην οπτική διάδοση μέσω μη οδηγούμενων μέσων, συνηθέστερα μέσω της ατμόσφαιρας. Ενώ οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες έχουν γίνει αντικείμενο εξέτασης σε διάφορες μορφές μέσα στα χρόνια, η πρόοδος στη φωτονική και στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος τις καθιστά μία ιδιαίτερα ελκυστική τεχνολογία, καθώς θα αυξήσουν όχι μόνο την επίδοση των σημερινών δικτύων, αλλά και την ενεργειακή αποδοτικότητα των τελευταίων, οδηγώντας, έτσι, σε μία πιο “πράσινη” δικτύωση. Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζεται η σχεδίαση και η βελτιστοποίηση των οπτικών ασύρματων επικοινωνιακών συστημάτων και οι τρόποι ενσωμάτωσής τους στα υπαρκτά δίκτυα ραδιοσυχνοτήτων ή ο συνδυασμός τους με νέες τεχνολογίες δικτύωσης. Ανάλογα με την εφαρμογή, οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: την οπτική ελευθέρου χώρου (FSO), τις επικοινωνίες ορατού φωτός (VLC), και τις οπτικές επικοινωνίες κάμερας (OCC), οι οποίες παρουσιάζονται στο πρώτο κεφάλαιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο, μελετάται ο διαμοιρασμός πόρων σε ένα υβριδικό σύστημα επικοινωνιών ορατού φωτός/ραδιοσυχνοτήτων υπό πρακτικούς περιορισμούς, όπως η κοινή σύνδεση backhaul και η ατελής πληροφορία καναλιού (CSI), ώστε να υπάρχει δικαιοσύνη ανάμεσα στους χρήστες. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, διότι σε τέτοια ετερογενή δίκτυα οι καθιερωμένες μέθοδοι για τη μεγιστοποίηση του ρυθμού δεδομένων θα οδηγούσαν σε χαμηλή επίδοση για τους χρήστες με κακές συνθήκες καναλιού. Για την εύρεση μίας λύσης αυτού του μη-κυρτού προβλήματος σε πολυωνυμικό χρόνο, το αρχικό πρόβλημα μετασχηματίζεται σε ένα ισοδύναμο κυρτό. Επιπλέον, ένα απλοποιημένο πρόβλημα διαμοιρασμού της ισχύος επιλύεται επιφέροντας παρόμοια απόδοση με χαμηλότερη πολυπλοκότητα. Τέλος, η εγκυρότητα και η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης ανάλυσης επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων, ενώ παράλληλα αντλούνται πολύτιμα συμπεράσματα για την επίδραση της ατελούς πληροφορίας καναλιού στις επιδόσεις του δικτύου. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η τεχνική μη ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης (non-orthogonal multiple access - NOMA) και υπολογίζεται μία νέα σχέση κλειστής μορφής για την πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας κάτω ζεύξης σε κυψελωτά συστήματα με τυχαία τοποθετημένους χρήστες. Η σχέση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί με κάθε κατανομή διαλείψεων που μπορεί να εμφανίζονται στο σύστημα και προσφέρει σημαντικές πληροφορίες για τον τρόπο σχεδίασης του δικτύου. Η έκφραση αυτή χρησιμοποιείται προκειμένου να αναλυθεί η σημαντική περίπτωση των διαλείψεων Nakagami-$m$. Έπειτα, προτείνεται ένα σετ πρωτοκόλλων πολλαπλής πρόσβασης που βασίζονται στο ΝΟΜΑ, με τίτλο ιεραρχική πολλαπλή πρόσβαση (hierarchical multiple access - HiMA). Τα πρωτόκολλα αυτά είναι σχεδιασμένα για χρήση σε δίκτυα με ιεραρχική δομή όπως τα δίκτυα με αναμεταδότες, cloud-radio δίκτυα πρόσβασης και fog-radio δίκτυα πρόσβασης. Επιπλέον, το πρόβλημα του διαμοιρασμού πόρων στο δίκτυο διαμορφώνεται για κάθε πρωτόκολλο σε σχέση με τη διάρκεια των χρονοθυρίδων και της ισχύος προκειμένου να μεγιστοποιηθούν οι μετρικές του max-min ρυθμού