Μελέτη και προσομοίωση εξειδικευμένων λειτουργικών διαδικασιών της ασύρματης τεχνολογίας 5G, για την στρατηγική αναβάθμιση των ζωτικών τομέων της κοινωνίας μας

• Κύριος συγγραφέας: Νέστορας, Φώτιος
• Άλλοι συγγραφείς: Nestoras, Fotios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Ψηφιακός μετασχηματισμός; 4η βιομηχανική επανάσταση; Χρόνος απόκρισης; Κινητή τηλεφωνία; Υπολογιστικό νέφος; Ανάλυση δεδομένων μεγάλου όγκου; Τεχνητή νοημοσύνη; Δίκτυα πέμπτης γενιάς; Αρχιτεκτονική ασυρμάτων δικτύων; 5G; Cloud; Big data analytics; Artificial intelligence

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τις αλλαγές και τις επιπτώσεις που θα επιφέρει στη ζωή των ανθρώπων το νέο δίκτυο 5G. Οι αλλαγές αυτές θα γίνουν αισθητές σε κάθε κλάδο και τομέα της οικονομίας και της παραγωγής, αλλάζοντας ολικά ή εν μέρει όλα όσα γνωρίζαμε μέχρι σήμερα. Πρόκειται για την μεγαλύτερη τεχνολογική επανάσταση που έχει γνωρίσει η ιστορία της ανθρωπότητας μέχρι τώρα. Το όφελος από την εισαγωγή των νέων δικτύων θα γίνει άμεσα αισθητός από τη ραγδαία βελτίωση της εμπειρίας διαδικτύου στα κινητά τηλέφωνα και τους φορητούς υπολογιστές μας. Η πραγματική μεταμόρφωση της ζωής μας θα προκύψει από την ψηφιοποίηση των καθημερινών υπηρεσιών που προσφέρονται και κυρίως, μέσω των νέων τεχνολογιών που θα αναδείξει. Το 5G έχει την ικανότητά του να υποστηρίζει την τεχνητή νοημοσύνη, τη ρομποτική, το διαδίκτυο των πραγμάτων, τον εξ αποστάσεως έλεγχο και την εικονική πραγματικότητα. Τα νέα δίκτυα πέμπτης γενιάς θα επιτρέψουν τη δημιουργία καινοτομιών που θα προσφέρουν ανυπολόγιστη αξία στην καθημερινότητά μας, επηρεάζοντας ένα μεγάλο φάσμα βιομηχανικών και οικονομικών κλάδων. Το σημαντικότερο αποτέλεσμα αυτής της νέας εποχής θα μπορούσε να αποδοθεί στην ολοένα αυξανόμενη σύνδεση ανθρώπου και μηχανής. Προκειμένου να συμβούν όλα αυτά, χρειάζεται να εγκατασταθούν παγκοσμίως ισχυρά και σύγχρονα κυτταρικά δίκτυα, τα γενικά χαρακτηριστικά των οποίων παρουσιάζονται στη παρούσα εργασία, αναδεικνύοντας τα συγκριτικά τους πλεονεκτήματα σε σχέση με τις προηγούμενες γενιές δικτύων. Αναφέρονται οι δυνατότητες για πιο γρήγορη μετάδοση της πληροφορίας, για τον μηδενικό σχεδόν χρόνο απόκρισης του δικτύου και για τη δυνατότητα ταυτόχρονης σύνδεσης πάρα πολλών συσκευών στο ίδιο δίκτυο. Ακόμα, γίνεται μια ιστορική αναδρομή των διαφόρων φάσεων ανάπτυξης καθώς και μια χρονική παρουσίαση της εμφάνισης και προόδου της κινητής τηλεφωνίας. Παρουσιάζεται ο μετασχηματισμός των αστικών περιοχών με την ταυτόχρονη ανάπτυξη έξυπνων πόλεων (smart cities) . Επίσης περιγράφεται το εύρος και ο τρόπος που θα επηρεαστούν οι μεταφορές και οι μετακινήσεις (smart mobility), η υγεία (smart health), η γεωργία (smart agriculture), η ασφάλεια (smart security), η εκπαίδευση (smart education) , ο τρόπος ζωής μας (smart home & media) , ακόμα και το περιβάλλον(smart enviroment), για το οποίο γίνεται τόση αναφορά λόγω της κλιματικής αλλαγής και της ανάγκης για προστασία του. Μεγάλη προσοχή δίνεται στο τρόπο που η βιομηχανία θα περάσει στο επόμενο στάδιο και θα γίνει πιο πελατοκεντρική, πιο αυτοματοποιημένη και πιο αυτόνομη από τον ανθρώπινο παράγοντα. Όλα αυτά εξειδικεύονται στις επιπτώσεις που θα φέρει το 5G στις ΗΠΑ, την ΕΕ και την Ελλάδα. Γίνεται μια οικονομοτεχνική προσέγγιση των ανακατατάξεων που θα προκαλέσει σε κάθε κλάδο σε καθεμία από αυτές, ενώ αντίστοιχη προσέγγιση επιχειρείται και για κάθε χώρα της ΕΕ. Ιδιαίτερη έμφαση και ανάλυση δίνεται σε θέματα ασφαλείας και διαχείρισης του μεγάλου όγκου δεδομένων που θα παρέχει το δίκτυο 5G. Επίσης