Διαχείριση 60 GHz ασύρματου WDM οπτικού δικτύου μέσω συστήματος πρακτόρων για υποστήριξη handover λειτουργίας αδιάλλειπτης επικοινωνίας

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: «ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ» Διαχείριση 60 GHz ασύρματου WDM οπτικού δικτύου μέσω συστήματος πρακτόρων για υποστήριξη handover λειτουργίας αδιάλλειπτης επικοινωνίας ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Παντελής Νατσιάβας Επιβλέπων: Νίκος Πλέρος Λέκτορας τμήματος Πληροφορικής Α.Π.Θ. Εργαστήριο Αρχιτεκτονικής και Δικτύων Υπολογιστών, Α.Π.Θ. ( Θεσσαλονίκη, Ιανουάριος 2009

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ: «ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ» Διαχείριση 60 GHz ασύρματου WDM οπτικού δικτύου μέσω συστήματος πρακτόρων για υποστήριξη handover λειτουργίας αδιάλλειπτης επικοινωνίας ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Παντελής Νατσιάβας Επιβλέπων: Νίκος Πλέρος Λέκτορας τμήματος Πληροφορικής Α.Π.Θ. Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή... Νίκος Πλέρος Γεώργιος Παπαδημητρίου Πέτρος Νικοπολιτίδης Λέκτορας Αν. Καθηγητής Λέκτορας τμήματος Πληροφορικής τμήματος Πληροφορικής τμήματος Πληροφορικής Α.Π.Θ. Α.Π.Θ. Α.Π.Θ. Εργαστήριο Αρχιτεκτονικής και Δικτύων Υπολογιστών, Α.Π.Θ. ( Θεσσαλονίκη, Ιανουάριος

4 Περίληψη Τα δίκτυα Radio Over Fiber αποτελούνε μια από τις τεχνολογίες οι οποίες φαίνεται ότι θα μπορούσανε να αποτελέσουνε μια πολύ καλή απάντηση στις σύ βασικές ανάγκες που προτάσσει η έρευνα των δικτύων στις μέρες μας. Η πρώτη είναι το αυξημένο εύρος ζώνης (χρήση οπτικής ίνας) και η δεύτερη είναι η αυξημένη κινητική αυτονομία των χρηστών (ασύρματη επικοινωνία). Οι ιδιαιτερότητες των RoF δικτύων ξεπερνάνε τα κλασικά σχήματα των σημερινών κυψελωτών δικτύων και οδηγούνε στην χρήση πιο user-oriented προσεγγίσεων όπως είναι αυτή της MEC. Στην παρούσα εργασία κάνουμε αρχικά μια θεωρητική επισκόπηση των ζητημάτων που αφορούνε τα RoF δίκτυα. Στη συνέχεια προτείνουμε ένα συγκεκριμένο σχήμα ελέγχου των δικτύων αυτών που χρησιμοποιεί πράκτορες λογισμικού προκειμένου να ενσωματώσει στα RoF δίκτυα τη δυνατότητα εκμετάλλευσης εξελιγμένων πρακτικών τεχνητής νοημοσύνης. Τέλος, παρουσιάζουμε μετρήσεις προσομοιώσεων οι οποίες προέκυψαν χρησιμοποιώντας ένα τέτοιο πολυπρακτορικό σχήμα ελέγχου σε συνδυασμό με τη MEC και πάντα σε σχέση με συγκεκριμένα μοτίβα κινητικότητας του χρήστη. Λέξεις κλειδιά Radio over fiber δίκτυα, Moving Extended Cell, Πολυπρακτορικά συστήματα, Ασύρματα δίκτυα, Οπτικά δίκτυα 4

5 Abstract Radio over Fiber networks seem to be a good answer to the two fundamental needs that the modern networks research raises. The first issue is the high bandwidth (use of fiber) and the second is high user mobility (wireless communication). RoF networks peculiarites overocme the classical cellular networks schemes and lead us to the use of modern user-oriented approaches as MEC. In this thesis we initially do a theoretical overview of the issues that RoF networks raise. We also suggest a control scheme for this kind of networks which uses multi agent softare in order to integrate the capability of using modern Artificial Intelligence technics. Finally, we demonstrate the simulation results that came up by using such a software scheme and MEC related to specific user mobility patterns. Key Words Radio over fiber networks, Moving Extended Cell, Multi-Agent systems, Wireless networks, Optical networks 5

6 Πίνακας περιεχομένων Πρόλογος Εισαγωγή Radio over Fiber Βασική αρχιτεκτονική RoF δικτύων Moving Extended Cell Στόχοι της εργασίας Θεωρητική επισκόπηση Μαθηματικό μοντέλο MEC Σχήμα MAC Χρήση FDM σχήματος Χρήση CDMA σχήματος Χρήση OFDM σχήματος Σύγκριση OFDM και CDMA σχήματος Δυναμική μορφοποίηση MEC Παράγοντες ποιότητας στο CDMA Παρεμβολή στο CDMA Απόρριψη παρεμβολής στο CDMA Επίδραση ρυθμού άφιξης κλήσεων και κινητικότητας των τερματικών Βελτιστοποίηση κυψελωτών CDMA δικτύων Το CDMA στα RoF δίκτυα Παρεμβολή στα RoF Επίδραση της MEC Έλεγχος των RoF δικτύων G MACUN Κεντρική Ιδέα Αρχιτεκτονική Central Office Σχεδίαση 4G MACUN framework Παράμετροι ποιότητας δικτύου Administrator Agent Service Agent Υλοποίηση 4G MACUN Framework Προσομοίωση ελέγχου δικτύου RoF με χρήση απλού FDM σχήματος

7 4.1 Υλοποίηση του κώδικα προσομοίωσης Αρχικοποίηση της προσομοίωσης Λειτουργία του μοντέλου Πειραματική διαδικασία Αποτελέσματα για ευθεία κίνηση με σταθερή κλίση και ταχύτητα Αποτελέσματα για ευθεία κίνηση με μεταβλητή κλίση και ταχύτητα Επίλογος...84 Αναφορές

