Ανάπτυξη μοντέλων συνδεσιμότητας και αξιολόγηση επίδοσης σε ασύρματα δίκτυα νέας γενιάς

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μοντέλων συνδεσιμότητας και η αξιολόγηση της επίδοσης τους σε ασύρματα δίκτυα νέας γενιάς. Τα ασύρματα δίκτυα νέας γενιάς θα ενσωματώνουν πρωτοποριακά χαρακτηριστικά όπως η χρήση πολλαπλών βημάτων για την μετάδοση της πληροφορίας, η δυνατότητα αυτοοργάνωσης των κόμβων τους και η αποκεντρωμένη διαχείριση των διαθέσιμων πόρων τους. Πρωταρχικός παράγοντας για την λειτουργία αυτών των δικτύων είναι η επίτευξη συνδεσιμότητας. Η έλλειψη όμως κεντρικού διαχειριστή και η αποκεντρωμένη δομή αυτών των δικτύων δυσχεραίνουν την επίτευξη της αναγκαίας συνδεσιμότητας για την λειτουργία τους. Επομένως, απαιτείται η ανάπτυξη μοντέλων υπολογισμού και μέτρων αξιολόγησης της συνδεσιμότητας που θα ενσωματώνονται στα πρωτόκολλα επικοινωνίας ώστε κάθε ανεξάρτητος κόμβος του δικτύου να οργανώνει την λειτουργία του με στόχο την εμφάνιση πλήρης συνδεσιμότητας στο δίκτυο που το περιλαμβάνει. Στα πλαίσια αυτά προτάθηκαν βελτιώσεις και τροποποιήσεις στην βασική μεθοδολογία υπολογισμού της συνδεσιμότητας, αναπτύχθηκε από την αρχή ένα νέο μοντέλο υπολογισμού της και διερευνήθηκαν τα όρια της συνδεσιμότητας για κανάλια διαλείψεων εξαιτίας σκίασης και για κανάλια διαλείψεων εξαιτίας βροχής. Πιο συγκεκριμένα, στο 2ο κεφάλαιο προτείνονται αρκετές βελτιώσεις και τροποποιήσεις στην βασική μεθοδολογία για τον υπολογισμό της συνδεσιμότητας και αξιολογείται το προτεινόμενο μοντέλο για κανάλια διαλείψεων εξαιτίας σκίασης. Πέρα από τον αναλυτικό υπολογισμό της συνδεσιμότητας, παρουσιάζεται αναλυτική λύση και για τον προσδιορισμό της κρίσιμης τιμής της πυκνότητας των κόμβων που απαιτείται για να μείνει το δίκτυο συνδεδεμένο. Η ανάλυση βασίστηκε στη γενικότερη περίπτωση που αντιστοιχεί σε τυχαία δίκτυα με τυχαία τοπολογία μία θεώρηση που αποτέλεσε την βάση για όλες τις μεθοδολογίες και αναλύσεις της διατριβής. Στο 3ο κεφάλαιο αναλύεται η δυνατότητα χρήσης μεθόδων διαφορισμού στις συνδέσεις του δικτύου με απώτερο στόχο την αύξηση της συνδεσιμότητας για περιβάλλοντα διάδοσης με διαλείψεις σκίασης. Η μεθοδολογία που προέκυψε είναι γενική και ενσωματώνει στον υπολογισμό της συνδεσιμότητας δύο από τις βασικότερες τεχνικές διαφορικής λήψης, του συνδυασμού με επιλογή και του συνδυασμού μεγίστου λοβού, ενώ είναι δυνατή η παραμετροποίηση για οποιαδήποτε άλλη τεχνική διαφορικής λήψης. Στο 4ο κεφαλαίο αναπτύχθηκε από μηδενική βάση ένα νέο μοντέλο υπολογισμού της συνδεσιμότητας που βασίζεται στην θεωρία γράφων και τα συνδετικά δένδρα. Η νέα μεθοδολογία προτείνει ένα καινούργιο μέτρο αξιολόγησης της συνδεσιμότητας ενός τυχαίου δικτύου το οποίο αποδεικνύεται ότι αποτελεί άνω όριο για τον πραγματικό υπολογισμό της πιθανότητας να είναι το δίκτυο συνδεδεμένο. Τα βασικά πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθοδολογίας είναι ότι λαμβάνονται ταυτόχρονα υπόψη για τον υπολογισμό της συνδεσιμότητας τόσο η χωρική κατανομή του δικτύου όσο και η στοχαστική συμπεριφορά του καναλιού διάδοσης αλλά και οι διαθεσιμότητας των συνδέσεων. Η αξιολόγηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε για συσχετισμένα κανάλια διαλείψεων σκίασης ενώ είναι δυνατή η παραμετροποίησή του για οποιοδήποτε κανάλι διάλειψης. Τέλος, το νέο μοντέλο παραμετροποιήθηκε ώστε να ενσωματώνει και την δυνατότητα χρήσης τεχνικών διαφορισμού και αξιολογείται για κανάλια διαλείψεων σκίασης. Στο 5ο κεφάλαιο αναπτύχθηκε μεθοδολογία υπολογισμού της συνδεσιμότητας για τα σύγχρονα δίκτυα κορμού κυψελωτών συστημάτων . Τα δίκτυα αυτά εγκαθίστανται σε περιβάλλοντα εξωτερικού χώρου και λειτουργούν στις ζώνες των μικροκυματικών και χιλιοστομετρικών συχνοτήτων (10-50GHz). Όπως αναμένεται, το προτεινόμενο μοντέλο υπολογισμού της συνδεσιμότητας λαμβάνει υπόψη των κυριότερο στοχαστικό παράγοντα εξασθενήσεων για αυτές τις συχνότητες που είναι οι διαλείψεις εξαιτίας βροχής. Για την αξιολόγηση της συνδεσιμότητας ελήφθησαν υπόψη τρία διαφορετικά μοντέλα κατανομών (λογαριθμοκανονική κατανομή, γάμμα κατανομή και Weibull κατανομή) για τον υπολογισμό των επιπρόσθετων εξασθενήσεων εξαιτίας διαλείψεων βροχής. Εξετάστηκε επίσης η επίδραση στην συνδεσιμότητα του δικτύου της χρήσης διπλά πολωμένων συνδέσεων για την αύξηση της ρυθμαπόδοσης του δικτύου. Τέλος, προτάθηκε η τεχνική της προσαρμοστικής διαμόρφωσης (Adaptive Modulation) για την διατήρηση, όποτε κρίνεται αναγκαίο, της συνδεσιμότητας στα απαιτούμενα επίπεδα μεταβάλλοντας την ρυθμαπόδοση του δικτύου.

