Προηγμένες Τεχνικές Παράλληλου Προγραμματισμού και Πλέγματος για Συστήματα Ασύρματων Επικοινωνιών ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ. Θεόδωρος Ε.

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Προηγμένες Τεχνικές Παράλληλου Προγραμματισμού και Πλέγματος για Συστήματα Ασύρματων Επικοινωνιών ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ. Θεόδωρος Ε."

Ναβαδίας Ράγκος
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΙ ΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΙ ΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ KΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Προηγμένες Τεχνικές Παράλληλου Προγραμματισμού και Πλέγματος για Συστήματα Ασύρματων Επικοινωνιών ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Θεόδωρος Ε. Αθαναηλέας Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών ΕΜΠ ΑΘήνα, Ιούνιος 2009

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αντιμετώπιση των αυξημένων υπολογιστικών απαιτήσεων συγκεκριμένων προβλημάτων που σχετίζονται με την προσομοίωση, βελτιστοποίηση και σχεδίαση σύγχρονων συστημάτων ασύρματων και κινητών επικοινωνιών, με χρήση τεχνικών παράλληλης και κατανεμημένης επεξεργασίας και με χρήση τεχνολογιών υπολογιστικού πλέγματος. Καθώς η χρήση προηγμένων και όλο και πολνπλοκότερων τεχνικών και μοντέλων (για παράδειγμα έξυπνες κεραίες, τεχνικές ΜΙΜΟ, στοχαστικές μέθοδοι βελτιστοποίησης, ντετερμινιστική πρόβλεψη διάδοσης) γίνεται συχνότερη στα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, οι υπολογιστικές απαιτήσεις των προβλημάτων που σχετίζονται με αυτά αυξάνονται με γρήγορους ρυθμούς. Η επίλυση των προβλημάτων αυτών μπορεί να γίνει εξαιρετικά απαιτητική σε υπολογιστικούς χρόνους, ή ακόμη και πρακτικά αδύνατη σε ορισμένες περιπτώσεις. Στα πλαίσια της διατριβής, πραγματοποιήθηκε μελέτη τριών συγκεκριμένων προβλημάτων που σχετίζονται με την προσομοίωση, βελτιστοποίηση και σχεδίαση συστημάτων ασύρματων και κινητών επικοινωνιών, και επιχειρήθηκε η ανάπτυξη και υλοποίηση κατάλληλων μεθόδων για την αντιμετώπιση των αυξημένων υπολογιστικών αναγκών τους. Υλοποιήθηκε παράλληλο μοντέλο πρόβλεψης διάδοσης σε ραδιοκανάλι με βάση την τεχνική ανίχνευσης ακτίνων και την ηλεκτρομαγνητική θεωρία των ειδώλων. H υλοποίηση έγινε χρησιμοποιώντας το υπολογιστικό παράδειγμα της διεπαφής προώθησης μηνυμάτων. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα από την εφαρμογή τον παράλληλου μοντέλου σε προβλήματα διαφορετικού μεγέθους, τα οποία δείχνουν ότι ο παράλληλος αλγόριθμος επιτυγχάνει σχεδόν ιδανική κλιμάκωση σε όλες τις περιπτώσεις. Επίσης, αναπτύχθηκε κατανεμημένη πλατφόρμα βελτιστοποίησης νέφους σωματιδίων με βάση το υπολογιστικό παράδειγμα των κινητών πρακτόρων λογισμικού. Ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης νέφους σωματιδίων περιλαμβάνει ένα μεγάλο πλήθος εκτιμήσεων μίας συνάρτησης κόστους, η οποία για τα προβλήματα ασύρματων επικοινωνιών είναι συχνά μία χρονοβόρα και μνημοβόρα διαδικασία. H προσέγγιση που ακολουθήθηκε επιτρέπει την παράλληλη και κατανεμημένη εκτέλεση τον αλγορίθμού σε ένα σύνολο ετερογενών υπολογιστών που συνδέονται μέσω δικτύου, παρέχοντας ευκολία και ενελιξία στην εγκατάσταση, καθώς και δυνατότητα για εύκολη επέκταση. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή τον συστήματος στην επίλυση προβλήματος βελτιστοποίησης διαγράμματος ακτινοβολίας στοιχειοκεραίας. Θεόδωρος Ε. Αθαναηλέας Διδακτορική Διατριβή 9

