Βέλτιστος Έλεγχος Ισχύος Και Διαχείριση Κάλυψης Σε Ασύρματα Cdma Κυψελωτά Δίκτυα Δυο Επιπέδων (optimal Joint Power Control And Coverage Management In Two-tier Femtocell Networks)

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάσαμε τη διαχείριση της ισχύος και την κατανομή της στην κάτω ζεύξη από τους Σταθμούς Βάσης (ΣΒ) ενός CDMA δικτύου δυο επιπέδων που αποτελείται από μια μακροκυψέλη και φεμτοκυψέλες. Στόχος μας ήταν να αυξήσουμε το συνολικό ρυθμό μετάδοσης κάτω ζεύξης των χρηστών μειώνοντας τις παρεμβολές στους χρήστες μέσω της μείωσης της συνολικής κατανάλωσης ισχύος στους ΣΒ του δικτύου. Σε αντίθεση με όλες τις προηγούμενες μελέτες που έχουν εκπονηθεί πάνω σ’ αυτό το πρόβλημα, εμείς το αναδιατυπώσαμε θεωρώντας ότι οι συνολικές ισχύεις που διαθέτουν οι ΣΒ στους χρήστες τους δεν είναι σταθερές αλλά μεταβάλλονται με τέτοιο τρόπο ώστε να αυξήσουν τη συνολική αποδοτικότητα του δικτύου πάντα όμως τηρώντας τους περιορισμούς ισχύος που επιβάλλονται από τις τεχνικές προδιαγραφές των ΣΒ του δικτύου. Συνεπώς, το υπό μελέτη πρόβλημα μας είναι ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης της αποδοτικότητας ενός CDMA δικτύου δυο επιπέδων ως προς το συνολικό ρυθμό μετάδοσης κάτω ζεύξης των χρηστών με μεταβλητές τις κατανομές ισχύος στις κυψέλες του δικτύου και τις συνολικές ισχύεις που διαθέτουν οι ΣΒ του δικτύου. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος θεωρήσαμε ότι κάθε χρήστης είναι ακίνητος και εξυπηρετείται από ένα και μόνο ΣΒ κάθε χρονική στιγμή.Επιλύσαμε το πρόβλημα αυτό εφαρμόζοντας τη θεωρία διαχωρισμού (Decomposition Theory). Το υπό μελέτη πρόβλημα δεν είναι διαχωρίσιμο επειδή ο σηματοθορυβικός λόγος ενός χρήστη δεν είναι συνάρτηση μόνο της ισχύς που του αφιερώνεται από το ΣΒ που τον εξυπηρετεί και της συνολικής ισχύς που διαθέτει αυτός ο ΣΒ στους χρήστες του, αλλά αποτελεί συνάρτηση και των συνολικών ισχύων που διαθέτουν οι υπόλοιποι ΣΒ στους χρήστες τους. Θεωρώντας, όμως, ότι οι συνολικές ισχύεις που διαθέτουν οι ΣΒ στους χρήστες τους είναι σταθερές, δείξαμε ότι το πρόβλημα γίνεται διαχωρίσιμο με αποτέλεσμα να μπορεί να σπάσει σε τόσα υποπροβλήματα CLP (Cell Local Problem - CLP) όσες είναι οι κυψέλες του δικτύου συντονιζόμενα από ένα άλλο τύπου πρόβλημα MP (Master Problem - MP) σύμφωνα με τη θεωρία Διαχωρισμού. Συνεπώς, για κάθε κυψέλη το προκύπτον πρόβλημα CLP, το οποίο αποτελεί ένα πρόβλημα βέλτιστης διαχείρισης πόρων της εκάστοτε κυψέλης θεωρώντας σταθερές τις συνολικές ισχύεις που διαθέτουν οι ΣΒ του δικτύου στους χρήστες τους, επιλύεται με τεχνικές Δυϊκού Διαχωρισμού (Dual Decomposition) καταλήγοντας σε ένα χαμηλής πολυπλοκότητας αλγόριθμο. Το πρόβλημα MP αναζητεί τις συνολικές ισχύεις που διαθέτουν οι ΣΒ στους χρήστες τους γνωρίζοντας τις βέλτιστες λύσεις όλων των προβλημάτων CLP με στόχο την αύξηση της συνολικής απόδοσης του δικτύου. Επιλέγοντας τη βαθμωτή μέθοδο (subgradient method) και αποδεικνύοντας τη σύγκλιση της εξασφαλίζουμε ότι κάθε ΣΒ θα αποφασίζει την ισχύ που θα διαθέσει στους χρήστες του (δηλαδή το πρόβλημα MP σπάει σε τόσα επιμέρους προβλήματα όσοι είναι οι ΣΒ του δικτύου). Συνοψίζοντας, σύμφωνα με τον προτεινόμενο αλγόριθμο μας κάθε κυψέλη αντιμετωπίζεται ως ένα κατανεμημένο πρόβλημα, το οποίο αναζητεί όχι μόνο τη συνολική ισχύ που θα διαθέσει στους χρήστες της, αλλά και πώς θα την κατανείμει με στόχο την αύξηση της συνολικής απόδοσης του δικτύου.Προσομοιώνοντας σε Matlab τον προτεινόμενο αλγόριθμο μας αποδείξαμε την αποδοτικότητα του αλγορίθμου μας παρατηρώντας μέχρι και 56% αύξηση του συνολικού ρυθμού μετάδοσης κάτω ζεύξης των χρηστών του δικτύου ως άμεση συνέπεια της μείωσης κατανάλωσης ισχύος στους ΣΒ του δικτύου μέχρι και 70%.