ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Transcript

1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΙΚΤΥΩΝ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΤΕΤΑΡΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΚΩΣΤΑ ΧΡΥΣΟΒΑΛΑΝΤΗ ΥΠΟΒΑΛΛΕΤΑΙ ΣΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ ΩΣ ΜΕΡΟΣ ΤΩΝ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΚΤΗΣΗ ΠΤΥΧΙΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΙΟΥΝΙΟΣ, 2007

2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΙΚΤΥΩΝ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΤΕΤΑΡΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΚΩΣΤΑ ΧΡΥΣΟΒΑΛΑΝΤΗ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ : ΣΤΑΥΡΟΣ ΤΟΥΜΠΗΣ ΛΕΚΤΟΡΑΣ, ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΈΛΛΗΝΑΣ ΕΠ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, ΜΕΛΟΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ ΧΡIΣΤΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΥ ΕΠ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ, ΤΜΗΜΑ ΗΜΜΥ, ΜΕΛΟΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση δικτύων κινητής τηλεφωνίας τέταρτης γενιάς που θα χρησιμοποιούν ένα εκτεταμένο σύνολο από ασύρματους αναμεταδότες. Η ιδέα είναι απλή: το κινητό ενός χρήστη θα μπορεί, αν κρίνεται σκόπιμο, να επικοινωνεί με το σταθμό βάσης μέσω ενός ασύρματου αναμεταδότη, που θα είναι τοποθετημένος, για παράδειγμα, σε μια κολώνα ηλεκτροδότησης. Τα πλεονεκτήματα είναι ότι: 1) το κινητό τηλέφωνο θα πρέπει να εκπέμψει μέχρι τον αναμεταδότη, και όχι μέχρι τον σταθμό βάσης, και έτσι θα χρειάζεται πολύ λιγότερη ενέργεια, και 2) ο αναμεταδότης θα είναι έτσι τοποθετημένος, ώστε να έχει οπτική επαφή με το σταθμό βάσης, και συνεπώς πολύ καλό σήμα. Το βασικό μειονέκτημα είναι ότι θα χρειάζονται δύο εκπομπές αντί για μια. Σκοπός της εργασίας είναι η προσομοίωση αυτής της τοπολογίας και ακολούθως η ανάπτυξη αλγορίθμων για την κατανομή του διαθέσιμου εύρους ζώνης στα κινητά τηλέφωνα και τους ασύρματους αναμεταδότες. Έπειτα από την παράθεση των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων της χρήσης ασύρματων αναμεταδοτών, παρατίθεται ένα περιβάλλον προσομοίωσης, του οποίου κεντρικό τμήμα είναι ένας αλγόριθμος απόδοχής κλήσεων, του οποίου προσομοιώνουμε διάφορες παραλλαγές. Ολοκληρώνουμε την εργασία με την παράθεση αριθμητικών απότελεσμάτων και συμπερασμάτων, αναφέροντας επίσης σχέδια αναβάθμισης για το μέλλον. 3

4 ABSTRACT The aim of this thesis is the study and simulation of mobile telephony systems of the fourth generation that will use an extensive set of wireless relays. The motivating idea is that a mobile of a user could, if it was judged advisable, communicate with the base station via a wireless relay, which will be placed, for example, on top of a lamp post. The benefits are as follows: 1) the mobile telephone will be required to transmit up to the relay, and not up to the base station, and thus it will need much less energy, and 2) the relay will be thus placed, so that it will have a good channel to the base station, and consequently a very strong signal. The main disadvantage is that now we need two transmissions instead of one. The aim of this thesis is the simulation of this topology and subsequently the development of algorithms for the distribution of available bandwidth in the mobile telephones and the wireless relays. After listing the main advantages and disadvantages of using wireless relays, we present a simulation environment we have developed, whose central core is an algorithm for performing call admissions. We have simulated a number of variants of this algorithm. We complete the work with the presentation of numerical results and conclusions, mentioning some directions for future work. 4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θέλω να ευχαριστήσω τον Λέκτορα κ. Σταύρο Τουμπή που είχε την επίβλεψη της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας. Αισθάνομαι ιδιαίτερο χρέος τόσο για την επιστημονική του καθοδήγηση όσο και για το έντονο ενδιαφέρον που έδειξε για την παρούσα εργασία. Επίσης θέλω να τον ευχαριστήσω για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπο μου στην ανάθεση ενός τόσο επιστημονικά ενδιαφέροντος θέματος και για την πάντα καλοπροαίρετη και άμεση αντιμετώπιση τυχόν προβλημάτων που προέκυπταν. Θέλω να πω ένα μεγάλο ευχαριστώ στους καθηγητές μου Γ. Έλληνα και Χρ. Παναγιώτου που χωρίς την υπομονή, τις συμβουλές, τις ιδέες, την επιστημονική πείρα και τις γνώσεις τους δεν θα ήταν δυνατή η επιτυχής περάτωση αυτού του έργου. 5

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 7 2. ΚΙΝΗΤΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΤΕΤΑΡΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΡΗ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΓΕΓΟΝΟΤΑ EVEN DRIVEN SIMULATION ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΚΥΨΕΛΩΝ ΑΝΑΜΕΤΑΔΟΤΩΝ ΤΟΡΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΧΡΗΣΤΕΣ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΧΡΗΣΤΩΝ ΚΙΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΧΡΗΣΤΩΝ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΣΤΑΘΜΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΚΕΡΔΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ (GAIN) ΜΟΝΤΕΛΟ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΛΟΓΑΡΙΘΜΟΚΑΝΟΝΙΚΗ ΣΚΙΑΣΗ (ΤΥΧΑΙΑ ΕΞΑΣΘΕΝΗΣΗ) ΚΑΤΕΥΘΥΝΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΛΟΓΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΡΟΣ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ (SΙR) ΠΙΝΑΚΕΣ ΚΕΡΔΩΝ (GAINS) ΈΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟΔΟΧΗΣ ΚΛΗΣΕΩΝ ΈΛΕΓΧΟΣ ΚΑΤΩΦΛΙΟΥ SNR ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΚΟΝΤΙΝΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΠΑΡΑΧΩΡΗΣΗΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ, ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΑΡΑΣΤΑΣΕΙΣ ΣΧΟΛΙΑ 48 6