3 Τέλος, αναπτύχθηκε δικτυακό περιβάλλον με βάση τις τεχνολογίες ιστού για την προσομοίωση συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών σε υποδομή πλέγματος. Το περιβάλλον παρέχει μια ασφαλή δικτυακή πύλη με βάση τα πρότυπα των portlets ως διεπαφή στο μεσισμικό της υποδομής πλέγματος, η οποία αποκρύπτει από τον τελικό χρήστη την πολυπλοκότητα χρήσης του πλεγματικού μεσισμικού. Το περιβάλλον προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση μιας σειράς προσομοιώσεων συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών, ενώ παρουσιάζονται στατιστικά από την εκτέλεση στο πλέγμα ορισμένων σεναρίων για συστήματα WCDMA. H παρούσα διδακτορική διατριβή υποστηρίχθηκε από το Πρόγραμμα Ενίσχυσης Ερευνητικού Δυναμικού (ΠΕΝΕΔ) 2003, το οποίο συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή "Ενωση (80%ο) και εθνικούς πόρους (20%ο). Λέξεις Κλειδιά: παράλληλα και κατανεμημένα συστήματα, συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, πρόβλεψη διάδοσης, ανίχνευση ακτίνων, Θεωρία ειδώλων, μεσισμικό, ΜΡΙ, κινητοί πράκτορες, βελτιστοποίηση σμήνους σωματιδίων, υπολογιστικό πλέγμα, πύλη πλέγματος, portlets Θεόδωρος Ε. Αθαναηλέας Διδακτορική Διατριβή 10

4 ABSTRACT The goal of this doctoral thesis is to deal with the increased computational requirements of specific problems concerning the simulation, optimization and planning of modern wireless and mobile communication systems, by employing parallel and distributed processing techniques and computational grid technologies. While the use of advanced and increasingly complex techniques and models (for example smart antennas, MflvIO techniques, stochastic optimization methods, deterministic propagation prediction) becomes more frequent for wireless communication systems, the computational requirements of the concerning problems increase rapidly. The computation of these problems may become very time consuming or even practically infeasible in certain conditions. In the scope of the thesis, three specific problems regarding simulation, optimization and planning of wireless and mobile communication systems have been studied and the development and implementation of suitable methods for dealing with their increased computational needs has been attempted. A parallel radio-wave propagation prediction model based on ray tracing techniques and the electromagnetic theory of images has been developed. The implementation has been based on the computational paradigm of the message passing interface. Experimental results from utilizing the parallel model for problems of different sizes are presented, which demonstrate that the parallel algorithm achieves almost ideal scalability in all cases. Also, a distributed particle swarm optimization platform has been developed, based on the computational paradigm of mobile software agents. The particle swarm optimization algorithm entails a large number of computations of a cost function, which in the case of wireless communication systems can become time and memory consuming. The approach adopted enables the parallel and distributed processing of the algorithm on a number of heterogeneous computational nodes connected to each other via a network, providing ease and flexibility at deployment, as well as easy extension. Experimental results are presented by exploiting the system for the solution of an antenna array radiation pattern optimization. Finally, a networked environment for the simulation of wireless communication systems in a grid infrastructure has been developed, based on web technologies. The environment provides a safe web portal based on portlet specifications as the interface to the grid middleware, which hides from the end user the complexity of using the grid middleware. The simulation environment has been employed for executing a number of simulations and Θεόδωρος E. Αθαναηλέας Διδακτορική Διατριβή 11

5 statistics from the execution of several WCDMA system simulation scenarios on the grid are presented. This doctoral dissertation has been supported by PENED 2003 project. The project is cofunded by the European Union (80%) and national resources (20%). Keywords: parallel and distributed systems, wireless communication systems, propagation prediction, ray tracing, image theory, middleware, MPI, mobile agents, particle swarm optimization, computational grid, grid portal, portlets Θεόδωρος E. Αθαναηλέας Διδακτορική Διατριβή 12

Σχετικά έγγραφα

ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΧΡΟΝΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΩΝ ΠΟΡΩΝ ΣΕ ΠΟΛΛΑΠΛΑ ΕΡΓΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΜΕ ΠΟΛΛΑΠΛΕΣ ΟΜΑΔΕΣ

Σχολή Μηχανικής και Τεχνολογίας Πτυχιακή εργασία ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΧΡΟΝΟΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΡΓΑΣΙΩΝ & ΑΝΑΘΕΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΩΝ ΠΟΡΩΝ ΣΕ ΠΟΛΛΑΠΛΑ ΕΡΓΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΜΕ ΠΟΛΛΑΠΛΕΣ ΟΜΑΔΕΣ Ηλίας Κωνσταντίνου Λεμεσός,