Βέλτιστη Κατανομή Ισχύος Και Φάσματος Ζεύξης Ανόδου Ασύρματων Δικτύων Για Μηχανής Προς Μηχανή Επικοινωνίες

Abstract

Βασικός σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη και ανάλυση της βέλτιστης κατανομής ισχύος και φάσματος στη ζεύξη ανόδου ασύρματων κυψελωτών δικτύων με υποστήριξη Μηχανής προς Μηχανή (Μachine-to-Machine - Μ2Μ) Επικοινωνίας και χρήση τεχνολογίας ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης διαίρεσης συχνότητας (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access - OFDMA). Τα δίκτυα αυτά, εκτός από την επικοινωνία μεταξύ μηχανών, υποστηρίζουν κυψελωτούς χρήστες, οι οποίοι αιτούνται υπηρεσίες πραγματικού και μη πραγματικού χρόνου. Οι M2M επικοινωνίες ασχολούνται με τη σύνδεση συσκευών/μηχανών με τρόπο τέτοιο ώστε να επιτρέπουν μερικώς την πραγματοποίηση του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things - IoT). Με τις Μ2Μ επικοινωνίες, οι μηχανές "μιλούν" μεταξύ τους μέσω ενσύρματων ή ασύρματων συνδέσεων και μοιράζονται δεδομένα χωρίς άμεση ανθρώπινη παρέμβαση. Προβλέπεται από πολλές ερευνητικές εργασίες, ότι οι επικοινωνίες αυτές θα διαδραματίσουν βασικό ρόλο στην εξέλιξη των υπαρχόντων ασύρματων δικτύων. Γίνεται, επομένως, εύκολα αντιληπτή η ανάγκη ανάπτυξης τρόπων βέλτιστης κατανομής πόρων στα δίκτυα με γνώμονα την ομαλή συνύπαρξη των ήδη υπαρχουσών ανθρώπινων (Human to Human - H2H) επικοινωνιών με τις M2M επικοινωνίες.Η αποδοτική κατανομή των πόρων στις μηχανές προϋποθέτει την ύπαρξη των συντονιστών. Οι συντονιστές είναι μηχανές που αναλαμβάνουν τη μετάδοση των δεδομένων από τις υπόλοιπες μηχανές της ομάδας τους προς το σταθμό βάσης του κυψελωτού δικτύου. Συνεπώς, ένα ζωτικής σημασίας ζήτημα είναι η επιλογή των συντονιστών ομάδων και η ομαδοποίηση των μηχανών. Στη διαδικασία αυτή είναι απαραίτητη η χρήση της έννοιας του κέρδους διαδρομής, η οποία είναι μία ποσότητα που φθίνει, καθώς αυξάνεται η απόσταση από το επιλεγμένο σημείο αναφοράς. Αρχικά, συντονιστές διορίζονται οι μηχανές που έχουν το μεγαλύτερο κέρδος διαδρομής ως προς το σταθμό βάσης. Στη συνέχεια, κάθε μηχανή ανατίθεται στο συντονιστή ως προς τον οποίο παρουσιάζει μέγιστο κέρδος διαδρομής. Έτσι, οι μηχανές του δικτύου στέλνουν πλέον τα δεδομένα στον υπεύθυνο συντονιστή, ο οποίος με τη σειρά του, τα αποστέλλει στο Σταθμό Βάσης.Μετά την ομαδοποίηση των μηχανών, πραγματοποείται η κατανομή πόρων στο δίκτυο, δηλαδή η κατανομή ισχύος και υποφέρουσων. Για την κατανομή υποφέρουσων, έχει ιδιαίτερη σημασία το είδος διαλλέιψεων που αντιμετωπίζει ο δίαυλος. Διακρίνουμε δύο βασικές περιπτώσεις, τις επίπεδες διαλείψεις και τις επιλεκτικές στη συχνότητα διαλείψεις. Σε κάθε περίπτωση, η ανάθεση των υποφέρουσων πετυχαίνεται μέσω της μεγιστοποίησης της συνάρτησης ευχαρίστησης του κάθε χρήστη. Η συνάρτηση αυτή, χρησιμοποιείται κυρίως στην Οικονομική Επιστήμη, αλλά είναι αρκετά δημοφιλής και σε τηλεπικοινωνιακής φύσης εφαρμογές, καθώς αντικατοπρίζει το βαθμό ικανοποίησης των χρηστών ανάλογα με τη χρήση των πόρων του δικτύου και την ποιότητα των υπηρεσιών που τους παρέχονται. Ανάλογα, λοιπόν, με το ποιες υποφέρουσες ανατίθενται σε ποιο χρήστη, υπολογίζεται και η ισχύς εκπομπής κάθε χρήστη, καθώς και ο ρυθμός μετάδοσης. Παράλληλα με τη θεωρητική μοντελοποίηση των παραπάνω, πραγματοποιείται ένα σύνολο προσομοιώσεων, όπου παρατηρείται η συμπεριφορά των χρηστών του συστήματος ανάλογα με τη μεταβολή κρίσιμων παραμέτρων, όπως ο αριθμός των συντονιστών ομάδας και ο αριθμός των χρηστών με απαίτηση υπηρεσιών πραγματικού και μη πραγματικού χρόνου.Επιπροσθέτως, παρουσίαζεται μια επέκταση του παραπάνω αλγορίθμου, ώστε να λαμβάνεται υπόψην και η διαθέσιμη ενέργεια κάθε μηχανής του συστήματος. Μελετάται η εξέλιξη του συστήματος στο χρόνο, και πως η ελάττωση της διαθέσιμης ενέργειας επηρεάζει αρνητικά το σύστημα. Προτείνεται ένας αλγόριθμος δυναμικού διορισμού συντονιστών, ο οποίος πετυχαίνει την αύξηση του χρόνου λειτουργίας των μηχανών του δικτύου μέσω εναλλαγής των μηχανών που δρουν ως συντονιστές.