7 4.3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΠΙΛΟΓΟΣ, ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: ΚΩΔΙΚΑΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 109 7

8 ΕΝΟΤΗΤΑ 1 Η ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια τα κινητά τηλέφωνα και γενικότερα κάθε τρόπος επικοινωνίας, κυρίως ασύρματης, έχουν εισχωρήσει στη ζωή μας σε πολύ μεγάλο βαθμό. ε θα απότελούσε υπερβολή ο ισχυρισμός ότι είμαστε πλέον εξαρτημένοι από αυτά, μιας και σε πολλούς ανθρώπους το κινητό τηλέφωνο είναι εξίσου απαραίτητο με το ηλεκτρικό ρεύμα και απότελεί μέρος της καθημερινής τους ζωής. Ένα βασικό τεχνολογικό πρόβλημα είναι το ότι το φάσμα των συχνοτήτων που έχουν εκχωρηθεί στα συστήματα κινητής τηλεφωνίας είναι πολύ περιορισμένο. Συνεπώς οι ρυθμοί μετάδοσης είναι περιορισμένοι και, για παράδειγμα, δεν μπορούμε να στείλουμε κινούμενη εικόνα υψηλής ευκρίνειας. Συνεπώς οι εταιρίες προσπαθούν να βελτιώσουν την επίδοση των συστημάτων τους, χωρίς να αυξήσουν το εύρος ζώνης που απαιτείται. Ένα άλλο πολύ σημαντικό πρόβλημα είναι η περιορισμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, εξαιτίας της ενέργειας που καταναλώνει η συσκευή για την μετάδοση του σήματος από τον χρήστη στον σταθμό βάσης. Για να αντιμετωπιστούν τα δύο αυτά βασικά προβλήματα, η ερευνητική κοινότητα διεξάγει έρευνα σε πολλούς τομείς όπως : χρήση ασύρματων αναμεταδοτών με διάφορες παραλλαγές (Two-Hop/Multihop-Augmented), δημιουργία καλύτερων αλγόριθμων για απόκωδικοποίηση του σήματος παρουσία παρεμβολών (interference cancellation algorithms), καλύτερη συμπίεση της φωνής κ.α. Η πρώτη μέθοδος απότελεί και το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας. Συγκεκριμένα, μελετούμε ένα σύστημα που χρησιμοποιεί ασύρματους αναμεταδότες, ώστε το κινητό ενός χρήστη να επικοινωνεί με το σταθμό βάσης μέσω ενός ασύρματου αναμεταδότη, που είναι τοποθετημένος σε μια απόσταση πλησιέστερη στο σταθμό βάσης. Με τον τρόπο αυτό εξοικονομείται η ενέργεια της μπαταρίας. Λόγω του ότι ο αναμεταδότης θα είναι έτσι τοποθετημένος, ώστε να έχει οπτική επαφή με το σταθμό βάσης, 8

9 μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα κατευθυντικές κεραίες για την καλύτερη επικοινωνία με λιγότερες παρεμβολές από και προς άλλους χρήστες. Το κυρίως μειονέκτημα με την χρήση των αναμεταδοτών είναι ότι θα χρειάζονται δύο εκπομπές αντί για μία, έτσι τα κανάλια που έχουμε στην διάθεσή μας ενδεχομένως να εξαντλούνται πιο γρήγορα. Επιπλέον, οι αλγόριθμοι κατανομής συχνοτήτων γίνονται πιο πολύπλοκοι, και τέλος οι μεταγωγές των χρηστών σε άλλους σταθμούς επικοινωνίας γίνονται πιο συχνές. Συνεπώς έχουμε πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, και είναι δύσκολο να υπολογίσουμε το καθαρό κέρδος της χρήσης των αναμεταδοτών, γιατί το σύστημα είναι περίπλοκο. Άρα είναι απαραίτητο να κάνουμε προσομοίωση για την διεξαγωγή σωστών συμπερασμάτων. Σε αυτή την εργασία φτιάχνουμε ένα προσομοιωτή που υλοποιεί ένα κυψελοειδές περιβάλλον με αναμεταδότες, σταθμούς βάσεις και ροή κινούμενων χρηστών. Ο προσομοιωτής περιλαμβάνει έναν αλγόριθμο καταμερισμού συχνοτήτων στους χρήστες μέσω των διαθέσιμων σταθμών επικοινωνίας. Χρησιμοποιούμε τον προσομοιωτή για να κάνουμε απότίμηση της επίδοσης του συστήματος. Η υπόλοιπη εργασία είναι οργανωμένη ως εξής: Στην Ενότητα 2 κάνουμε μια εισαγωγή στις κινητές επικοινωνίες 4 ης γενιάς, δίνοντας έμφαση στην χρήση αναμεταδοτών. Στην Ενότητα 3 περιγράφουμε αναλυτικά τα μέρη του προσομοιωτής που είναι η μέθοδος προσομοίωσης. Στην Ενότητα 4 περιγράφουμε προκαταρτικά απότελέσματα από την χρήση του προσομοιωτή και κάποια συμπεράσματα που προκύπτουν από τα απότελέσματα και την πείρα μας με την χρήση του προσομοιωτή. Ο πλήρης κώδικας του προσομοιωτή παρατίθεται στο Παράρτημα Α και το διάγραμμα ροής του προσομοιωτή στο Παράρτημα Β. 9