γίνεται εκτενής αναφορά στο σχέδιο ανάκαμψης και ψηφιακού μετασχηματισμού της Ελλάδος που ξεκινάει από την δικαιοσύνη και την εκπαίδευση και εκτείνεται μέχρι τις τεχνολογίες και τη βιομηχανία. Τέλος, γίνεται αναφορά στα προβλήματα και τους προβληματισμούς που απασχολούν τους πολίτες και τις αρχές. Πολλά από αυτά προκαλούν καθυστέρηση και επιβράδυνση των τεχνολογικών εξελίξεων και αποτελούν ανασταλτικοί παράγοντες προόδου. Προκειμένου να συμβούν όλα αυτά, χρειάζεται πρώτα να κατανοηθεί και να αναλυθεί η αρχιτεκτονική του δικτύου GSM (Global System For Mobile Communications) το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως πρότυπο για τις μετρήσεις και την εξυπηρέτηση του σκοπού αυτής της εργασίας. Επίσης θα αναλύσουμε την αρχιτεκτονική του δικτύου UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service), που θεωρείται ένα σύστημα ασύρματης επικοινωνίας τρίτης γενιάς (3G). Θα γίνει ακόμα, μια επισκόπηση της αρχιτεκτονικής LTE (Long Term Evolution). Το δίκτυο UMTS λειτουργεί ως διάδοχος των τεχνολογιών επικοινωνίας δεύτερης γενιάς (2G) και είναι μια εξελιγμένη έκδοση των GSM, GPRS και EDGE. Τα σύγχρονα δίκτυα τρίτης (3G) και τέταρτης γενιάς (4G) στηρίζονται στα δίκτυα GSM και UMTS ενώ όπως όλα δείχνουν και τα δίκτυα πέμπτης γενιάς θα στηριχθούν σε αυτά (για την αρχή τουλάχιστον). Για αυτό το λόγο έχουν πολλά κοινά στοιχεία στην αρχιτεκτονική τους. Με στοχευμένο και συνοπτικό τρόπο περιγράφονται, η δομή των δικτύων GSM, UMTS και LTE, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους καθώς και τα στοιχεία (οντότητες) από τις οποίες αποτελούνται ενώ στο τέλος θα παρουσιαστεί ένας συγκριτικός πίνακας μεταξύ όλων των αρχιτεκτονικών. Σημαντικό είναι εξίσου να κατανοηθούν οι βασικές αρχές της ασύρματης διάδοσης. Περιγράφονται τα φαινόμενά της σκέδασης, της ανάκλασης, των διαλείψεων και των άλλων ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά την εκπομπή ενός σήματος στο χώρο. Αναλύονται οι παράμετροι που αφορούν τη διάδοση με ζεύξη οπτικής επαφής καθώς και οι απώλειες ελεύθερου χώρου. Εξετάζονται επίσης οι παράμετροι και τα εξωτερικά φαινόμενα που επηρεάζουν την ισχύ του σήματος και πως επηρεάζεται η σχέση πομπού και δέκτη. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στην ανάλυση RF μοντέλων που χρησιμεύουν για τον υπολογισμό της στάθμης ισχύος στον δέκτη και τον μετέπειτα σχεδιασμό κυψελοειδούς τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Δίνεται έμφαση στην κατανομή Rayleigh, όπως επίσης και στη κατανομή Rice που παραμετροποιούν τα ασύρματα δίκτυα. Σκοπός της καλύτερης μελέτης των φαινομένων απώλειας και των μοντέλων παραμετροποίησης είναι να ξεπεραστούν τα εμπόδια και να δοθεί η δυνατότητα αξιόπιστης γνώσης της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος, το οποίο αποτελεί ύψιστη προτεραιότητα στα δίκτυα 5ης γενιάς. Η εργασία ολοκληρώνεται με μια προσομοίωση ενός κυτταρικού δικτύου κινητών επικοινωνιών. Πρόκειται για ένα δίκτυο GSM 900 που προσομοιώθηκε στο νομό Αιτωλοακαρνανίας και επικεντρώθηκε στην κατερχόμενη ζεύξη. Για να είναι σωστός ο σχεδιασμός του συστήματος, ο νομός διαιρέθηκε σε αστικές, ημιαστικές και ανοιχτές περιοχές. Το κριτήριο διαίρεσης τέθηκε ανάλογα με τον πληθυσμό και τον αριθμό συνδρομητών ανά περιοχή. Σύμφωνα με την πυκνότητα του πληθυσμού επιλέχθηκε και το κατάλληλο μοντέλο ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης και κάλυψης. Σημαντικός είναι ο υπολογισμός του σταθμού βάσης σε κάθε γεωγραφική ζώνη και περιοχή, όπως και των επιμέρους συστημάτων (ελεγκτές σταθμών βάσης, πομποδέκτες κλπ).