Τεχνικές ανάπτυξης και βελτιστοποίησης ετερογενών κινητών δικτύων επόμενης γενιάς βασισμένα σε μικροκυψέλες

• Κύριος συγγραφέας: Δηλές, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Μπούρας, Χρήστος
• Μορφή: Image
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2018
• Θέματα: Μικροκυψέλες; Κινητά τηλέφωνα; Δίκτυα; Smallcells; Mobile phones; Networks; 621.384

Οι κινητές επικοινωνίες έχουν γίνει ένα καθημερινό αγαθό. Κατά τις τελευταίες δεκαετίες, εξελίχθηκαν από το να θεωρούνται μια ακριβή τεχνολογία για λίγους, στα σημερινά συστήματα που χρησιμοποιούνται απανταχού και από την πλειοψηφία του πληθυσμού του πλανήτη. Αυτό δημιουργεί υψηλές απαιτήσεις από τις τεχνολογίες ασύρματης πρόσβασης όσο αφορά κυρίως τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, τη καθυστέρηση και τη χωρητικότητα. Καθώς όμως η απόδοση ανά σύνδεσμο (link) πλησιάζει το θεωρητικό όριο στα τελευταίας γενιάς δίκτυα, το επόμενο άλμα επίδοσης στα ασύρματα δίκτυα αναμένεται να προέλθει από την εξελιγμένη εκμετάλλευση των διαθέσιμων πόρων. Η έννοια των ετερογενών δικτύων στα κινητά δίκτυα αφορά τη βελτίωση της φασματικής απόδοσης ανά μονάδα επιφανείας, χρησιμοποιώντας ένα μείγμα από μικροκυψέλες (macrocell, picocell, femtocell) και relay σταθμών βάσης. Τα ετερογενή δίκτυα επιτρέπουν ευέλικτη και χαμηλού κόστους υλοποίηση και προσφέρουν μια ομοιογενή ευρυζωνική πρόσβαση στους χρήστες ανεξάρτητα της θέσης τους στο δίκτυο. Ενώ η τοποθέτηση των macrocell σταθμών βάσης σε ένα δίκτυο βασίζεται σε προσεκτικό σχεδιασμό, η τοποθέτηση των small cells μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο τυχαία (ad hoc), με βάση μόνο μια πρόχειρη γνώση των ζητημάτων της κάλυψης και της πυκνότητας της κυκλοφορίας στο δίκτυο. Τέτοια ετερογενή συστήματα θα είναι σημαντικά πιο περίπλοκα στην ανάπτυξή τους από ότι τα σημερινά δίκτυα και ως εκ τούτου απαιτούν απλές, προσαρμόσιμες και εύρωστες στρατηγικές ανάπτυξης σε σύγκριση με μια προσέγγιση ανάπτυξης συμβατικών υποδομών δικτύων κινητής τηλεφωνίας, ενώ για την ενίσχυση της απόδοσης και την εξαγωγή του μέγιστου οφέλους από τα δίκτυα αυτά, προηγμένες τεχνικές συντονισμού και μετάδοσης θα χρειαστούν. Καθότι τα μελλοντικά δίκτυα πέμπτης γενιάς αναμένεται να περιλαμβάνουν πυκνότατες δομές small cells που θα εγκαθίστανται από απλούς χρήστες, η ρύθμιση των παραμέτρων μετάδοσης, προκειμένου να επιτύχουν την βέλτιστη απόδοση χωρίς να επηρεάζουν τα παρακείμενα δίκτυα, θα αναδειχτεί σε κρίσιμο παράγοντα στα κινητά δίκτυα. Παράλληλα και καθώς ο αριθμός των χρηστών και των σταθμών βάσεων θα πολλαπλασιάζεται, θα αναδεικνύεται ως κρίσιμος παράγοντας και η ενεργειακή απόδοση των δικτύων αυτών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, στόχος της παρούσης διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των μηχανισμών μετάδοσης και των τεχνικών ανάπτυξης σε ετερογενή δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων/μηχανισμών για τη βελτιστοποίηση τους. Πιο συγκεκριμένα στόχος μας είναι ο έξυπνος συντονισμός μεταξύ των σταθμών βάσης, οι καλύτερες στρατηγικές επιλογής εξυπηρετητή και οι πιο αποτελεσματικές μέθοδοι ακύρωσης των παρεμβολών με σκοπό σημαντικά οφέλη στην