Πολυεπίπεδα Ασύρματα Δίκτυα 5ης Γενιάς Με Χρήση Μη Ορθογωνικού Σχήματος Πολλαπλής Πρόσβασης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο τη μελέτη της βέλτιστης κατανομής πόρων σε πολυεπίπεδα ασύρματα δίκτυα 5ης γενιάς με τη χρήση του καινοτόμου μη ορθογωνικού μοντέλου πολλαπλής πρόσβασης (Non-Orthogonal Multiple Access - ΝΟΜΑ), καθώς και τη σύγκριση αυτού με το μοντέλο πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση κώδικα (Code Division Multiple Access - CDMA). Για την υλοποίηση του προβλήματος βέλτιστης κατανομής πόρων υιοθετήθηκαν βασικές αρχές της Θεωρίας Παιγνίων του John Forbes Nash, σύμφωνα με τις οποίες το πρόβλημα διαμορφώνεται ως ένα μη-συνεργατικό παίγνιο ταυτόχρονης κατανομής ισχύος και ρυθμού μετάδοσης. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, αρκεί να αποδειχτεί τόσο η ύπαρξη όσο και η μοναδικότητα του σημείου ισορροπίας κατά Nash. Επιπρόσθετα, εισάγεται η έννοια της συνάρτησης ευχαρίστησης (utility function), η οποία είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται ευρέως στην Οικονομική Επιστήμη και αντικατοπτρίζει το βαθμό ευχαρίστησης των χρηστών του δικτύου ανάλογα με τη χρήση των πόρων και της ποιότητας των υπηρεσιών που τους παρέχονται από το δίκτυο, λαμβάνοντας υπόψιν και τις απαιτήσεις των χρηστών σε ρυθμό μετάδοσης, κατανάλωση ισχύος και τις παρεμβολές που υπεισέρχονται εντός του δικτύου. Τέλος, εισάγεται η έννοια κοστολόγησης των πόρων του δικτύου με στόχο την επιβολή κοινωνικής συμπεριφοράς στους χρήστες, οι οποίοι εγωιστικά ανταγωνίζονται για την απόκτηση των πόρων του δικτύου εις βάρος των άλλων χρηστών. Η μελέτη χωρίζεται σε τρία στάδια, όπου σε κάθε στάδιο προστίθεται σταδιακά και ένα νέο επίπεδο δικτύωσης στο σύστημα: 1. Μονοεπίπεδο σύστημα: Εδώ το δίκτυό μας αποτελείται από μία μακροκυψέλη και ορισμένους χρήστες, χρησιμοποιώντας το μοντέλο ΝΟΜΑ. Στόχος σε αυτό το σημείο είναι να επιλύσουμε το πρόβλημα βέλτιστης κατανομής πόρων καθώς και να συγκρίνουμε τις τιμές των μεγεθών: ισχύς εκπομπής, ρυθμός μετάδοσης, ενεργειακή απόδοση και παρεμβολές με αυτές του αντίστοιχου προβλήματος σε CDMA τεχνική, ώστε να καταλήξουμε στην υπεροχή του μοντέλου ΝΟΜΑ. Παράλληλα, ελέγχεται η επιρροή της χρήσης κοστολόγησης στις τιμές των πόρων του δικτύου. 2. Διεπίπεδο σύστημα: Σε αυτό το στάδιο, προστίθενται στο δίκτυο ένας αριθμός από φεμτοκυψέλες και χρήστες φεμτοκυψέλης. Στόχος είναι και πάλι η επίλυση του πρωταρχικού προβλήματος, καθώς και η σύγκριση με το αντίστοιχο διεπίπεδο CDMA πρόβλημα. Με στόχο την απλούστευση της παρουσίασης, στο παρόν μοντέλο δε γίνεται χρήση κοστολόγησης, ώστε να αναδειχτούν τα πλεονεκτήματα κυρίως εξαιτίας της πολυεπίπεδης δομής και όχι λόγω της κοστολόγησης. 3. Τριεπίπεδο σύστημα: Αυτό το στάδιο χωρίζεται σε δύο σενάρια. Στο πρώτο σενάριο προστίθενται στο διεπίπεδο σύστημα οι κυψέλες ορατού φωτός (VLC) και οι χρήστες αυτών και γίνεται σύγκριση μεταξύ των δύο επιπέδων (διεπίπεδο και τριεπίπεδο) με στόχο να αποφανθούμε για την επίπτωση που θα έχει στη χρήση των πόρων του δικτύου η προσθήκη των VLC κυψελών. Στο δεύτερο σενάριο, μετατρέπουμε τον αριθμό των VLC κυψελών και των χρηστών τους σε φεμτοκυψέλες με φεμτοχρήστες και συγκρίνουμε το σύστημα αυτό με το αντίστοιχο τριεπίπεδο σύστημα. Αυτή η μελέτη έχει ως στόχο να δείξει εάν έχει θετική, αρνητική ή Ντάβου Φωτεινή| 8 μηδενική επίδραση στη χρήση των πόρων του δικτύου, η αλλαγή από διεπίπεδο σε τριεπίπεδο σύστημα. Εν κατακλείδι, παράλληλα με τη θεωρητική μοντελοποίηση των ανωτέρω προβλημάτων, πραγματοποιείται ένα σύνολο προσομοιώσεων με τη βοήθεια του εργαλείου MATLAB, ώστε να εξάγουμε με ακρίβεια αποτελέσματα για το πρόβλημα βέλτιστης κατανομής πόρων, καθώς και να καταλήξουμε σε συμπεράσματα για τα πλεονεκτήματα του μοντέλου ΝΟΜΑ, έναντι του προκατόχου του CDMA.