10 ΕΝΟΤΗΤΑ 2 Η ΚΙΝΗΤΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΤΕΤΑΡΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ 2.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ TΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ GSM 2.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕ ΑΝΑΜΕΤΑ ΟΤΕΣ 2.3 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ 2.4 MEIONEKTHMATA Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται η παρούσα τοπολογία του δικτύου GSM και η αναβαθμισμένη τοπολογία με την χρήση αναμεταδοτών. Στην συνέχεια αναλύουμε πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της νέας τοπολογίας. 2.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ GSM Τα δίκτυα κινητής επικοινωνίας δεύτερης και τρίτης γενιάς απότελούνται από κυψέλες (cells). Σε κάθε κυψέλη (cell) υπάρχει ένας σταθμός βάσης (base station) που επικοινωνεί με τους χρήστες όπως στο ΣΧΗΜΑ A.1. ΣΧΗΜΑ A.1 : ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ 2 ΗΣ 3 ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ 10

11 Η μακρινή τοποθέτηση των σταθμών βάσης από τους χρήστες έχει ως επίπτωση την εξασθένηση του σήματος, που με τη σειρά της δημιουργεί διαλείψεις, και μειώνει το ρυθμό μετάδοσης. Μια πιο πυκνή τοποθέτηση των σταθμών βάσεων είναι οικονομικά ασύμφορη. Με την τέταρτη γενιά είναι δυνατή η αναμετάδοση του σήματος μέσω κάποιου ασύρματου αναμεταδότη στο σταθμού βάσης. Η χρήση ασύρματων αναμεταδοτών τροποποιεί δραστικά την τοπολογία και τις δυνατότητες του συστήματος. 2.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕ ΑΝΑΜΕΤΑ ΟΤΕΣ Η αναμετάδοση του σήματος από τον σταθμό βάσης προς τον χρήστη θα περιοριστεί στην χρήση ενός αναμεταδότη. Ο ρόλος του αναμεταδότη είναι να μεταφέρει το χρήσιμο σήμα από τον σταθμό βάσης στον χρήστη χρησιμοποιώντας ένα επιπλέον κανάλι. Στο ΣΧΗΜΑ A.2 φαίνεται το μοντέλο επικοινωνίας με χρήση αναμεταδότη. Συγκεκριμένα, όπως φαίνεται και στο ΣΧΗΜΑ 1.2, ο σταθμός βάσης και ο αναμεταδότης θα χρησιμοποιούν μια κατευθυντική κεραία για την μετάδοση του σήματος (σύνδεση 2) και ακολούθως ο αναμεταδότης προωθεί το σήμα (3) στο χρήστη με ομοιοκατευθυντική κεραία. Όταν ο χρήστης βρίσκεται κοντά στο σταθμό βάση δεν χρειάζεται προώθηση του σήματος από το αναμεταδότη, έτσι γίνεται απευθείας σύνδεση (1). 11

12 1 2 3 ΣΤΑΘΜΟΣ ΒΑΣΗΣ ΧΡΗΣΤΗΣ ΑΝΑΜΕΤΑ ΟΤΗΣ ΧΡΗΣΤΗΣ ΣΧΗΜΑ 1.2 : ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΧΡΗΣΤΩΝ ΜΕ ΣΤΑΘΜΟ ΒΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΜΕΤΑ ΟΤΗ Οι αναμεταδότες δεν έχουν παθητική λειτουργία (δηλαδή δεν προωθούν απλά το λαμβανόμενο σήμα), αλλά το σήμα τυγχάνει επεξεργασίας (διαδικασία για έλεγχων λαθών) πριν αυτό αναμεταδοθεί στους χρήστες. Αυτή η (ενεργητική) λειτουργία είναι πιο απόδοτική λόγω του περιορισμού του θορύβου. Ο σταθμός βάσης έχει για τον κάθε αναμεταδότη του μια κατευθυντική κεραία που ο λοβός της δείχνει προς τον αναμεταδότη. Η κατευθυντικότητα της κεραίας ρυθμίζεται ώστε να μην παρεμβάλει άλλους αναμεταδότες που βρίσκονται στην ίδια κυψέλη. Οι αναμεταδότες θα έχουν επίσης κατευθυντική κεραία λόγω της σταθερής τοποθεσίας που θα δείχνει προς τον σταθμό βάσης. Επίσης θα έχουν μια ομοιοκατευθυντική κεραία για επικοινωνία με τους χρήστες. Οι χρήστες θα μπορούν να επικοινωνούν είτε με το σταθμό βάση είτε με τον αναμεταδότη. Για την πάνω απόφαση επιλέγεται ο σταθμός επικοινωνίας με το μεγαλύτερο κέρδος. 12

13 . 2.3 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Η τοποθέτηση ασύρματων αναμεταδοτών γύρω από το σταθμό βάσης είναι εφικτή και οικονομική. Η εγκατάσταση τους γίνεται σε σταθερά σημεία γύρω από το σταθμό βάσης, έτσι η τροφοδοσία τους μπορεί να είναι αδιάλειπτη. Τα σημεία τοποθετήσεις μπορούν να είναι κολόνες ηλεκτροδότησης, οροφές κτηρίων, γήπεδα και άλλα σημεία συγκέντρωσης χρηστών. Επιπλέον οι αναμεταδότες έχουν αρκετή ισχύ και συνεπώς μπορούν να εκτελέσουν περίπλοκους αλγορίθμους. Το κέρδος κατεύθυνσης της κεραίας του αναμεταδότη με το σταθμό βάσης μπορεί να είναι μεγάλο λόγω της μόνιμης εγκατάστασής της. Με την χρήση της κατευθυντικότητας περιορίζουμε τις παρεμβολές στους άλλους σταθμούς. Επίσης λόγο του σταθερού σημείου εγκατάστασης η εγκατάσταση κατευθυντικών κεραιών είναι εύκολη. Η χρήση κατευθυντικών κεραιών έχει το πλεονέκτημα να μη δημιουργεί παρεμβολές σε δέκτες για τους οποίους το σήμα δεν είναι χρήσιμο, αλλά να το συγκεντρώνει στο δέκτη, όπου είναι χρήσιμο. Η επικοινωνία του αναμεταδότη με τον χρήστη έχει λιγότερη ισχύ μετάδοσης αφού η απόσταση μεταξύ τους είναι μικρότερη σε σχέση με το σταθμό βάσης, με απότέλεσμα να είναι εφικτή η επαναχρησιμοποίηση των ίδιων συχνοτήτων σε μικρότερη απόσταση κρατώντας την ποιότητα επικοινωνίας στα ίδια επίπεδα. Είναι δυνατό να γίνει επαχρησιμοποίηση των ίδιων συχνοτήτων τόσες φορές όσες και ο αριθμός των αναμεταδοτών, εφόσον ο λόγος σήματος προς παρεμβολές σε όλους τους χρήστες είναι ικανοποιητικός. Όπως θα δούμε στην ενότητα των απότελεσμάτων, τα απότελέσματα προσομοίωσης της κατανομής συχνοτήτων των χρηστών μέσα από μία κυψέλη είναι ενθαρρυντικά αφού μέσα από μία κυψέλη μπορούμε να έχουμε επαναχρησιμοποίηση της ίδια συχνότητας μέχρι και έξι φορές. 13