απόδοση και την εμπειρία του χρήστη και στις επιδόσεις των δικτύων όσο αφορά τη χωρητικότητα και την ενεργειακή κατανάλωση. Η διατριβή αυτή επικεντρώνεται στα femtocells, που αποτελούν την χαμηλότερη βαθμίδα στα small cells ως προς την εμβέλεια και ισχύ, με αποτέλεσμα να συγκεντρώνουν εντονότερα και τα «προβληματικά» χαρακτηριστικά τους: πυκνότατες ad hoc εγκαταστάσεις ανά μονάδα επιφάνειας, εγκατάσταση από τον χρήστη και όχι από τον διαχειριστή του ευρύτερου δικτύου άρα και αδυναμία κεντρικού συντονισμού, και αποκλειστικότητα πρόσβασης στους ιδιοκτήτες άρα και υψηλά φαινόμενα παρεμβολών σε μη έχοντες πρόσβαση χρήστες. Προς αποφυγή των παραπάνω, εκμεταλλεύεται τη δυνατότητα υβριδικής πρόσβασης των σταθμών αυτών που επιτρέπουν την επιβολή ρυθμιζόμενων πολιτικών ως προς τους χρήστες (εγγεγραμμένους ή μη) που θα εξυπηρετήσουν αλλά και τους πόρους που θα διαθέσουν σε αυτούς. Πάνω σε αυτήν την ιδιότητα, καταρχήν αναπτύσσεται και αξιολογείται μηχανισμός βάση του οποίου καθορίζονται οι παράμετροι μετάδοσης και η διαχείριση των πόρων των εν λόγω femtocells με στόχο την μείωση παρεμβολών και την δικαιότερη κατανομή των πόρων αυτών. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε αλγόριθμος για πυκνές συστοιχίες femtocells βάση του οποίου καθορίζεται το ποσοστό του φάσματος που θα διατεθεί από τους femto σταθμούς βάσης στους μη εγγεγραμμένους χρήστες. Ο απώτερος στόχος του μηχανισμού βασίζεται στην ελαχιστοποίηση του αρνητικού αντίκτυπου των femtocells στους μη εξυπηρετούμενους από αυτούς χρήστες και η προσπάθεια αναπαραγωγής της επίδοσης των τελευταίων σε επίπεδα που απολάμβαναν πριν την εγκατάσταση του femtocell. Όταν λοιπόν κοντινό femtocell προκαλεί έντονες παρεμβολές σε έναν χρήστη, ο σταθμός βάσης μπαίνει σε υβριδική λειτουργία και ο καταμερισμός φάσματος καθορίζεται βάση των προηγούμενων μετρήσεων της ρυθμαπόδοσης του χρήστη. Οι εγγεγραμμένοι χρήστες διατηρούν πάντα προτεραιότητα στους πόρους του σταθμού βάσης, για αυτό και ο μηχανισμός δεν εγγυάται στους υπόλοιπους χρήστες την προηγούμενη απόδοση. Η σύγκλιση που επέφερε ο μηχανισμός ήταν σημαντική σε σενάρια πυκνών συστοιχιών που μελετήθηκαν. Επιπλέον ως συνέχεια του παραπάνω μηχανισμού σε πυκνές συστοιχίες femtocells, αναπτύχθηκε μηχανισμός εξισορρόπησης της πτώσης απόδοσης εγγεγραμμένων χρηστών λόγω της μετάβασης από κλειστής πρόσβασης σε υβριδική λειτουργία. Ο μηχανισμός βασίστηκε στον έλεγχο ισχύος μεταξύ των σταθμών βάσης, προκειμένου να μετριαστεί η πτώση σε όσους σταθμούς λειτουργούν υβριδικά (άρα υφίστανται καταμερισμό φάσματος), μειώνοντας την ισχύ μετάδοσης σε γειτονικούς σταθμούς ώστε να μειωθούν οι παρεμβολές στους πρώτους. Πρόκειται για κατανεμημένη συνεργασία μεταξύ των σταθμών, με απώτερο αποτέλεσμα το βάρος εξυπηρέτησης μη εγγεγραμμένων χρηστών να κατανέμεται σε όλα τα γειτονικά femtocell, ώστε αντί ορισμένα μόνο εξ αυτών να υφίσταται μεγάλη μείωση, όλα τα μέλη του cluster να υφίστανται μικρή. Τα οφέλη του μηχανισμού είναι πολλαπλά. Πρώτον, σε καταστάσεις πολλαπλών κοντινών femtocells (συστοιχίες), οι συσσωρευμένες παρεμβολές μπορούν να στραγγαλίσουν έναν μη εγγεγραμμένο χρήστη. Η ελεγχόμενη υβριδική λειτουργία προσφέρει