8 Πρόλογος Η διπλωματική αυτή εργασία αποτελεί την ολοκλήρωση της παρακολούθησης του ΠΜΣ του Τμήματος Πληροφορικής του ΑΠΘ. H ιδέα ξεκίνησε να συζητείται στα τέλη Ιουνίου του 2008 και ολοκληρώνεται (σε ότι αφορά το ΠΜΣ) τον χειμώνα του Θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου στον επιβλέποντα της εργασίας λέκτορα κο Νικόλαο Πλέρο. Όχι απλώς μου έδωσε την ευκαιρία να κάνω μια πολύ ενδιαφέρουσα διπλωματική, αλλά κατάφερε να με οδηγήσει στο να κάνουμε κατά τη γνώμη μου σημαντική δουλειά χωρίς να με πιέσει ούτε στο ελάχιστο. Αν κάποιος ενδιαφέρεται για τη συνέχιση της παρούσας εργασίας ή για περισσότερες λεπτομέρειες θα πρέπει να επικοινωνήσει με τον κο Πλέρο ή μαζί μου (natpan@csd.auth.gr, pantelis.natsiavas@hotmail.gr), ώστε να λάβει ενημέρωση για δεδομένα ή για τη δουλειά που κάναμε μετά την τυπική παράδοση της διπλωματικής. 8

9 1. Εισαγωγή Είναι γεγονός πως οι ανάγκες μεταφοράς δεδομένων γίνονται όλο και μεγαλύτερες. Εκτός αυτού, οι ανάγκες χρήσης απαιτούνε τη μεγαλύτερη δυνατή κινητικότητα καθώς επίσης και τη μέγιστη ενοποίηση των παρεχόμενων υπηρεσιών και πρωτοκόλλων επικοινωνίας. Παράλληλα, η αξιοπιστία των παρεχόμενων υπηρεσιών είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες που θα επηρεάσουν την αξιοποίηση της εγκατεστημένης υποδομής. Συνεπώς, τα ασύρματα δίκτυα επόμενης γενιάς θα πρέπει να παρέχουν πολύ μεγαλύτερο bandwidth στον τελικό χρήστη, με αυξημένη αξιοπιστία και ενοποίηση των παρεχόμενων υπηρεσιών. Ο στόχος είναι με χρήση της ίδιας υποδομής να μπορεί ο τελικός χρήστης να έχει πρόσβαση σε υπηρεσίες κινητής τηλεφωνίας, ασύρματης ευρυζωνικής σύνδεσης στο διαδίκτυο, τηλεοπτικές κατά απαίτηση υπηρεσίες κλπ. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να ληφθεί πρόνοια για την υλοποίηση ενός σχήματος Quality of Service (QoS) προκειμένου να είναι διαχειρίσιμες οι ιδιαιτερότητες κάθε είδους δικτυακής λειτουργικότητας. Η ενοποίηση των παραπάνω υπηρεσιών απαιτεί ένα δίκτυο, το οποίο χαρακτηρίζεται από πλήρη διαφάνεια. Ο σαφής διαχωρισμός των διαφόρων επιπέδων του δικτύου είναι απολύτως κρίσιμος τόσο για την εξασφάλιση συμβατότητας με τις σημερινές τεχνολογίες, όσο και για την ελευθερία ανάπτυξης και περαιτέρω εκμετάλλευσης της εγκατεστημένης υποδομής στο μέλλον. 1.1 Radio over Fiber Μια προσέγγιση που φαίνεται να δίνει λύση στις παραπάνω προκλήσεις είναι τα Radio over Fiber (RoF) δίκτυα. Τα RoF δίκτυα χαρακτηρίζονται από το ότι η παροχή και λήψη δεδομένων μέχρι και τις κεραίες που επικοινωνούν με τους τελικούς χρήστες γίνεται μέσω οπτικών ινών. Στη συνέχεια, η επικοινωνία με το τερματικό του τελικού χρήστη γίνεται μέσω μιας ασύρματης ραδιοφωνικής σύνδεσης. Στα σημερινά κυψελωτά δίκτυα ο έλεγχος πρόσβασης καθώς και διαχείρισης του εύρους ζώνης βρίσκεται στην κεραία που επικοινωνεί με τον τελικό χρήστη. Διαδικασίες, όπως η αυθεντικοποίηση του χρήστη ή η κατανομή των διαθέσιμων καναλιών μπορούν να αποβούν εξαιρετικά πολύπλοκες υπολογιστικά και είναι φυσικά απολύτως κρίσιμες. Στα RoF δίκτυα η κεραία, με την οποία θα έρχεται σε επαφή ο τελικός χρήστης, θα είναι ένα «χαζό» εξάρτημα, το οποίο θα μετατρέπει απλώς το οπτικό σήμα σε ηλεκτρομαγνητικό και θα το εκπέμπει στο κανάλι. Αυτό γίνεται για λόγους οικονομίας καθώς οι κεραίες θα πρέπει πάσει θυσία να κρατηθούν όσο το δυνατόν φθηνότερες, αν θέλουμε τα δίκτυα αυτά να βγούνε κάποια μέρα από τα εργαστήρια. Το χαμηλό κόστος των κεραιών αποτελεί αναγκαία προϋπόθεση, καθώς όπως θα εξηγηθεί παρακάτω είναι αναγκαία η πολύ πυκνή διάταξή τους στον χώρο, κάτι που αυξάνει πάρα πολύ το πλήθος τους και συνεπώς καθιστά το κόστος τους βασική παράμετρο για την ανάπτυξη των δίκτύων αυτού του τύπου. 9