14 2.4 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Παρόλα τα πλεονεκτήματα που κυριαρχούν, υπάρχουν και μειονεκτήματα που ρίχνουν την απόδοση του συστήματος. Συνεπώς, πρέπει να εξετάσουμε τρόπους αντιμετώπιση τους. Με την χρήση των αναμεταδοτών θα χρειάζονται δύο κανάλια αντί για ένα για εγκαθίδρυση επικοινωνίας μεταξύ του χρήστη και του σταθμό βάσης, έτσι τα κανάλια που έχουμε στην διάθεσή μας λιγοστεύουν. Για κάθε διανομή ενός καναλιού είναι απαραίτητος ο έλεγχος παρεμβολών και για τα δυο σημεία επικοινωνίας. Επειδή για κάθε επικοινωνία μέσω αναμεταδότη έχουμε δύο κανάλια, για τον έλεγχο των παρεμβολών τα σημεία ελέγχου γίνονται τέσσερις. Με την αύξηση των σημείων έλεγχου για την διανομή των συχνοτήτων επίσης αυξάνετε σε σημαντικό βαθμό η πολυπλοκότητα του αλγόριθμου ανάθεσης καναλιών. Στην αύξηση της πολυπλοκότητας συμβάλλουν και οι συχνότερες μεταπόμπές που συμβαίνουν σε μια κυψέλη λόγω των πολλών και πιο πυκνά τοποθετημένων σταθμών επικοινωνίας. Η χρήση ταυτόχρονα ομοιοκατευθυντικών και κατευθυντικών κεραιών κάνει πιο δύσκολο τον υπολογισμό της παρεμβολής σε ένα σταθμό. Γενικά για κάθε σταθμό επικοινωνίας ο υπολογισμός των παρεμβολών διαφέρει ανάλογα με τον συνομιλητή του σταθμού. Συγκεκριμένα για το σταθμό βάσης κατά την διάρκεια επικοινωνίας του με το αναμεταδότη της περιοχής του, έχει παρεμβολές από άλλους αναμεταδότες που επικοινωνούν στο σταθμό βάσης του (εντός και εκτός κυψέλης). Ένας χρήστης που λαμβάνει χρήσιμο σήμα από τον αναμεταδότη έχει παρεμβολές από σταθμούς βάσεις που επικοινωνούν με αναμεταδότες χρησιμοποιώντας κατευθυντικές κεραίες, από γειτονικούς αναμεταδότες που επικοινωνούν με χρήστες και επίσης από σταθμούς βάσεις που επικοινωνούν με χρήστες με την χρήση της ομοιοκατευθυντικής τους κεραίας. Αντίστοιχα όταν ένας αναμεταδότης λαμβάνει χρήσιμο σήμα έχει παρεμβολές από χρήστες που επικοινωνούν με αναμεταδότες ή με σταθμούς βάσείς και από γειτονικούς αναμεταδότες που επικοινωνούν με το σταθμό βάσης τους κάνοντας χρήση της κατευθυντικής κεραίας. 14

15 ΕΝΟΤΗΤΑ 3 Η ΜΕΡΗ ΤΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ 3.1 ΓΕΓΟΝΟΤΑ 3.2 EVEN DRIVEN SIMULATION 3.3 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ 3.4 ΧΡΗΣΤΕΣ 3.5 ΚΕΡ ΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ (GAIN) 3.6 ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ ΚΑΝΑΛΙΩΝ 3.7 ΈΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟ ΟΧΗΣ ΚΛΗΣΕΩΝ (ADMISSION CONTROL) Σε αυτή την διπλωματική εργασία απότιμούμε τα πλεονεκτήματα της χρήσης αναμεταδοτών, μέσω της πλήρους προσομοίωσης ενός συστήματος. Στην αυτή την ενότητα περιγράφουμε αναλυτικά τα επιμέρους τμήματα του προσομοιωτή μας, ξεκινώντας από τον τύπο γεγονότων που προσομοιώνει ο προσομοιωτής μας, την μοντελοποίηση των χρηστών, την κατανομή καναλιών στο σύστημα και τέλος την διαδικασία και τον έλεγχο απόδοχής κλήσεων. 3.1 ΓΕΓΟΝΟΤΑ Οι αφίξεις των χρηστών μοντελοποιούνται σύμφωνα με την στοχαστική ανέλιξη Poisson. Στην θεωρία Πιθανοτήτων, η κατανομή Poisson είναι μια διακριτή στοχαστική ανέλιξη, που μοντελοποιεί γεγονότα που συμβαίνουν με σταθερό ρυθμό, και όπου ο χρόνος του παρόντος γεγονότος είναι ανεξάρτητος από το χρόνο του προηγούμενου γεγονότος. Θα θέλαμε να 15

