Μελέτη παρεμβολών σε δίκτυα M2M εσωτερικού χώρου βασισμένα σε παλμικό UWB

Abstract

Τα δίκτυα μηχανής προς μηχανή (machine-to-machine, M2M) έχουν αποτελέσει αντικείμενο έντονης μελέτης το τελευταίο διάστημα και αναμένεται να αποκτήσουν εκρηκτική ανάπτυξη τα επόμενα χρόνια. Οι εφαρμογές τους για τον άνθρωπο και συνολικά την κοινωνία είναι αμέτρητες, παρέχοντας επιπλέον ασφάλεια, άνεση, πληροφόρηση και εξοικονόμηση πόρων. Δυστυχώς, ακόμη δεν έχει υπάρξει σύγκλιση μεταξύ των διαφορετικών προτεινόμενων αρχιτεκτονικών και τυποποιήσεων. Τα δίκτυα M2Mκαλούνται να συγκεράσουν διαφορετικές απαιτήσεις και παραμέτρους λειτουργίας, όπως χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, υψηλή διαθεσιμότητα και ανθεκτικότητα σε παρεμβολές, συνιστώντας καθοριστική την ορθή επιλογή φυσικού στρώματος. Η παρούσα εργασία εξετάζει κατά πόσο το παλμικό UWB (IR-UWB) μπορεί να αποτελέσει κατάλληλο φυσικό στρώμα (PHY) για την ανάπτυξη δικτύων M2M εσωτερικού χώρου (indoor). Εκτιμώντας ότι βασικό πρόβλημα στα δίκτυα αυτά θα είναι οι παρεμβολές τόσο λόγω πολλαπλής πρόσβασης (Multi-UserInterference, MUI) όσο και συνυπάρχοντων φασματικά δικτύων στενής ζώνης (NarrowbandInterference, NBI), αναπτύχθηκε προσομοιωτής σε γλώσσα Pythonμε σκοπό την αξιολόγηση της επίδοσής τους για διαφορετικά σενάρια λειτουργίας. Για τη ρεαλιστικότερη μελέτη των παρεμβολών, η κίνηση στο ασύρματο μέσο μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας στοχαστικές ανελίξεις Poisson,ενώ η τοπολογία των δικτύων χρησιμοποιώντας στοχαστική γεωμετρία (ομογενείς σημειακές ανελίξεις Poisson – PoissonPointProcesses, PPP). Στην προσομοίωση λαμβάνονται υπόψη φαινόμενα διάδοσης (απώλειες διάδοσης, λογαριθμοκανονική σκίαση, πολυδιαδρομική λήψη) και λευκός προσθετικός θόρυβος Gauss (AdditiveWhiteGaussianNoise, AWGN) ενώ οι δέκτες είναι τύπου Rake. Η επίδοση καταγράφεται με δείκτες όπως το μέσο BitErrorRate (BER), ο μέσος λόγος σήματος προς παρεμβολή και θόρυβο (Signal-to-Interference-and-NoiseRatio, SINR) και ο μέσος λόγος παρεμβολής προς θόρυβο (Interference-to-NoiseRatio, INR). Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι υπό όρους το IR-UWBσυνιστά αποτελεσματικό και ταυτόχρονα αποδοτικό ενεργειακά PHYγια επικοινωνία M2Mεσωτερικού χώρου (indoor) με υψηλές απαιτήσεις σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων (> 10 Mbps).

Machine-to-Machine communications (M2M) have recently become a very popular field of study and their development is expected to emerge dramatically in the next few years. Their applications for the person and the society are unimaginable, including increased security, comfort, information and resource conservation. Unfortunately, there is currently a lack of convergence between the different proposed architectures and standards for M2M networks. M2M networks have to meet different demands and goals such as low energy consumption, high availability and resilience to interference; the choice of an appropriate physical layer (PHY) is therefore of profound importance. In the framework of the present thesis, the appropriateness of IR-UWB as PHY in M2M indoor networks is evaluated. Considering that these networks are going to be interference-limited as a result of Multi-User Interference (MUI) and/or Narrowband Interference (NBI), a simulator was developed in “Python” in order to assess their performance for different scenarios. In order to gain a more realistic perspective of the problem caused by interference, the traffic in the wireless medium was modelled using Poisson stochastic processes and the topology of the networks using stochastic geometry (namely Poisson Point Processes, PPP). In the simulation the various effects of propagation (path loss, lognormal shadowing and multipath fading) and Additive White Gaussian Noise (AWGN) are considered; the receivers used are of Rake type. The performance is assessed in terms of average Bit Error Rate (BER), average Signal-to-Interference and Noise Ratio (SINR) and average Interference-to-Noise Ratio (INR). The results suggest that should specific conditions be met, IR-UWB could successfully serve as an effective and energy efficient candidate for the M2M PHY targeting indoor communication at high bit rates (> 10 Mbps).