10 Συνεπώς, ο έλεγχος του δικτύου θα πρέπει να γίνει κεντρικότερος και να διεξάγεται σε ανώτερα επίπεδα της αρχιτεκτονικής του δικτύου. Συνήθως, η υπολογιστική μονάδα που έχει αυτή την ευθύνη αναφέρεται ως Central Office (CO). Δεδομένης της ανικανότητας της κεραίας να συμμετέχει έστω και στο παραμικρό στην επεξεργασία των δεδομένων, το CO αναλαμβάνει τόσο διαδικασίες ασφάλειας, όπως η αυθεντικοποίηση του χρήστη, όσο και διαδικασίες διαχείρισης, όπως είναι η κατανομή του διαθέσιμου εύρους ζώνης ή η υλοποίηση των σχημάτων QoS. Τα ασύρματα δίκτυα που λειτουργούνε σήμερα (GSM, κλπ) χρησιμοποιούνε βασικές φέρουσες συχνότητες που κυμαίνονται σε μερικά GHz. Στις συχνότητες αυτές μπορούμε να εκμεταλλευτούμε διάφορα πλεονεκτήματα, όπως είναι οι χαμηλές απώλειες που συνεπάγονται και ανάγκη μικρής ισχύος προς εκπομπή. Η χρήση μεγαλύτερης συχνότητας φασμάτων για τις επόμενες γενιές δικτύων είναι μονόδρομος για δύο βασικούς λόγους. Πρώτον, οι μικρές συχνότητες είναι κατειλημμένες από τύπους δικτύων που λειτουργούν ήδη. Επιπλέον, το προς κατάληψη φάσμα που απαιτείται για να επιτύχουμε μεγάλο εύρος ζώνης δε μπορεί για λόγους φυσικής να βρίσκεται τόσο κοντά στο μηδέν. Στα συστήματα Radio Over Fiber, που θεωρητικά θα παίζουνε με βασική φέρουσα συχνότητα γύρω στα 60 GHz, είναι βέβαιο πως θα αντιμετωπίζουμε εξαιρετικά μεγάλες απώλειες [29]. Οι απώλειες αυτές οφείλονται σε εγγενείς ιδιότητες της ασύρματης μετάδοσης και θα πρέπει να θεωρούνται δεδομένες. Συνεπώς, προκειμένου να έχουμε μια παραδεκτή ποιότητα λήψης σήματος, θα πρέπει να περιορίσουμε κατά πολύ την ακτίνα του κυψελωτού αυτού συστήματος. Μάλιστα, μια λογική τιμή της ακτίνας κυψέλης θα πρέπει να θεωρηθεί γύρω στα 20m, τιμή που τείνει να γίνει πρότυπο για τέτοιου είδους συστήματα. Εικόνα 1-1 Άμεση συνέπεια των παραπάνω είναι, ότι ο χρήστης θα πρέπει να θεωρείται πολύ πιο κινητικός απ ότι στα σημερινά συστήματα. Σε δίκτυα όπως το GSM έχουμε συχνά εγκατεστημένες κυψέλες με ακτίνα της τάξης των 2-3 Km, με αποτέλεσμα η μετακίνηση των χρηστών ανάμεσα στις κυψέλες να είναι εξαιρετικά σπάνιο φαινόμενο. Θεωρώντας 10

11 κυψέλες με ακτίνα 20m, η κινητικότητα των χρηστών μεταξύ των διαφόρων κυψελών μετασχηματίζεται στο κομβικό πρόβλημα διαχείρισης του δικτύου. Στην εικόνα 1-1 φαίνεται μια ποιοτική σύγκριση των διαφόρων τύπων ασυρμάτων δικτύων που αφορά την κινητικότητα των χρηστών. Στα σημερινά κυψελωτά συστήματα το κύριο πρόβλημα διαχείρισης είναι η κατανομή των διαθέσιμων καναλιών στους υπάρχοντες χρήστες εντός της κυψέλης που αιτούνται την παροχή bandwidth. Η διαχείριση γίνεται ουσιαστικά από ένα Base Station (BS) που θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε μία GSM κεραία. Το πρόβλημα της μετακίνησης ενός χρήστη από μια κυψέλη σε άλλη εμφανίζεται σχετικά σπάνια και επιλύεται ανάμεσα στα δύο Base Stations που ελέγχουν τις αντίστοιχες κυψελίδες χωρίς να απαιτείται η υλοποίηση ενός κεντρικού δομημένου μηχανισμού που να ασχολείται με το μοτίβο κίνησης του χρήστη. Αντίθετα, στα RoF δίκτυα το κύριο πρόβλημα δεν θα είναι η κατανομή του διαθέσιμου BW στους τελικούς χρήστες αφού αυτό είναι άφθονο, καθώς προέρχεται απευθείας από μια οπτική σύνδεση και περιορίζεται απλώς από την ικανότητα μετατροπής του σε ασύρματο ηλεκτρομαγνητικό σήμα. Επίσης, οι χρήστες που αιτούνται εύρος ζώνης είναι πολύ λιγότεροι, αφού σε μια κυψέλη με ακτίνα 20m αναγκαστικά το πλήθος τους είναι πολύ περιορισμένο. Το βασικό πρόβλημα διαχείρισης στα RoF δίκτυα είναι η διαχείριση της αυξημένης κινητικότητας των χρηστών ανάμεσα στις κυψέλες, η οποία θα είναι πολύ συχνότερη από ότι στα υπάρχοντα ασύρματα δίκτυα. 1.2 Βασική αρχιτεκτονική RoF δικτύων Η ανάγκη για πάρα πολλές και φτηνές κατασκευαστικά κεραίες (Remote Antenna Units RAUs) οδηγεί αναγκαστικά σε δίκτυα των οποίων ο έλεγχος συγκεντρώνεται σε ένα Central Office, το οποίο ελέγχει και διαχειρίζεται την κατάσταση πάρα πολλών κυψελίδων. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται πως ένας υποτιθέμενος χρήστης θα μετακινείται μεταξύ των περιοχών που ελέγχονται από διαφορετικές RAUs. Δεδομένου ότι οι RAUs δεν έχουν τη δυνατότητα ηλεκτρονικής επεξεργασίας πληροφορίας, τον συνολικό έλεγχο έχει το CO. Εικόνα 1-2 Μεταξύ άλλων, το CO πρέπει να διαχειριστεί την κινητικότητα του χρήστη μεταφέροντας την πληροφορία που τον αφορά στην RAU, δια μέσου της οποίας βρίσκεται σε επικοινωνία. Επιπλέον, στην ευθύνη του CO είναι η κατανομή των υπαρχόντων καναλιών στους υπάρχοντες χρήστες ανά περιοχή. Θέματα όπως η υλοποίηση ενός QoS σχήματος ή η παροχή ιδιαίτερων εξατομικευμένων χαρακτηριστικών στην επικοινωνία συγκεκριμένων χρηστών, ανήκουν επίσης στην ευθύνη χειρισμού του CO. 11