16 εκμεταλλευτούμε αυτή την ιδιότητα για την μοντελοποίηση αφίξεων των χρηστών. Ο ενδιάμεσος χρόνος (interarrival time), δηλαδή από τη χρονική στιγμή που θα συμβεί το παρόν γεγονός μέχρι την χρονική στιγμή που θα συμβεί το επόμενο, έχει εκθετική κατανομή. Η ιδιότητα αυτή καλείται η ιδιότητα της αμνησίας (memoryless property) και μας επιτρέπει να προσθέτουμε ανελίξεις Poisson. Συγκεκριμένα μπορούμε να έχουμε μια νέα κατανομή που αναπαριστά την αναχώρηση όλων των χρηστών, αθροίζοντας την μέση τιμή του κάθε χρήστη και δημιουργώντας μια κατανομή Poisson με μια νέα μέση τιμή. Η προσομοίωση υλοποιεί τρία γεγονότα. Την είσοδο (1), την έξοδο (2) και την μετακίνηση χρηστών στο σύστημα (3). Πιο κάτω ακολουθεί μια περιγραφή για το κάθε γεγονός Άφιξη. Ο χρόνος μεταξύ δύο διαδοχικών αφίξεων έχει εκθετική κατανομή με παράμετρο λ. Κατά την είσοδο του χρήστη στο σύστημα, ο χρήστης παίρνει μια τυχαία θέση στο χώρο, καταγράφεται σε σχέση με τη θέση του το κέρδος των σταθμών επικοινωνίας με φθίνουσα σειρά, και ακολούθως γίνεται παραχώρηση ζεύγους συχνοτήτων στο χρήστη με την συσκευή (σταθμό βάσης ή αναμεταδότη) με το μεγαλύτερο κέρδος. Αναχώρηση. Ο χρόνος μεταξύ δύο αναχωρήσεων έχει επίσης εκθετική κατανομή με παράμετρο όπου εξαρτάται από τον αριθμό των χρηστών στο σύστημα και το μέσο χρόνο παραμονής του κάθε χρήστη που είναι 1/μ : Μέση τιμή για Αναχώρηση = (Χρήστες στο σύστημα) * μ Κατά την έξοδο γίνεται απόδέσμευση των ζευγών συχνοτήτων επικοινωνίας που απασχολούνταν Μετακίνηση. Ανά τακτά σταθερά χρονικά διαστήματα που ισούται με την παράμετρο mov_time γίνεται μετακίνηση όλων των χρηστών του. Κάθε χρήστης όταν εισέρχεται στο σύστημα παίρνει μια τυχαία 16

17 ταχύτητα και μια τυχαία κατεύθυνση. Kατά την μετακίνηση γίνετε αναβάθμιση της τοπικής του θέση με τη κατεύθυνση αυτή. Τυχαία Γωνία = Angle1 (3.1.1) Τυχαία Ταχύτητα = Velocity1 (3.1.2) Νέα θέση = Παλιά θέση + Χρόνος μετακίνησης Velocity1 όπου η Παλιά θέση είναι ένα πίνακας 2 Χ1. * cos(angle1) sin(angle1) (3.1.3) Κατά την διάρκεια αυτής της μετακίνησης γίνεται αναβάθμιση των κερδών μεταξύ και των σταθμών αναμεταδοτών και του χρήστη και ενδεχομένως γίνεται μεταπόμπή του χρήστη σε άλλο αναμεταδότη ή σταθμό βάσης. 17

18 3.2 EVENT DRIVEN SIMULATION Η προσομοίωση που έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι event driven (προσομοίωση οδηγούμενη από συμβάντα). Χρησιμοποιώντας το μοντέλο event scheduling scheme (λειτουργικό μοντέλο) προσομοιώνουμε τις αφίξεις των γεγονότων που έχουμε δει στην προηγούμενη ενότητα. Το πλεονέκτημα της υλοποίησης αυτής είναι ότι μας επιτρέπει να έχουμε αφίξεις γεγονότων με οποιαδήποτε ψευδό-τυχαία κατανομή Event Scheduling Scheme Το ΣΧΗΜΑ 3.2 παρουσιάζει το μοντέλο αυτό του οποίου οι λειτουργίες είναι οι ακόλουθες: Initialize: Θέτει την κατάσταση x για αρχική του τιμή x0 και θέτει το χρόνο της προσομοίωσης t στο μηδέν. Αυτή η λειτουργία ρυθμίζει επίσης το seed για την μηχανή παραγωγής τυχαίων αριθμών και καθορίζει τις κατανομές πιθανότητας που θα χρησιμοποιεί η μηχανή. Event Calar: Ταξινομημένη λίστα των προγραμματισμένων γεγονότων (smallest-scheduled-time-first). Το γενονός e1 με την τιμή του χρόνου του t1 που έχει σειρά να εκτελεστεί θα βρίσκεται στην κορυφή της λίστας. Random Number Generator (RNG): Παράγει ψευδοτυχαίους αριθμούς σύμφωνα με τις προκαθορισμένες κατανομές τυχαίων συναρτήσεων. State: Μεταβλητή που κρατά την παρούσα κατάσταση του συστήματος Time: Μεταβλητή που κρατά τον παρόν χρόνο της προσομοίωσης Update Time: Τμήμα του προγράμματος που προσδιορίζει το γεγονός που εκτελέστηκε κάνει την προσαύξηση του χρόνου της προσομοίωσης ανάλογα. Update State: Τμήμα του προγράμματος που προσδιορίζει το γεγονός που εκτελέστηκε και αναβαθμίζει την κατάσταση του συστήματος ανάλογα. 18