δεδομένων και του proportional fairness. Τελικά, τα αριθμητικά αποτελέσματα αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της προσέγγισης της από κοινού σχεδίασης του ιεραρχικού δικτύου και φανερώνουν ένα ενδιαφέρον trade-off μεταξύ της δικαιοσύνης και του ρυθμού μετάδοσης. Παραδόξως, ενώ το ΝΟΜΑ γενικά θεωρείται μία πολύ ελκυστική μορφή πολλαπλής πρόσβασης, το πρωτόκολλο του HiMA που βασίζεται μόνο στο ΝΟΜΑ δεν ξεπερνά πάντα σε επίδοση τα υπόλοιπα πρωτόκολλα. Εφόσον αποδείχθηκε η αξία του ΝΟΜΑ, στο τέταρτο κεφάλαιο, αυτό εφαρμόζεται σε ένα υβριδικό δίκτυο επικοινωνιών ορατού φωτός/ραδιοσυχνοτήτων. Όμως, ο βέλτιστος τρόπος ομαδοποίησης των χρηστών στο ΝΟΜΑ είναι ένα NP-complete πρόβλημα συνδυαστικής που χρειάζεται νέες μεθόδους χαμηλής πολυπλοκότητας για να λυθεί αποδοτικά. Για αυτόν τον σκοπό αξιοποιείται η συνεργατική θεωρία παιγνίων, σύμφωνα με την οποία οι χρήστες που εξυπηρετούνται από το ίδιο σημείο πρόσβασης θεωρείται ότι σχηματίζουν ένα συνασπισμό (coalition) και μπορούν να εναλλάσσονται μέσα στους συνασπισμούς με βάση το κέρδος τους. Προτείνεται μία νέα συνάρτηση κέρδους που συνυπολογίζει τις ιδιαιτερότητες του υβριδικού δικτύου με ΝΟΜΑ. Τέλος, προτείνεται ένας αλγόριθμος σχηματισμού συνασπισμών που εμπεριέχει και την πολιτική διαμοιρασμού της ισχύος στο δίκτυο. Η αξία των αποτελεσμάτων του αλγορίθμου για την ομαδοποίηση των χρηστών επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων όταν η προτεινόμενη μέθοδος συγκρίνεται με μία καιροσκοπική περίπτωση κατά την οποία κάθε χρήστης προσπαθεί να μεγιστοποιήσει το δικό του κέρδος. Το πέμπτο κεφάλαιο ερευνά την ταυτόχρονη μετάδοση πληροφορίας και ισχύος μέσω οπτικού σήματος (simultaneous lightwave information and power transfer - SLIPT). Πρώτα, μελετάται η επίδραση της στοχαστικότητας του καναλιού στη μέση ισχύ συγκομιδής σε κατευθυντικά συστήματα και σε εξωτερικούς και σε εσωτερικούς χώρους. Και στις δύο περιπτώσεις εξάγονται σχέσεις κλειστής μορφής για τη μέση ισχύ συγκομιδής που επιβεβαιώνονται με Monte Carlo προσομοιώσεις. Έπειτα, σχεδιάζεται μία εφαρμογή του SLIPT, συγκεκριμένα, η fronthaul ζεύξη ενός εναέριου σταθμού βάσης. Γενικά, αν χρησιμοποιηθεί ένας δέκτης με μεγάλη ενεργή επιφάνεια στο SLIPT σύστημα μπορεί να αυξηθεί η ενέργεια συγκομιδής και ο ρυθμός δεδομένων μιας και θα ελαχιστοποιούνται οι γεωμετρικές απώλειες του οπτικού σήματος στο επίπεδο του δέκτη. Ένα μεγάλο ηλιακό πάνελ-δέκτης όμως, θα αποτελούσε μεγαλύτερο φορτίο για τον εναέριο σταθμό βάσης και θα μείωνε το χρόνο πτήσης του. Έτσι, δημιουργείται ένα trade-off, όσον αφορά το μέγεθος του δέκτη. Επιπλέον, η επίδοση του συστήματος SLIPT επηρεάζεται σημαντικά από τις παραμέτρους της κυματομορφής εκπομπής, όπως η DC πόλωση. Για αυτόν το σκοπό, σχεδιάζεται ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, ώστε να μεγιστοποιηθεί η ενεργειακή αποδοτικότητα του εναέριου σταθμού βάσης σε σχέση με τις παραμέτρους εκπομπής και του μεγέθους του δέκτη. Αποτελέσματα προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν την αξία της προτεινόμενης ανάλυσης, η οποία παρουσιάζει μεγάλη βελτίωση σε σχέση με benchmark σχήματα. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της διατριβής και παρουσιάζονται μερικές πιθανές μελλοντικές επεκτάσεις της προτεινόμενης έρευνας.