12 Η αρχιτεκτονική ελέγχου ενός RoF δικτύου φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Φαίνεται ότι το CO θα πρέπει να διαθέτει από μια Base Station (BS) μονάδα αφιερωμένη σε κάθε RAU. Το BS είναι αυτό το οποίο είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία του οπτικού σήματος που θα μεταφερθεί στη συγκεκριμένη RAU. Τελικά, το οπτικό σήμα από όλα τα BS πολυπλέκονται και μεταφέρονται στην οπτική ίνα η οποία μεταφέρει το σήμα στις τελικές RAU μέσω μιας τοπολογίας οπτικού δακτυλίου. Εικόνα Moving Extended Cell Ένας από τους βασικούς στόχους των μελλοντικών RoF δικτύων είναι η παροχή υπηρεσιών εξατομικευμένων κατά περίπτωση. Παράλληλα, ένας από τους βασικούς παράγοντες που θα επηρεάσει την απόδοσή τους και συνεπώς το βαθμό υιοθέτησης τους, είναι η ικανότητα switching μεταξύ των περιοχών που ελέγχονται από διαφορετικές RAU. Η διακοπτική αυτή διαδικασία αποτελεί ένα απο τα σημαντικότερα κομμάτια έρευνας που εξελίσσονται στα οπτικά δίκτυα. Η σημασία της εν λόγω διαδικασίας γίνεται ακόμη μεγαλύτερη στα RoF δίκτυα τα οποία είναι αναγκασμένα να οδηγηθούνε σε κεντρικό έλεγχο όλων των επιπέδων των δικτύων συμπεριλαμβανομένου και του MAC. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, οι αλλαγές RAU θα είναι πολύ συχνότερες απ ότι στα σημερινά δίκτυα και οι RAUs δεν θα έχουνε τη δυνατότητα μεταξύ τους επικοινωνίας και συνεννόησης για τη μετακίνηση ελέγχου του χρήστη, προκειμένου να κρατήσουμε το κόστος κατασκευής τους όσο το δυνατόν χαμηλότερο. Συνεπώς, η λογική που επιβάλλει ότι η κυψέλη ορίζεται με βάση την κεραία επικοινωνίας μάλλον δεν ταιριάζει ως βασική δομική μονάδα σε τέτοιου είδους δίκτυα. Η Moving Extended Cell αποτελεί μια καινοτόμα προσέγγιση που φαίνεται να δίνει απαντήσεις στα παραπάνω προβλήματα. Σύμφωνα με αυτή, δημιουργούμε μια νοητή κυψέλη γύρω από τον χρήστη στην οποία συμμετέχουν όλες οι φυσικές κυψέλες που σχηματίζονται από τις γειτονικές ως προς τον χρήστη RAUs. Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η κίνηση του χρήστη καθώς και η αναμόρφωση της MEC κατά την κίνηση του χρήστη ανάμεσα στις φυσικές κυψέλες που σχηματίζουν οι RAUs. 12

13 Εικόνα 1-4 Στο [1] αποδεικνύεται με λεπτομέρειες πως η απλή τεχνική αναμόρφωσης της MEC που περιγράφεται στο προηγούμενο σχήμα, οδηγεί σε έναν μηχανισμό switching μεταξύ των κυψελίδων ο οποίος αποκλείει την πιθανότητα πτώσης της κλήσης αν ο χρήστης μετακινείται με λιγότερα από 144Km/h. Η μελέτη αυτή αφορά την ύπαρξη ενός και μόνο χρήστη και συγκεκριμένα την ικανότητα μετακίνησης του με αξιοπιστία. Μια αντίστοιχη προσέγγιση με αυτή της MEC, αποτελεί η τοπολογία των Virtual Cell Networks. Στα VCN δίκτυα χρησιμοποιούνται επίσης πολλές πόρτες (αντίστοιχα) επικοινωνίας με το τερματικό, με σκοπό όχι να καλύψουν την κινητικότητα του χρήστη αλλά να εξαλείψουνε την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων κακής μετάδοσης [27],[28]. 1.4 Στόχοι της εργασίας Συνολικά, ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι μια πρώτη μελέτη των ορίων αξιόπιστης λειτουργίας ενός RoF συστήματος που βασίζεται στην ιδέα της MEC. Συγκεκριμένα, στόχος μας είναι η μοντελοποίηση και η υλοποίηση προσομοιώσεων που αποδεικνύουν την δυνατότητα χρήσης του ως βάση για την ανάπτυξη των μελλοντικών RoF συστημάτων. Συγκεκριμένα, οι τελικοί στόχοι της εργασίας μπορούνε να κωδικοποιηθούνε ως εξής : 1. Μια βασική θεωρητική μελέτη για την μέθοδο πολυπλεξίας που θα πρέπει να ακολουθηθεί σε τέτοιου είδος συστήματα. Για την ακρίβεια, μια συγκριτική επισκόπηση των τεχνικών διαμόρφωσης σήματος που χρησιμοποιούνται στα σημερινά ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών πάντα σε σχέση με την εφαρμογή τους στα RoF δίκτυα. 2. Η σχεδίαση και υλοποίηση ενός πρωτότυπου σχήματος λογισμικού, κατάλληλο για τον έλεγχο τέτοιου είδους συστημάτων. Συγκεκριμένα, ο στόχος μας είναι να προτείνουμε σε ακαδημαϊκό επίπεδο μια αρχιτεκτονική λογισμικού η οποία θα οδηγεί σε βελτιστοποίηση των τελικών παρεχόμενων υπηρεσιών. Εννοείται ότι η πλήρης υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος προϋποθέτει την ακριβή προδιαγραφή ενός σαφούς MAC πρωτοκόλλου, κάτι το οποίο ξεφεύγει τόσο από τους στόχους μας όσο και από τις δυνατότητές μας. 3. Η πειραματική επαλήθευση μέσω προσομοιώσεων των πιθανών πλεονεκτημάτων που παρέχει η χρήση της MEC. Συγκεκριμένα, στόχος είναι η καταγραφή στατιστικών δεδομένων που αφορούνε τις πιθανές απώλειες πακέτων καθώς και τις 13

14 πτώσεις κλήσης, σε διάφορα, χαρακτηριστικά για την ποιότητα του δικτύου, σενάρια. 14