19 e i -> ΓΕΓΟΝΟΣ INITIALIZE STATE Update State x =f(x,e 1 ) t i -> ΧΡΟΝΟΣ ΤΟΥ ΓΕΓΟΝΟΤΟΣ EVENT CALENDAR e 1 t 1 e 2 t 2 TIME Update Time t =t 1 CLOCK STRUCTURE RNG Delete Infeasible Events Add New Feasible Events ΣΧΗΜΑ 3.2 : THE EVENT SCHEDULING SCHEME.ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΩΝ ΓΕΓΟΝΟΤΩΝ Συνοπτικά το σύστημα μας περιλαμβάνει τρία είδη γεγονότων όπου για κάθε γεγονός είναι γνωστός ο χρόνος εκτέλεσής του, αλλά όχι η συγκεκριμένη σειρά εκτέλεσής του, αφού τα γεγονότα αυτά είναι εντελώς ανεξάρτητα μεταξύ τους και καθένα από αυτά ακολουθεί μια συγκεκριμένη διαδικασία αφίξεων. Για το κάθε γεγονός καθορίζεται η χρονικής στιγμή που θα συμβεί και ακολούθως καταχωρείται στο πίνακα γεγονότων (EVENT CALENDAR) όπως φαίνεται και στο ΣΧΗΜΑ 3.2. Ο πίνακας ταξινομείται με βάση τη τιμή του χρόνου και επιλέγεται το γεγονός που θα συμβεί πρώτο. Η προσομοίωση κατά την αρχικοποίηση της έχει τον παρόντα χρόνο ίσο με μηδέν. Αφού εκτελεστεί το γεγονός ο χρόνος του προστίθεται στον παρόν χρόνο της προσομοίωσης. Στο πίνακα γεγονότων αφαιρείται από τους εναπόμείναντες χρόνους όλων των γεγονότων ο χρόνος του γεγονότος που εκτελέστηκε. Μετά από την εκτέλεση του γεγονότος υπολογίζεται η επόμενη χρονική περίοδος που θα συμβεί και ανανεώνεται η τιμή του χρόνου στο πίνακα του. 19

20 3.3 ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ Θα αναλύσουμε το πώς τοποθετούνται/απόθηκεύονται οι σταθμοί βάσης και οι αναμεταδότες στην τοπολογία του προσομοιωτή. Μετέπειτα θα μιλήσουμε για το τοροειδές περιβάλλον, και για την χρησιμότητά του στην προσομοίωση. Τέλος θα περιγράψουμε τον αλγόριθμο για το υπολογισμό δύο σημείων στο χώρο του τόρου Τοπολογία Κυψελών - Αναμεταδοτών Στην πραγματικότητα, οι περιοχές που καλύπτει κάθε σταθμός βάσης αλληλεπικαλύπτονται και είναι άμορφες. Για σκοπούς προσομοίωσης τα όρια του κάθε σταθμού βάσης μπορούν να αναπαρασταθούν με ένα εξάγωνο, που αντανακλά σχετικά καλά την πραγματικότητα, ειδικά για μεγάλο μέγεθος κυψελών. Το περιβάλλον προσομοίωσης περιέχει εξάγωνες κυψέλες των οποίων ο αριθμός δίνεται με δύο παραμέτρους στον άξονα Χ και Υ. Με το τρόπο αυτό κάθε κυψέλη έχει μοναδική απεικόνιση με αριθμό από το ένα (1) έως το γινόμενο (Χ*Υ) όπως φαίνεται στο ΣΧΗΜΑ Κάθε σταθμός βάσης έχει στην εξυπηρέτησή του μέχρι έξι σταθμούς αναμετάδοσης. Οι σταθμοί κατανέμονται ομοιόμορφα γύρω από σταθμό βάσης για καλή αναμετάδοση του σήματος εντός της κυψέλης. Οι αναμεταδότες απεικονίζονται επίσης στο ΣΧΗΜΑ από το ένα μέχρι το εξαπλάσιο γινόμενο των σταθμών βάσης (6*Χ*Υ). Οι συντεταγμένες των σταθμών βάσεων-αναμεταδοτών απόθηκεύονται σε αντιστοίχους πίνακες των δύο διαστάσεων. Οι πίνακες έχουν την δομή όπως στο ΣΧΗΜΑ

21 ΣΧΗΜΑ : ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΚΥΨΕΛΟΕΙ ΟΥΣ ΙΚΤΥΟΥ ΚΙΝΗΤΗΣ ΤΗΛΕΦΩΝΙΑΣ ΜΕ ΤΟΥΣ ΣΤΑΘΜΟΥΣ ΒΑΣΗΣ ΝΑ ΕΧΟΥΝ ΧΡΩΜΑ ΜΠΛΕ ΚΑΙ ΤΟΥΣ ΑΝΑΜΕΤΑ ΟΤΕΣ ΧΡΩΜΑ ΚΟΚΚΙΝΟ. ΣΤΗΝ ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΗ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΣΤΟΝ ΑΞΟΝΑ Χ ΚΑΙ Υ ΕΧΟΥΝ ΤΗΝ ΤΙΜΗ 4. ID Σταθμούς Επικοινωνίας x y 1 ο 2 ο 3 ο 4 ο 5 ο ΣΧΗΜΑ : H ΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΠΙΝΑΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΣΗΜΕΙΟΥ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗΣ ΤΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ. ΣΤΗΝ ΠΡΩΤΗ ΣΕΙΡΑ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΣΗΜΕΙΟ «Χ» ΤΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ ΣΤΗΝ ΕΥΤΕΡΗ ΣΕΙΡΑ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΣΗΜΕΙΟ «Υ» ΤΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ Τόρος Το περιβάλλον είναι τόρος. Ο τόρος μπορεί να κατασκευαστεί από το ένα ορθογώνιο ενώνοντας τα πάνω άκρα σχηματίζοντας ένα κύλινδρο και ακολούθως τους κύκλους που βρίσκονται δεξιά και αριστερά. Με αυτό το 21

