Προηγμένες Τεχνικές Παράλληλου Προγραμματισμού Και Πλέγματος Για Συστήματα Ασύρματων Επικοινωνιών

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αντιμετώπιση των αυξημένων υπολογιστικών απαιτήσεων συγκεκριμένων προβλημάτων που σχετίζονται με την προσομοίωση, βελτιστοποίηση και σχεδίαση σύγχρονων συστημάτων ασύρματων και κινητών επικοινωνιών, με χρήση τεχνικών παράλληλης και κατανεμημένης επεξεργασίας και με χρήση τεχνολογιών υπολογιστικού πλέγματος. Καθώς η χρήση προηγμένων και όλο και πολυπλοκότερων τεχνικών και μοντέλων (για παράδειγμα έξυπνες κεραίες, τεχνικές MIMO, στοχαστικές μέθοδοι βελτιστοποίησης, ντετερμινιστική πρόβλεψη διάδοσης) γίνεται συχνότερη στα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, οι υπολογιστικές απαιτήσεις των προβλημάτων που σχετίζονται με αυτά αυξάνονται με γρήγορους ρυθμούς. Η επίλυση των προβλημάτων αυτών μπορεί να γίνει εξαιρετικά απαιτητική σε υπολογιστικούς χρόνους, ή ακόμη και πρακτικά αδύνατη σε ορισμένες περιπτώσεις. Στα πλαίσια της διατριβής, πραγματοποιήθηκε μελέτη τριών συγκεκριμένων προβλημάτων που σχετίζονται με την προσομοίωση, βελτιστοποίηση και σχεδίαση συστημάτων ασύρματων και κινητών επικοινωνιών, και επιχειρήθηκε η ανάπτυξη και υλοποίηση κατάλληλων μεθόδων για την αντιμετώπιση των αυξημένων υπολογιστικών αναγκών τους. Υλοποιήθηκε παράλληλο μοντέλο πρόβλεψης διάδοσης σε ραδιοκανάλι με βάση την τεχνική ανίχνευσης ακτίνων και την ηλεκτρομαγνητική θεωρία των ειδώλων. Η υλοποίηση έγινε χρησιμοποιώντας το υπολογιστικό παράδειγμα της διεπαφής προώθησης μηνυμάτων. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα από την εφαρμογή του παράλληλου μοντέλου σε προβλήματα διαφορετικού μεγέθους, τα οποία δείχνουν ότι ο παράλληλος αλγόριθμος επιτυγχάνει σχεδόν ιδανική κλιμάκωση σε όλες τις περιπτώσεις. Επίσης, αναπτύχθηκε κατανεμημένη πλατφόρμα βελτιστοποίησης νέφους σωματιδίων με βάση το υπολογιστικό παράδειγμα των κινητών πρακτόρων λογισμικού. Ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης νέφους σωματιδίων περιλαμβάνει ένα μεγάλο πλήθος εκτιμήσεων μίας συνάρτησης κόστους, η οποία για τα προβλήματα ασύρματων επικοινωνιών είναι συχνά μία χρονοβόρα και μνημοβόρα διαδικασία. Η προσέγγιση που ακολουθήθηκε επιτρέπει την παράλληλη και κατανεμημένη εκτέλεση του αλγορίθμου σε ένα σύνολο ετερογενών υπολογιστών που συνδέονται μέσω δικτύου, παρέχοντας ευκολία και ευελιξία στην εγκατάσταση, καθώς και δυνατότητα για εύκολη επέκταση. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή του συστήματος στην επίλυση προβλήματος βελτιστοποίησης διαγράμματος ακτινοβολίας στοιχειοκεραίας.Τέλος, αναπτύχθηκε δικτυακό περιβάλλον με βάση τις τεχνολογίες ιστού για την προσομοίωση συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών σε υποδομή πλέγματος. Το περιβάλλον παρέχει μια ασφαλή δικτυακή πύλη με βάση τα πρότυπα των portlets ως διεπαφή στο μεσισμικό της υποδομής πλέγματος, η οποία αποκρύπτει από τον τελικό χρήστη την πολυπλοκότητα χρήσης του πλεγματικού μεσισμικού. Το περιβάλλον προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση μιας σειράς προσομοιώσεων συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών, ενώ παρουσιάζονται στατιστικά από την εκτέλεση στο πλέγμα ορισμένων σεναρίων για συστήματα WCDMA.