15 2. Θεωρητική επισκόπηση Στην ενότητα αυτή γίνεται μια πρώτη απόπειρα θεωρητικής επισκόπησης των σεναρίων λειτουργίας ενός RoF δικτύου. Αρχικά, γίνεται μια αρκετά εκτενής περιγραφή του μαθηματικού μοντέλου που περιγράφει τη MEC αφού αυτό θα αποτελέσει και τη βάση για την εξερεύνηση των νέων σεναρίων. Στη συνέχεια υπάρχει μια προδιαγραφή των βασικών σχημάτων MEC που θα μπορούσανε να χρησιμοποιηθούνε στα εν λόγω δίκτυα. 2.1 Μαθηματικό μοντέλο MEC Η λειτουργία των RoF δικτύων στην περιοχή των 60GHz οδηγεί σε πολύ υψηλές απώλειες στην ασύρματη μετάδοση, περιορίζοντας δραστικά την ενεργή εμβέλεια κάθε RAU. Έτσι, οι μικροκυψέλες (picocells) που σχηματίζουν οι RAUs θα διαθέτουν πολύ μικρές περιοχές επικάλυψης δίνοντάς μας ένα πολύ μικρό χρονικό περιθώριο αλλαγής (switching) από τη μια μικροκυψέλη στην επόμενη (εικόνα 2-1). Εικόνα 2-1 Η Moving Extended Cell είναι μια εικονική κυψέλη που σχηματίζεται από τις RAUs που βρίσκονται γύρω από τον χρήστη και εκπέμπουν όλες την ίδια πληροφορία προς αυτόν. Η MEC μετακινείται μαζί με τον χρήστη, με ευθύνη του CO το οποίο φροντίζει ώστε οι γειτονικές ως προς τον χρήστη RAUs να εκπέμπουν την ίδια πληροφορία, στο φάσμα που έχει δεσμευθεί για αυτόν (εικόνα 2-2). Με τον τρόπο αυτό, παρακάμπτουμε τη πολύ συχνή και επώδυνη διαδικασία του switching από τη μια μικροκυψέλη στην άλλη. Εικόνα

16 Στο [1] επιχειρείται μια ενδελεχής μαθηματικής ανάλυση της κίνησης ενός χρήστη και της πιθανότητας απώλειας επικοινωνίας με το μοντέλο της MEC. Χρησιμοποιώντας ως οδηγό την εικόνα 2-1 θεωρούμε ότι το μήκος σύνδεσης της οπτικής ίνας L από το CO μέχρι τις RAUs είναι το ίδιο για όλες τις γειτονικές RAUs (αφού R<<L). Θεωρούμε επίσης πως το CO εκπέμπει περιοδικά παλμούς (beacons) με περίοδο Tb, ενώ πληροφορία μεταδίδεται με bit rate Β και σταθερό μέγεθος πακέτου S. Αν και στο [1] περιγράφονται προσομοιώσεις κίνησης μόνο σε μια διάσταση (ο χρήστης κινείται στην ευθεία), τα αποτελέσματα μπορούν να γενικευθούν εύκολα στις 2 ή στις 3 διαστάσεις λόγω της εγγενούς συμμετρίας του κυψελωτού συστήματος επικοινωνίας. Στη συνέχεια περιγράφονται οι περιορισμοί και οι δυνατότητες που ανέδειξε το εν λόγω μοντέλο. Σύμφωνα λοιπόν με την κίνηση που φαίνεται στην εικόνα 2-1, αρχικά ο χρήστης βρίσκεται στην εμβέλεια της RAU#1 και ξεκινάει να κινηθεί προς την RAU#2 η οποία ανήκει στην ήδη σχηματισμένη από το CO, MEC του χρήστη. Θεωρώντας ότι τη στιγμή t=0 ξεκινάει η αποστολή των beacons από τις RAU και ότι ο χρήστης μπαίνει στην περιοχή επικάλυψης των RAU#1 και RAU#2 τη στιγμή t1, η RAU#2 θα εκπέμψει το επόμενο beacon (που θα λάβει το τερματικό) τη στιγμή th, όπου : Προκειμένου να μην χαθεί η επικοινωνία μεταξύ του CO και του τερματικού, θα πρέπει το τερματικό να είναι εντός της MEC τη στιγμή th και να απαντήσει με ένα πακέτο ACK στην RAU#2, προκειμένου έτσι να λειτουργήσει ο μηχανισμός ανασχηματισμού της MEC για τον εν λόγω χρήστη. Υπό αυτές τις συνθήκες η νέα MEC θα περιλαμβάνει την RAU#3 και η επικοινωνία του χρήστη θα συνεχιστεί κανονικά κατά τη μετακίνησή του στην ευθεία. Η μόνη πιθανότητα να χαθεί η επικοινωνία, είναι η διάσχιση της κυψελίδας που ορίζει η RAU#2 πριν από τη στιγμή th, καθώς ο χρήστης θα βρεθεί στην εμβέλεια της RAU#3 η οποία δεν συμπεριλαμβάνεται στη MEC του. Τότε θα έχω συνολική απώλεια της επικοινωνίας, καθώς το σύστημα δεν θα έχει επικοινωνία με το τερματικό και αυτό θα πρέπει να ξεκινήσει καινούριο session από την αρχή. Αυτό θα συμβεί αν ο χρήστης κινείται με ταχύτητες που ικανοποιούν τη σχέση : Κατά τη μετακίνηση ανάμεσα στις RAU#1 και RAU#2 δεν υπάρχει η πιθανότητα απώλειας δεδομένων καθώς ανήκουν στην MEC του χρήστη και έτσι εκπέμπουν και οι δύο τα ίδια δεδομένα προς αυτόν. Η μόνη περίπτωση να χαθεί πακέτο προς τον χρήστη (και όχι συνολικά η επικοινωνία) είναι να περάσει στην εμβέλεια της RAU#3 προτού ολοκληρωθεί η διαδικασία αναμόρφωσης της MEC του από το CO. Ο χρόνος Δt#2 που απαιτείται για να διασχίσει ο χρήστης την περιοχή κάλυψης της RAU#2 αφού λάβει το beacon από αυτήν και απαντήσει με ACK, δίνεται από τη σχέση: 16