22 τρόπο σχηματίζουμε ένα περιβάλλον πεπερασμένο, και ταυτόχρονα χωρίς όρια. Χρησιμοποιώντας τον τόρο έχουμε συμμετρία στην γεωμετρία του χώρου, απόφεύγεται το φαινόμενο των άκρων (βλ ΣΧΗΜΑ 3.3.2). Η χρήση τοροειδούς τοπολογίας [2], λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων, εφαρμόζεται συχνά. ΣΧΗΜΑ 3.3.2: ΕΙΧΝΟΥΜΕ ΤΑ ΤΡΙΑ ΣΤΑ ΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΟΥ ΕΝΟΣ ΟΡΘΟΓΩΝΙΟΥ ΣΕ ΤΟΡΟ (ΚΟΙΝΩΣ ΚΟΥΛΟΥΡΑΚΙ). Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΤΟΡΟΥ ΠΡΟΣΦΕΡΕΙ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ ΣΤΗΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΧΩΡΟΥ ΜΑΣ ΚΑΙ ΑΠΟΦΕΥΓΕΤΑΙ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ. ΠΑΡΑΤΗΡΩΝΤΑΣ ΤΙΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΤΟΥ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΦΑΙΝΕΤΑΙ Η ΤΜΗΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΙΑΦΟΡΩΝ ΑΠΟΧΡΩΣΕΩΝ. ΕΠΙΣΗΣ ΦΑΙΝΕΤΑΙ ΟΤΙ ΤΑ ΤΜΗΜΑΤΑ ΑΥΤΑ ΕΙΝΑΙ ΕΝΙΑΙΑ ΠΑΡΟΛΟ ΤΗΝ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΤΩΝ ΑΚΡΩΝ. ΟΙ ΕΙΚΟΝΕΣ ΕΙΝΑΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΕΓΚΥΚΛΟΠΑΙ ΕΙΑ WIKIPEDIA Υπολογισμός Απόστασης Χρησιμοποιώντας το τόρο ο τύπος της ευκλείδειας μετρικής για τον υπολογισμό της απόστασης μεταξύ δυο σημείων χρειάζεται μια τροποποίηση. Παρατίθεται στο ΣΧΗΜΑ ο ψευδοκώδικας για τον υπολογισμό της απόστασης για την τοπολογία του τόρου. Έστω ότι έχουμε δύο σημεία: το Α(x 1,y 1 ), το Β(x 2,y 2 ) και επίσης x max y max είναι η μέγιστη τιμή για το άξονα Χ και για τον Υ αντίστοιχα. Με την εκτέλεση του αλγορίθμου γίνετε εκτίμηση της απόστασης για την τοπολογία του τόρου. 22

23 x dif = x 2 - x 1 ; y dif = y 2 - y 1 ; x if x dif > max, then x dif = x dif - x max ; 2 x elseif x dif - max 2 then xdif = x dif + x max ; ; y if y dif > max, then y dif = y dif - y max ; 2 y elseif y dif - max, y dif = y dif + Y max ; ; 2 Distance = x + y 2 2 dif dif ΣΧΗΜΑ : ΕΙΧΝΟΥΜΕ TO ΨΕΥ ΟΚΩ ΙΚΑ ΤΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΜΕΤΑΞΥ ΥΟ ΣΗΜΕΙΩΝ (Α(x 1,y 1 ), το Β(x 2,y 2 )) ΣΤΗΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΤΟΡΟΥΣ 23

24 3.4 ΧΡΗΣΤΕΣ Σε αυτή την ενότητα θα περιγράψουμε το πώς ο προσομοιωτής μοντελοποιεί την αναπαράσταση και την κίνηση των χρηστών. Κατόπιν θα αναφέρουμε πως γίνεται η προετοιμασία της τοπολογίας (αναπαράσταση χρηστών και σταθμών επικοινωνίας) και η ταξινόμηση των σταθμών επικοινωνίας για τον κάθε χρήστη Τοποθέτηση Χρηστών Με την άφιξη του χρήστη στο σύστημα, ο χρήστης παίρνει μια τυχαία θέση στο χώρο. Η κατανομή των χρηστών στο σύστημα θέλουμε να είναι ομοιόμορφη στο χώρο της τοπολογίας. Ο χώρος που θα προσομοιώνεται το σύστημα θα έχει μέγιστες συντεταγμένες το Χ max και Y max όπως φαίνεται και στο ΣΧΗΜΑ Οι συντεταγμένες του χρήστη υπολογίζονται ως εξής: Χ user = Χ max rand() ( ) Y user = Y max rand() ( ) όπου η rand() είναι τυχαία μεταβλητή από το μηδέν έως το ένα. Έτσι το σημείο (Χ user,y user ) είναι μια τυχαία θέση στο χώρο. Στο ΣΧΗΜΑ 3.5 δείχνουμε με μια τελεία το σημείο που τοποθετήθηκε ο χρήστης στο χώρο. Y max (0,0) (Χ user,y user ) Χ max Αngle user V user (Χ max,y max ) Χ user = Χ max rand() Y user = Y max rand() V user = V max rand() Αngle user = 2π rand() ΣΧΗΜΑ 3.4.1: Η ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΘΕΣΗΣ, ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΟΡΕΙΑΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΤΟΥ ΧΡΗΣΤΗ ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΧΩΡΟ. 24

25 3.4.2 Κινητικότητα Χρηστών Ακόμη θα θέλαμε οι χρήστες να έχουν μια τυχαία κίνηση στο χώρο. Συγκεκριμένα, υποθέτουμε ότι οι χρήστες κινούνται σε ευθεία γραμμή, με αρχική τυχαία κατεύθυνση. Για τον υπολογισμό της ταχύτητα έχουμε υποθέσει ότι μέγιστη ταχύτητα που μπορεί κάποιος χρήστης είναι V max και η κατανομή είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη από το 0 έως το V max. Άρα : V user = V max rand() ( ) είναι μια τυχαία ταχύτητα που κάποιος χρήστης μπορεί να έχει. Επίσης για το υπολογισμό της πορείας της κατεύθυνσης θα θέλαμε η κατανομή της να είναι επίσης ομοιόμορφα κατανεμημένη από την γωνία 0 μέχρι την 2π σε rads. Έτσι : Αngle user = 2π rand() ( ) είναι μια τυχαία κατεύθυνση που κάποιος χρήστης μπορεί να έχει. Για την απόθήκευση των στοιχείων των χρηστών χρησιμοποιείτε ο πίνακας οποίος είναι διαμορφωμένος όπως το ΣΧΗΜΑ ID Χρηστών X Y V Angle 1 ο 2 ο 3 ο 4 ο 5 ο ΣΧΗΜΑ : H ΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΠΙΝΑΚΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΩΝ ΧΡΗΣΤΩΝ. Η ΠΡΩΤΗ ΣΕΙΡΑ ΕΧΕΙ ΤO ΣΗΜΕΙΟ ΤΟΥ ΧΡΗΣΤΗ ΣΤΟΝ ΑΞΟΝΑ «Χ» Η ΕΥΤΕΡΗ ΣΕΙΡΑ ΕΧΕΙ ΤΟ ΣΗΜΕΙΟ ΤΟΥ ΧΡΗΣΤΗ ΣΤΟΝ ΑΞΟΝΑ «Υ» Η ΤΡΙΤΗ ΣΕΙΡΑ ΕΧΕΙ ΤΗΝ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΧΡΗΣΤΗ Η ΤΕΤΑΡΤΗ ΣΕΙΡΑ ΕΧΕΙ ΤΗΝ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΣΕ RAD Αναζήτηση Σταθμών Επικοινωνίας Μετά την αναπαράσταση του χρήστη στον χώρο δημιουργούμε λίστα με σταθμούς επικοινωνίας με τον χρήστη. Ακολούθως υπολογίζεται από κάθε σταθμό το Κέρδος της επικοινωνίας (Gain), για το οποίο θα αναφερθούμε σε 25