The objective of this thesis is to develop new connectivity models and to evaluate their performance in next generation wireless networks. The future wireless networks will incorporate innovative features such as the use of multi-hop transmissions of data information, the ability of self-organization and the decentralized management of available resources. The primary factor for the reliable operation of these wireless networks is to achieve connectivity. The lack of centralized administration and the decentralized structure of these networks are the major reasons for limited connectivity performance. Therefore, the development of evaluation models and metrics for the calculation of connectivity that will be taken into account from each independent node and that will be integrated into the communication protocols is necessary in order to enhance connectivity and network’s performance. For the abovementioned reasons, improvements and modifications to the basic methodology for connectivity calculation have been proposed, a new connectivity model has been developed and connectivity limits for shadowing fading channels and rain fading channels have been explored. More specifically, in 2nd chapter several improvements and modifications to the basic methodology for the calculation of connectivity are proposed and evaluated for shadowing fading channels. Apart from the analytical calculation of connectivity, an analytical solution for the determination of a critical value of nodes density that it is required to keep the network connected is presented. In all thesis chapters, the analysis is based on the general case of random networks represented by a homogeneous Poisson point field process. In 3rd chapter, the usage of diversity techniques in network connections in order to enhance connectivity is investigated under the assumption of shadowing fading channels. The proposed methodology is general and incorporates in the connectivity calculation two of the main diversity reception techniques, which are the selection combining scheme (SC) and the maximal-ratio combining scheme (MRC). The usage of any other diversity scheme is also possible. In 4th chapter, a new connectivity model based on graph theory and spanning trees is proposed for connectivity evaluation in finite wireless multi-hop networks. The new spanning-tree-based connectivity model proposes a new connectivity metric for random networks, which it is proved to be an upper limit for the real probability of network’s connectivity. The main advantages of the proposed methodology are that the network spatial distribution, the stochastic behavior of the propagation channel and the availabilities of network connections are taken into account for connectivity calculation. The proposed spanning-tree-based model is evaluated under the assumption of correlated fading channels due to shading phenomena, whereas it is possible the parameterization for any fading channel. Finally, the new model is parameterized to incorporate the usage of diversity techniques under the assumption of shadowing fading channels. In 5th chapter, a methodology for calculating connectivity in future backhaul and core networks of cellular systems is presented. These networks are installed in outdoor environments and operate at microwave and millimeter-wave frequency bands (10-50GHz). As expected, the proposed connectivity model takes into account the induced attenuations from rain fading which is the main stochastic cause for signal impairments at these frequencies. Three different models of distributions (lognormal distribution, gamma distribution and Weibull distribution) are considered for the calculation of the additional attenuations due to rain fading and are taken into account for the connectivity assessment. Also, the impact of using double polarized connections on network connectivity in order to increase the throughput is examined. Finally, an adaptive modulation technique in order to maintain, when it is necessary, network’s connectivity by reducing network’s capacity and throughput is investigated.