17 Η τιμή αυτή θα πρέπει να συγκριθεί με το συνολικό χρόνο που απαιτείται για να γίνει η αναμόρφωση της MEC Ttotal. Στον Ttotal περιλαμβάνεται τόσο ο χρόνος ενημέρωσης του CO για την ανάγκη αναμόρφωσης της MEC Δtupdate, όσο και ο χρόνος L/c για τη διάδοση του επόμενου πακέτου από το CO μέχρι τη RAU#3. Η ενημέρωση του CO για την ανάγκη αναδιαμόρφωσης της υπάρχουσας MEC γίνεται μέσω του ACK που έρχεται από την RAU#2, πράγμα που σημαίνει ότι ο Δtupdate περιλαμβάνει την καθυστέρηση λήψης του ACK από το CO. Λαμβάνοντας υπ όψιν ότι το σήμα ταξιδεύει στον αέρα με ταχύτητα c και μέσα στην οπτική ίνα με ταχύτητα c/n, τελικά προκύπτει : Η απώλεια πακέτων θα είναι μηδενική όσο ισχύει Ttotal < Δt#2, αφού η RAU#3 θα αρχίσει την εκπομπή ως καινούριο μέλος της MEC, όσο ακόμα το τερματικό είναι στην εμβέλεια της RAU#2. Εάν η ανισότητα αλλάξει φορά, τότε θα υπάρχει απώλεια πακέτων αλλά όχι άμεση απώλεια της σύνδεσης. Για την ακρίβεια όσα πακέτα απευθύνονται στο τερματικό μέσα από το CO για χρόνο Tloss, θα χαθούν. Η τιμή του Tloss εξαρτάται από το αν το τερματικό διασχίζει τα όρια της RAU#2 πριν ή αφού το CO έχει ενημερωθεί για την ανάγκη αναμόρφωσης της MEC. Εάν ο χρήστης χάσει τη σύνδεση με τη RAU#2 πριν ενημερωθεί το CO, τότε τα πακέτα που είναι ήδη καθοδόν προς το τερματικό όπως και αυτά που θα έρθουν πριν από την ενημέρωση του CO θα χαθούνε, αφού το CO θα τα κατευθύνει προς την RAU#2 ενώ ο χρήστης δεν θα έχει επαφή με αυτήν. Τα πακέτα που βρίσκονται ήδη καθοδόν προς το τερματικό αντιστοιχούν σε πακέτα τόσο στον αέρα όσο και στην ίνα, δηλαδή σε χρονικό διάστημα ίσο με : ενώ τα καινούρια πακέτα που εστάλησαν από το CO στο τερματικό πριν από την ανάγκη ανανέωσης της MEC αντιστοιχούν σε χρόνο Δtupdate- Δt#2. Εάν το CO ενημερωθεί για την αλλαγή πριν το τερματικό περάσει στην εμβέλεια της RAU#3, θα μπορέσουνε να δρομολογηθούνε σωστά τα πακέτα που έρχονται στη συνέχεια θα δρομολογηθούν σωστά ώστε να σταλούνε και στην RAU#3 που περιλαμβάνεται στη νέα MEC. Έτσι, αυτά τα πακέτα θα πρέπει να αφαιρεθούνε από τα συνολικά χαμένα. Συνολικά, ισχύουν οι εξής σχέσεις: 17

18 Λαμβάνοντας υπ όψιν πως ο ρυθμός μετάδοσης πακέτων είναι r=s/b, προκύπτει τελικά Η τελευταία σχέση ισχύει όταν το τερματικό έχει ολοκληρώσει την λήψη του τελευταίου του πακέτου πριν την έξοδο από την εμβέλεια της RAU#2. Αλλιώς θα έχει χάσει ένα πακέτο ακόμα, δηλαδή θα ισχύει: Τα αποτελέσματα προσομοιώσεων του παραπάνω μοντέλου κίνησης σε ένα MEC σύστημα φαίνονται στην εικόνα 2-3, όπου συγκρίνονται και με τα αποτελέσματα προσομοίωσης ενός συστήματος στο οποίο δεν υπάρχει MEC αλλά ένα απλό switching σχήμα. Η ακριβής διαδικασία όπως και οι αριθμητικές τιμές που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις είναι αυτές που ορίζονται ως τυπικές στο [1]. Από την διαδικασία των προσομοιώσεων που περιγράφονται στο [1] αλλά και στην παρούσα εργασία, αποδείχτηκε ότι το σχήμα MEC πλεονεκτεί σε σχέση με το απλό switching στα εξής σημεία: 1. Η μηδενική πιθανότητα απώλειας επικοινωνίας είναι ανεξάρτητη της τιμής του x2 και της εμβέλειας της RAU αλλά εξαρτάται μόνο από την ταχύτητα του χρήστη και μάλιστα στην MEC έχω πολύ καλλίτερα αποτελέσματα. Αυτό σημαίνει πως με την MEC το switching time window δεν εξαρτάται από το μήκος της μικροκυψέλης, αλλά από την ταχύτητα του χρήστη (γράφημα a). 2. Στην περίπτωση του απλού switching, η πιθανότητα απώλειας πακέτου είναι ανεξάρτητη της ταχύτητας του χρήστη και αυξάνεται γραμμικά συναρτήσει του L. Στο σχήμα MEC, η γραμμική αυτή εξάρτηση με το L ισχύει μόνο για ταχύτητες πάνω από 40m/sec, κάτι που βελτιώνει δραματικά την κατάσταση (γραφήματα b και c). Συνολικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι ένα σχήμα σαν αυτό του απλού switching απλώς δεν θα μπορούσε να λειτουργήσει σε τόσο μικρές κυψελίδες όπως αυτές που απαιτούνται από τα RoF δίκτυα. Αντίθετα, η τεχνική της MEC, που επεκτείνει την αντίστοιχη ιδέα των Extended Cells [7], αποδεικνύει ότι τα RoF δίκτυα μπορούν να αποτελέσουν την επόμενη γενιά ασυρμάτων δικτύων, καθώς μπορούνε να εξυπηρετήσουνε με αξιοπιστία ακόμη και τους χρήστες που ακολουθούνε τα πιο περίεργα και ασυσχέτιστα μοτίβα κινητικότητας. 18

