Σπουδή των διαδικασιών βελτιστοποίησης της ποιότητας υπηρεσιών των σύγχρονων και μελλοντικών ασύρματων δικτύων

• Κύριος συγγραφέας: Πάσχος, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Κωτσόπουλος, Σταύρος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2009
• Θέματα: Ποιότητα υπηρεσιών; Ασύρματα δίκτυα; Ανάλυση επίδοσης; Quality of service (QoS); Wireless networks; Performance analysis; 621.382 0287

Η μερική αντικατάσταση των παραδοσιακών ενσύρματων επικοινωνιών από ασύρματες οδήγησε στην ανάγκη για κατάλληλη σχεδίαση των ασύρματων δικτύων, ώστε να υποστηρίζουν τα απαιτούμενα επίπεδα ποιότητας. Η προσφερόμενη ποιότητα περιορίζεται σίγουρα από φυσικά εμπόδια όπως τα όρια που έθεσε ο Shannon, αλλά και από την περιορισμένη γνώση μας στην εκπομπή και διάδοση κυμάτων. Η διαρκής βελτίωση της ικανότητας των ασύρματων δικτύων να προσφέρουν υψηλής ποιότητας υπηρεσίες είναι όμως γεγονός και οφείλεται σε δύο βασικούς ερευνητικούς άξονες, αυτόν που εφευρίσκει νέες μεθόδους επικοινωνίας (διαμόρφωση, κωδικοποίηση, πολυπλεξία, κεραίες κ.α.) και αυτόν που προσπαθεί να βελτιώσει τη διαχείριση των ήδη υπαρχόντων πόρων. Η παρούσα διατριβή προσφέρει επιστημονικές ιδέες και μοντέλα, που έχουν σαν σκοπό την καλύτερη διαχείριση των πόρων. Τα παραδοσιακά αλλά και τα μοντέρνα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας έχουν κατακλύσει την αγορά. Η λειτουργία τους όμως, παραμένει να κινείται στα πλαίσια συμβιβασμών, προσφέροντας χαμηλή ποιότητα υπηρεσίας. Η είσοδος των ασύρματων δικτύων υπολογιστών στην αγορά, ως ανταγωνιστές παροχής κλασικών υπηρεσιών (υπηρεσία φωνής και υπηρεσία δεδομένων), δίνει μια ώθηση αναπροσαρμογής των στόχων των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι διαχείρισης των δικτύων αυτών προσφέρουν καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών με αλλαγή μεμονωμένων μόνο τμημάτων του δικτύου, χωρίς την ασύμφορη ολική επανασχεδίασή του. Αποτελούν δηλαδή πρακτικές λύσεις για την αποδοτικότερη λειτουργία των ήδη εγκατεστημένων δικτύων. Από την άλλη πλευρά, η ανερχόμενη τεχνολογία των ασύρματων δικτύων υπολογιστών βρίσκεται περισσότερο σε ανταγωνισμό με τα κλασικά ενσύρματα δίκτυα υπολογιστών. Το πλεονέκτημα της ελεύθερης κίνησης μετατρέπεται σε δυσβάσταχτο περιορισμό όταν η σύγκριση ποιότητας των δύο δικτύων είναι αναπόφευκτη. Για το λόγο αυτό, υπάρχει η μεγάλη ανάγκη τα ασύρματα δίκτυα να γίνουν ανταγωνιστικά των ενσύρματων και κυρίως να παρέχουν ποιότητα ικανού επιπέδου, ώστε οι διάφορες υπηρεσίες να μπορούν να λειτουργήσουν ανεπηρέαστες από την χρήση του ασύρματου καναλιού. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι σε αυτόν τον τομέα αποσκοπούν στην βελτίωση της λειτουργίας των ασύρματων δικτύων με τελικό σκοπό την εξασφάλιση επιπέδων ποιότητας. Για την μελέτη των ασύρματων δικτύων κινητής τηλεφωνίας και υπολογιστών και την εξαγωγή συμπερασμάτων απαιτούνται αναλυτικές μέθοδοι περιγραφής και εξομοιώσεις των δικτύων αυτών ώστε να γίνουν και οι κατάλληλες συγκρίσεις της προσφερόμενης ποιότητας. Ο τομέας αυτός της επιστήμης είναι διαρκώς ενεργός καθώς νέες τεχνικές και αναλύσεις προτείνονται συνεχώς. Με στόχο την ανάλυση και την εξομοίωση των προηγούμενα αναφερθέντων αλγορίθμων αναπτύχθηκε ένας αριθμός τεχνικών, που αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα της διατριβής αυτής. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής και συγκεκριμένα στο τμήμα μελέτης της επίδοσης των δικτύων, προτείνεται η μετατροπή μη γραμμικών αλυσίδων Markov σε γραμμικές, για χρήση σε προβλήματα κίνησης ταυτόχρονων πολλαπλών υπηρεσιών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία οδηγεί σε ταχύτατο υπολογισμό της αλυσίδας με τη χρήση μιας προσέγγισης. Παράλληλα, αναλύεται ο χρόνος διαμονής και ο εναπομένων χρόνος διαμονής σε μια κυψέλη. Η ανάλυση γίνεται εκ του μηδενός και με χρήση βασικών στοχαστικών μοντέλων, ενώ το αποτέλεσμα καταλήγει σε κατανομή gamma, κάτι που είχε ήδη παρατηρηθεί από πειράματα στην βιβλιογραφία. Στη συνέχεια κατασκευάζεται ένα ντετερμινιστικό μοντέλο εξομοίωσης που μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα μέσω ενός χάρτη σε κάθε πόλη με ορθογώνια δόμηση. Στο τμήμα των δικτύων κινητής τηλεφωνίας προτείνεται ένας αλγόριθμος διαχείρισης και αποδοχής κλήσεων που προκαλεί μεταπομπές συστήματος (system initiated handover). Η χρήση των μεταπομπών αυτών επιφέρει μεταβλητή χωρητικότητα (soft capacity) σε μια ομάδα κυψελών με αποτέλεσμα την αποδοτικότερη διαχείριση πόρων σε περιπτώσεις άνισης κατανομής κίνησης. Ένας άλλος αλγόριθμος προτείνεται για διαρκή διαπραγμάτευση (real-time negotiation) ποιότητας μεταξύ του δικτύου και του χρήστη με αποτέλεσμα την καλύτερη οργάνωση και διαχείριση των πόρων. Αποδεικνύονται η δυνατότητα χρήσης του αλγορίθμου σε πραγματικό χρόνο και τα οφέλη που αποκομίζονται από αυτήν. Στο τμήμα ασύρματων δικτύων υπολογιστών προτείνεται ένα νέο πρωτόκολλο πρόσβασης μέσου, για χρήση στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Το πρωτόκολλο αυτό είναι πλήρως κατανεμημένο (μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε αυτοοργανονούμενα δίκτυα - ad hoc), ενώ προσφέρει τη δυνατότητα παροχής διαφορετικών επιπέδων ποιότητας, από άριστη ποιότητα για κλήσεις πραγματικού χρόνου μέχρι ποιότητα καλύτερης δυνατής προσπάθειας (best effort). Επίσης προτείνονται αλγόριθμοι βελτίωσης των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Αναλύεται συγκεκριμένα ο αυτόματος εντοπισμός κόμβων με χρήση τριγωνισμού και μεταβλητής ισχύος σημάτων-φάρων και η εξοικονόμηση ενέργειας με χρήση συστημάτων πολλαπλών κεραιών (MIMO).