αφενός τους απαραίτητους πόρους, αφετέρου σέβεται τους δικαιωματικά σε προτεραιότητα χρήστες, ενώ προσαρμόζεται ευέλικτα στις καταστάσεις αντί της προσέγγισης σταθερού καταμερισμού. Δεύτερον, ο έλεγχος ισχύος σε καταστάσεις συστοιχιών προσφέρει ομοιογένεια και μικρότερες μεταπτώσεις στην επίδοση των εγγεγραμμένων χρηστών. Τρίτον, καθώς ο έλεγχος ισχύος γίνεται με σκοπό τη μείωση των παρεμβολών, γίνεται πάντα μειώνοντας την ισχύ μετάδοσης, γεγονός που μειώνει και το σύνολο των παρεμβολών. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε νέος αλγόριθμος, πάλι με στόχο την κατανομή πόρων σε συστοιχίες femtocells, ο οποίος όμως βασίζεται στην δημιουργία και ιεράρχηση ομάδων χρηστών. Οι ομάδες αποτελούνται από τους εγγεγραμμένους και μη εγγεγραμμένους χρήστες και τους εγγεγραμμένους χρήστες σε κάποιο άλλο femtocell-μέλος. Η εισαγωγή αυτή της τρίτης κατηγορίας χρηστών στην διατριβή αυτή μπορεί να θεωρηθεί ως μια επέκταση της βασικής ιδέας της υβριδικής πρόσβασης, προορισμένη για σενάρια όπου υπάρχει σταθερά μεγάλη κινητικότητα των χρηστών εντός μια περιοχής, και η οποία ορίζεται από κάποιο κοινό συμφέρον, όπως οι εργαζόμενοι στο κτίριο μια εταιρίας. Αυτό επιτρέπει την εναλλαγή των ενδιαφερόμενων χρηστών στα εμπλεκόμενα femtocells ανάλογα με τη θέση των χρηστών κάθε στιγμή και την προστασία χρηστών που υφίστανται υψηλές παρεμβολές. Ο αλγόριθμος επιτυγχάνει αύξηση της συνολικής χωρητικότητας που προσφέρουν όλα τα μέλη της συστοιχίας στους χρήστες τους, αύξηση των εξυπηρετούμενων χρηστών και προστασία του κύριου χρήστη των femtocells σεβόμενοι την προτεραιότητα πρόσβασης στους διαθέσιμους πόρους. Τέλος, εξερευνώντας τρόπους για καλύτερη ενεργειακή απόδοση υιοθετούμε την γνωστή πρακτική της απενεργοποίησης των macrocell σταθμών βάσης (sleep mode) στο στρώμα των femtocells. Το sleep mode είναι μια ενδιάμεση κατάσταση χαμηλής ισχύος, κατά την οποία έχουν απενεργοποιηθεί μερικά από τα εξαρτήματα του femtocell. Βασισμένοι στην ιδέα ότι με κάθε νέα εγκατάσταση ενός femtocell κλειστής πρόσβασης, εμφανίζεται μεγάλη παρεμβολή στους κοντινούς χρήστες που με τη σειρά τους μπορεί να βρουν τη λύση της κακής επίδοσης σε ένα δικό τους femtocell κλειστής πρόσβασης, αυτό θα οδηγήσει σε ένα μεγάλο αριθμό femtocells αναπτυγμένο σε μια μικρή περιοχή. Ως εκ τούτου ο αριθμός τους θα αντικατοπτρίζει την αποκλειστικότητα της χρήσης από τους χρήστες και όχι τις απαιτήσεις τους σε ρυθμό δεδομένων. Υπό αυτό το πρίσμα, αναπτύχθηκε αλγόριθμος βάσει του οποίου σε ένα τέτοιο σύστημα, επιλέγονται κάποια femtocells να λειτουργήσουν σε sleep mode, αναδιανέμοντας τους χρήστες τους με τρόπο που θα είναι προς το συμφέρον των χρηστών (εγγεγραμμένων και μη), και του δικτύου, οδηγώντας σε μείωση παρεμβολών, εξυπνότερη κατανομή των χρηστών, βελτιωμένους ρυθμούς μετάδοσης και καλύτερη ενεργειακή απόδοση. Εξερευνώντας διαφορετικές πολιτικές όσο αφορά την επιλογή των σταθμών βάσης που θα απενεργοποιηθούν αλλά και το πότε ο μηχανισμός ενεργοποιείται, υπολογίζεται για όλες τις περιπτώσεις και για διάφορα σενάρια πυκνότητας των εγκαταστημένων femtocells η βελτίωση στην επίδοση όλων των εμπλεκομένων χρηστών και στην ενεργειακή απόδοση του δικτύου.