19 Εικόνα Σχήμα MAC Στην περίπτωση που πολλοί χρήστες χρησιμοποιούνε κάποιες RAUs από κοινού, θα μπορούσε να υπάρξει σύγκρουση στη μεταφορά δεδομένων. Λόγω κόστους, οι RAUs δεν θα έχουνε τη δυνατότητα να προβούνε σε καμία απολύτως υπολογιστική διαδικασία. Έτσι, δεν θα μπορούνε να καθορίσουνε και διαδικασίες συγχρονισμού κλπ μεταξύ των τερματικών όπως και να προβούνε σε συνεννόηση μεταξύ τους, με αποτέλεσμα η επίλυση των συγκρούσεων μέσω χρονικής πολυπλεξίας (TDM) να αποκλείεται. Μια καλλίτερη επιλογή φαίνεται να είναι η χρήση ενός σχήματος FDM πρόσβασης, στο οποίο το CO θα αναθέτει συγκεκριμένη περιοχή του διαθέσιμου φάσματος ανάλογα με τη χωρική κατανομή των τερματικών και των RAUs στις οποίες συνδέονται. Η ανάθεση του κατάλληλου φάσματος στο αντίστοιχο τερματικό θα πρέπει να γίνει μέσω κάποιων μηνυμάτων ελέγχου, τα οποία καλό θα ήτανε να παίζουνε σε ένα ξεχωριστό κανάλι ελέγχου, κοινό για όλα τα τερματικά. 19

20 Αυτό το σχήμα πολυπλεξίας θα είναι εξαιρετικά απλό όταν ένα τερματικό απαιτεί νέα σύνδεση σε κυψέλη στην οποία ήδη υπάρχουν άλλα τερματικά τα οποία επικοινωνούν. Τότε το CO, απλά θα αναθέτει στο καινούριο τερματικό φάσμα το οποίο δεν χρησιμοποιείται από τα γειτονικά προς αυτό τερματικά. Προκειμένου να επιτύχουμε συνολικά καλλίτερο έλεγχο του δικτύου και στις περιπτώσεις μεγάλης κινητικότητας των χρηστών, ως κατειλημμένο φάσμα δεν θα πρέπει να θεωρείται μόνο αυτό που κατέχουν τα τερματικά που συνδέονται στις RAUs που θα χρησιμοποιήσει το καινούριο τερματικό, αλλά και μιας ευρύτερης γειτονικής περιοχής η οποία θα κυμαίνεται σε εμβαδόν ανάλογα με την κατάσταση του δικτύου. Η πολυπλοκότητά του σχήματος αυτού, θα αυξάνεται όταν λόγω της κινητικότητας των χρηστών, πλησιάζουνε χρήστες οι οποίοι χρησιμοποιούν αλληλοεπικαλυπτόμενες περιοχές του ίδιου φάσματος. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει κάποιο ή κάποια από τα τερματικά να μετακινήσουνε το φάσμα που χρησιμοποιούνε προκειμένου να αποφύγουμε επικαλύψεις που θα οδηγήσουνε σε συγκρούσεις πακέτων επικοινωνίας. Λόγω αυτού ακριβώς του προβλήματος, προτείνεται τελικά η χρησιμοποίηση ενός CDMA based σχήματος πολυπλεξίας. Τα πλεονεκτήματα του θα γίνουνε φανερά στις παραγράφους που ακολουθούν, όπου αρχικά ακολουθεί μια μελέτη τόσο της FDM, όσο και της OFDM προσέγγισης, για να αναδείξει τα προβλήματα που αυτή παρουσιάζει. Μια εναλλακτική λύση στο επίπεδο της πολυπλεξίας σήματος θα μπορούσε να είναι η Spatial Division Multiplexing SDM [25] η οποία όμως φαίνεται να απορρίπτεται εξ αρχής για τα RoF δίκτυα αφού αναγκαστικά μιλάμε για πολύ μικρές κυψελίδες. Στις παραγράφους που ακολουθούν φαίνεται πως η επιλογή μεταξύ ενός CDMA ή ενός οποιουδήποτε FDM σχήματος μένει να γίνει με βάση το υπολογιστικό κόστος το οποίο μεταφέρεται ούτως ή άλλως στο CO. Αντίστοιχα με την εξερεύνηση της λύσης του CDMA, ερευνάται σε ένα βαθμό και η χρήση ενός OFDM σχήματος. Θα πρέπει να τονιστεί πως η χρήση του CDMA λύνει το πρόβλημα των συγκρούσεων αλλά θέτει έναν εξαιρετικά μεγάλο υπολογιστικό πονοκέφαλο από τη μεριά του τερματικού Χρήση FDM σχήματος Μιλώντας για την περίπτωση όπου έχω ένα σχήμα FDM πολυπλεξίας, όταν έχω τερματικά στα οποία έχει ήδη ανατεθεί φάσμα για επικοινωνία, αυτά έχουνε ήδη σχηματίσει τις MEC τους με κάποια βασική φέρουσα συχνότητα. Στην περίπτωση που οι χρήστες κινούνται και οι MEC τείνουν να επικαλύψουνε η μία την άλλη, υπάρχουνε δύο πιθανά σενάρια. Αν τα συγκεκριμένα φάσματα που έχουνε ανατεθεί στους δύο (ή και περισσότερους χρήστες) δεν εμφανίζουνε επικάλυψη, τότε δεν απαιτείται κανείς να μετακινηθεί στο πεδίο της συχνότητας και όλοι συνεχίζουνε κανονικά την επικοινωνία τους. Σε αυτήν την περίπτωση θεωρούμε πως το σύστημα θα συνεχίσει να λειτουργεί με την λογική που περιγράφεται στο [1], ανεξάρτητα που στον ίδιο χώρο υπάρχουνε επικαλυπτόμενες MEC αφού η μία δεν επηρεάζει την επικοινωνία της άλλης. Στην περίπτωση όμως που το εύρος ζώνης που έχει ανατεθεί σε κάποιον χρήστη, περιέχει μέρος εύρους ζώνης που έχει ανατεθεί και σε άλλον, τότε οδηγούμαστε σε επικάλυψη με αποτέλεσμα σύγκρουση κατά την επικοινωνία. Τότε, το σχήμα πολυπλεξίας που 20