26 επόμενη ενότητα με τίτλο ΚΕΡ ΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ. Κατόπιν η λίστα με τους σταθμούς επικοινωνίας και τα κέρδη ταξινομείται ανάλογα με τα κέρδη. ΛΙΣΤΑ 1 Ο 2 Ο 3 Ο 4 Ο.. ΚΕΡ ΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΣΧΗΜΑ : ΛΙΣΤΑ ΜΕ ΤΟΥΣ ΣΤΑΘΜΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΚΑΙ ΜΕ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΕΝΟ ΤΟ ΚΕΡ ΟΣ 3.5 ΚΕΡ ΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ (GAIN) Σε αυτή την ενότητα θα περιγράψουμε το μοντέλο διάδοσης (Path Loss), την Λογαριθμοκανονική Σκίαση (log-normal shadowing) που κάνει την προσομοίωση πιο ρεαλιστική, το μοντέλο Κατευθυντικότητας και το κέρδος επικοινωνίας μεταξύ δύο σημείων Μοντέλο ιάδοσης Υπάρχει πληθώρα από μοντέλα διάδοσης σήματος: το μοντέλο διάδοσης ελεύθερου χώρου, το μοντέλο εδαφικής ανάκλασης δύο ακτινών (Two Ray Model), τα μοντέλα Okumura, Hata κ.ά. Όμως τα περισσότερα μοντέλα ραδιοδιάδοσης απόρρέουν από ένα συνδυασμό αναλυτικών και εμπειρικών μεθόδων. Τόσο τα θεωρητικά μοντέλα όσο και τα βασισμένα σε μετρήσεις μοντέλα διάδοσης δηλώνουν ότι η μέση ισχύς του λαμβανόμενου σήματος μειώνεται πολυωνομικά με τη απόσταση, είτε σε ραδιοκανάλια εσωτερικού χώρου είτε σε εξωτερικού χώρου. Οι μέσες απώλειες διαδρομής (μεγάλης κλίμακας) για αυθαίρετη απόσταση πομπού-δέκτη εκφράζονται ως συνάρτηση της απόστασης χρησιμοποιώντας ένα εκθέτη απωλειών διαδρομής, n : ( ) PL d n d ή ( ) d0 26

27 ( ) [ ] ( ) [ ] PL d db PL d db 10n log d = d0 n ( ) όπουn είναι ο εκθέτης απωλειών διαδρομής που δηλώνει του ρυθμό με το οποίο αυξάνονται οι απώλειες διαδρομής με την απόσταση, d 0 είναι η κοντινή απόσταση αναφοράς που καθορίζεται από τις μετρήσεις κοντά στο πομπό και d είναι η απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη Λογοαριθμοκανονική Σκίαση (Τυχαία Εξασθένηση) Το μοντέλο στην εξίσωση ( ) δεν λαμβάνει υπ όψιν το γεγονός ότι οι περιβάλλουσες εδαφικές ανωμαλίες μπορεί να είναι πάρα πολύ διαφορετικές σε δύο διαφορετικές θέσεις που έχουν την ίδια απόσταση πομπού-δέκτη. Αυτό οδηγεί σε μετρούμενα σήματα που είναι πολύ διαφορετικά από την μέση τιμή που προβλέπει η εξίσωση (3.5.2). Οι μετρήσεις έχουν δείξει ότι σε οποιαδήποτε τιμή d, οι απώλειες διαδρομής PL ( d ) σε μια συγκεκριμένη θέση είναι τυχαίες και κατανεμημένες λογοαριθμοκανονικά (db) γύρω από την (εξαρτώμενη από την απόσταση) μέση τιμή. ηλαδή όπου ( ) [ ] ( ) [ ] PL d db = PL d db + Χ σ d PLσ ( d ) [ db] = PL ( d0) [ db] + 10n log10 + Χ d0 r ( ) [ ] [ ] ( ) [ ] t σ n σ ( ) P d db = P db + PL d db ( ) Χσ είναι μια τυχαία κατανεμημένη μεταβλητή Gaussian με μέση τιμή 0 (db) και τυπική απόκλιση σ (επίσης σε db). Η Λογοαριθμοκανονική σκίαση (log-normal shadowing) σημαίνει ότι τα μετρούμενα επίπεδα σήματος για μια συγκεκριμένη απόσταση πομπού-δέκτη έχουν Gaussian κατανομή με μια μέση τιμή. 0 Στον προσομοιωτή την μετρημένη ένταση του σήματος σε απόσταση d ( PL ( d ) [ ] 0 db ) την ονομάζουμε Gain_Constant, την παράμετρο d την ονομάζουμε Distance και την παράμετρο n την ονομάζουμε Exponent. Η μέση τιμή της Gaussian μεταβλητής είναι NormMean και η απόκλισής της NormVar. Επίσης την λαμβανόμενη ισχύ την ονομάζουμε Gain. 27