Αλγόριθμοι Διαχείρισης Ασυρμάτων Πόρων Για Πολυκυψελωτά Ofdma Δίκτυα Με Εφαρμογή Στα Δίκτυα Wimax

Abstract

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα διαχείρισης ασυρμάτων πόρων για πολυκυψελωτά OFDMA δίκτυα, με εφαρμογή στα δίκτυα WiMAX. Καθώς η OFDMA φαίνεται να επικρατεί ως η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης των δικτύων επόμενης γενιάς, για όλα τα πλεονεκτήματα που προσφέρει στο φυσικό στρώμα, είναι αναγκαίο στο στρώμα ελέγχου πρόσβασης μέσου να υπάρχει ένα ισχυρό πλαίσιο διαχείρισης πόρων. Αυτό το πλαίσιο θα πρέπει να είναι σε θέση να αξιοποιεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο τους διαθέσιμους πόρους του δικτύου, εν προκειμένω το καταλαμβανόμενο εύρος ζώνης και τη διαθέσιμη ισχύ, λαμβάνοντας υπόψη τις ανάγκες και απαιτήσεις των χρηστών του δικτύου.Αρχικά, το ενδιαφέρον εστιάζεται στο μοντέλο ενός OFDMA δικτύου. Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται εκτενής παρουσίαση του φυσικού στρώματος της τεχνικής πολυπλεξίας OFDM από την οποία προκύπτει η OFDMA. Εκεί περιλαμβάνεται περιγραφή του OFDM σήματος και ενός πλήρους πομποδέκτη OFDM ενώ αναλύονται τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η OFDM σε επίπεδο φυσικού στρώματος.Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά στο πρόβλημα διαχείρισης πόρων για πολυκυψελωτά OFDMA δίκτυα. Αφού οριστεί τυπικά το πρόβλημα ως ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, παρουσιάζεται ένα πλαίσιο διαχείρισης ασυρμάτων πόρων, όπου αντιμετωπίζονται τα επιμέρους προβλήματα επιλογής σταθμού βάσης, εκχώρησης φερόντων και καθορισμού διαμόρφωσης και ελέγχου ισχύος. Ακολουθεί περιγραφή έξι διαφορετικών αλγορίθμων εκχώρησης φερόντων, συγκεκριμένα ο σειριακός, συντεταγμένος, τυχαίος και τυχαίος-συντεταγμένος αλγόριθμος, οι οποίοι δεν απαιτούν γνώση των συνθηκών του καναλιού του χρήστη, καθώς και ο προσαρμοστικός και βέλτιστος αλγόριθμος, οι οποίοι αντιθέτως απαιτούν πλήρη γνώση των συνθηκών καναλιού. Η επίδοση ενός πολυκυψελωτού OFDMA δικτύου όταν εφαρμόζεται το προηγούμενο πλαίσιο εκχώρησης πόρων με αυτούς τους αλγορίθμους εκχώρησης φερόντων εκτιμάται μέσα από δύο σειρές προσομοιώσεων. Στην πρώτη σειρά προσομοιώσεων το ενδιαφέρον εστιάζει στους αλγορίθμους που δεν απαιτούν γνώση των συνθηκών καναλιού, ενώ στη δεύτερη η επίδοσή τους συγκρίνεται με αυτή του προσαρμοστικού αλγορίθμου, που απαιτεί πλήρη γνώση των συνθηκών καναλιού.Συνεχίζοντας, στο τρίτο κεφάλαιο το ενδιαφέρον στρέφεται στην εφαρμογή μεθόδων της θεωρίας παιγνίων για την πρόταση λύσεων στο πρόβλημα διαχείρισης πόρων. Μετά από μια σύντομη εισαγωγή στις έννοιες της θεωρίας παιγνίων, ακολουθεί η παρουσίαση ενός αλγορίθμου κατανομής φερόντων ο οποίος βασίζεται σε συνδυαστικές δημοπρασίες. Η παρουσίαση του αλγορίθμου ακολουθείται από μια σειρά προσομοιώσεων όπου η επίδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου συγκρίνεται με την επίδοση του βέλτιστου, προσαρμοστικού και τυχαίου αλγορίθμου. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάζεται ένας κατανεμημένος αλγόριθμος ελέγχου ισχύος, ο οποίος βασίζεται σε μη συνεργατικά παίγνια. Έτσι, παρουσιάζεται μία ακόμα σειρά προσομοιώσεων όπου συγκρίνεται η επίδοση του κατανεμημένου σχήματος ελέγχου ισχύος με το κεντρικό σχήμα ελέγχου ισχύος υπό την εφαρμογή του βέλτιστου αλγορίθμου κατανομής φερόντων και του αλγορίθμου κατανομής δημοπρασιών.Κατόπιν, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στο πρόβλημα διαχείρισης πόρων για πολυκυψελωτά WiMAX δίκτυα. Το τέταρτο κεφάλαιο δίνει τις απαραίτητες πληροφορίες για το φυσικό στρώμα και το στρώμα ελέγχου μέσου του WiMAX. Περιγράφεται, έτσι, η δομή του OFDM συμβόλου καθώς και ο τρόπος επιλογής των OFDM φερόντων για τη συγκρότηση των υποκαναλιών και των θυρίδων. Πραγματοποιείται επίσης μια σύντομη περιγραφή του WiMAX πλαισίου, εστιάζοντας στην εφαρμογή χρονοδιαιρετικής αμφιδρόμησης. Έπειτα γίνεται λόγος για την κλασματική επαναχρησιμοποίηση συχνότητας, μια τεχνική που προβλέπεται στο WiMAX για την καλύτερη αξιοποίηση του φάσματος. Υπό αυτό το πρίσμα, παρουσιάζεται η δομή ενός πολυκυψελωτού δικτύου WiMAX και οι διαδικασίες που ακολουθούνται για τη διαχείριση των πόρων του δικτύου. Στο σημείο αυτό παρουσιάζονται τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις στο πρόβλημα της επιλογής συντελεστή επαναχρησιμοποίησης συχνότητας, συγκεκριμένα μια προσέγγιση που βασίζεται στην απόσταση, μία δεύτερη που βασίζεται στο SINR ενώ προτείνεται ακόμα μία τρίτη που βασίζεται στην εξισορρόπηση φορτίου ανάμεσα στους συντελεστές επαναχρησιμοποίησης. Η επίδοση των διαφορετικών προσεγγίσεων παρουσιάζεται μέσα από μια σειρά προσομοιώσεων.Η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με το πέμπτο κεφάλαιο. Εκεί συγκεντρώνονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διεξαχθείσα έρευνα ενώ παράλληλα σκιαγραφούνται κάποιες προτάσεις για μελλοντική έρευνα στο συγκεκριμένο ερευνητικό πεδίο.