21 προτείνεται θα πρέπει να γίνει λίγο πιο πολύπλοκο αφού τουλάχιστον ένα τερματικό θα πρέπει να μετακινηθεί στο πεδίο της συχνότητας, με βάση έναν μηχανισμό στον οποίο την αποκλειστική ευθύνη του ελέγχου θα έχει το CO. Ο μηχανισμός αυτός μπορεί να λειτουργεί με τους εξής πιθανούς τρόπους: 1. Στην περίπτωση όπου δύο χρήστες πλησιάζουνε μεταξύ τους και το BW που τους έχει ανατεθεί εμφανίζει επικαλύψεις, τότε η MEC του ενός τους αλλάζει φάσμα (μετακινείται στο πεδίο της συχνότητας). Εικόνα 2-4 Όπως φαίνεται στην εικόνα 2-4, η MEC που σχηματίζεται στα δεξιά βρίσκεται αρχικά στο ίδιο φάσμα με την αριστερή MEC. Το CO αναγνωρίζει πως οι δύο χρήστες κινούνται με πορεία τέτοια ώστε να οδηγήσουνε τελικά σε επικάλυψη και επιλέγει έναν από τους δύο για να μετακινήσει το φάσμα του. Στην προσέγγιση αυτή, αλλάζει συγχρονισμένα το φάσμα που ανατίθεται στον χρήστη που φαίνεται δεξιά σε όλες τις RAU που μετέχουν στο σχηματισμό της MEC. 2. Στην περίπτωση που το BW που τους έχει ανατεθεί εμφανίζει επικαλύψεις, τότε η MEC του ενός αλλάζει φάσμα μόνο σε ένα τμήμα της. Εικόνα 2-5 Όπως φαίνεται από την εικόνα 2-5, αλλάζει φάσμα μόνο η πλευρά της δεύτερης MEC που τείνει να «συνορεύσει» με την άλλη MEC. Αυτό γίνεται προκειμένου να αποφύγουμε άσκοπες αλλαγές, αν τελικά οι δύο MEC δεν επικαλυφθούν λόγω απρόσμενης αλλαγής πορείας των χρηστών. Και στους δύο μηχανισμούς αλλαγής φάσματος της MEC, το CO πρέπει να επιλέξει ποιός από τους δύο χρήστες θα υποστεί την αλλαγή του φάσματος. Η επιλογή αυτή, γίνεται ακόμη πιο κρίσιμη στην περίπτωση που οι περιπτώσεις επικάλυψης δεν αφορούν μόνο δύο χρήστες αλλά ακόμη περισσότερους. Πάντως, τελικά το πρόβλημα επίλυσης της 21

22 σύγκρουσης περισσοτέρων του ενός χρηστών μπορεί με επαναληπτικούς αλγορίθμους να αναχθεί σε πρόβλημα αντίστοιχο με αυτό της επίλυσης σύγκρουσης δύο χρηστών. Προκειμένου να αποκλείσουμε την πιθανότητα επικάλυψης φάσματος διαφορετικών χρηστών, θα πρέπει η απόφαση για τη μετακίνηση στο πεδίο του φάσματος να λαμβάνεται όσο οι χρήστες είναι ακόμη αρκετά μακριά. Έτσι, η επιλογή του CO θα πρέπει να βασίζεται σε κάποιους προκαθορισμένους κανόνες. Το ποιος από τους δύο χρήστες θα υποστεί τη μεταβολή φάσματος στη MEC εξαρτάται από τις συνθήκες επικοινωνίας που επικρατούν : i. Ποιος από τους δύο μετακινείται πιο αργά Αυτός που κινείται πιο αργά, έχει τη μικρότερη πιθανότητα να χάσει συνολικά την επικοινωνία με το CO και συνεπώς επιλέγεται. ii. Ποιος από τους δύο έχει καταλάβει μεγαλύτερο BW Αυτός που έχει καταλάβει μεγαλύτερο BW μπορεί πιο εύκολα να υποστεί περικοπές στο εύρος ζώνης. Έτσι εξασφαλίζουμε μεγαλύτερη ισορροπία μεταξύ των χρηστών. iii. Ποιος από τους δύο διαθέτει μικρότερο QoS επίπεδο Εννοείται πως ο χρήστης στον οποίο το δίκτυο έχει αναθέσει χαμηλότερο επίπεδο QoS έχει τη μεγαλύτερη πιθανότητα για να επιλεγεί στη μετακίνηση του φάσματος. Ο δεύτερος και ο τρίτος από τους παραπάνω κανόνες εξαρτώνται από τα ανώτερα επίπεδα της αρχιτεκτονικής του δικτύου και έτσι δεν μας αφορά σε αυτή τη θεωρητική επισκόπηση. Ο πρώτος κανόνας βασίζεται σε συμπεράσματα που προκύπτουν από τη μελέτη σε φυσικό επίπεδο. Η χρονική διάρκεια της απαιτούμενης διακοπής προκειμένου το τερματικό να μετακινηθεί σε άλλη συχνότητα λήψης, είναι μια απολύτως κρίσιμη παράμετρος και θα πρέπει σε κάθε περίπτωση να είναι μικρότερη από το διάστημα μεταξύ της λήψης δύο διαδοχικών beacon από τη RAU. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί, ότι η παράμετρος αυτή εξαρτάται από το ακριβές MAC σχήμα που χρησιμοποιείται. Γενικά, θα πρέπει να τονιστεί ότι όλα τα παραπάνω συνεπάγονται ένα δυσβάσταχτο υπολογιστικό κόστος για τον υπολογιστή που θα αναλάβει τελικά τις λογικές διεργασίες. Για αυτόν ακριβώς τον λόγο θα πρέπει να μελετηθούν άλλου είδους διέξοδοι για το επίπεδο πολυπλεξίας σήματος στα RoF δίκτυα Χρήση CDMA σχήματος Ας θεωρήσουμε λοιπόν πως τα τερματικά θα χρησιμοποιούν ένα σχήμα πρόσβασης στο ασύρματο μέσο το οποίο θα βασίζεται στο πολύ συχνά χρησιμοποιούμενο CDMA (Code Division Multiple Access). Το CDMA χρησιμοποιεί μια μίξη μεταξύ FDM και TDM, πράγμα που φαίνεται εποπτικά στην επόμενη εικόνα 2-6 [3]. 22

23 Εικόνα 2-6 Στο CDMA έχουμε διπλή διαμόρφωση του προς μετάδοση ψηφιακού σήματος. Καταρχήν, το σύστημα αναθέτει έναν πολύ μακρύτερο από το μήκος του πακέτου δεδομένων δυαδικό κωδικό (chip code) σε κάθε τερματικό. Το τερματικό πολλαπλασιάζει (διαμορφώνει) το προς μετάδοση πακέτο με τον κωδικό του με αποτέλεσμα να διευρύνει κατά πολύ το φάσμα του προς μετάδοση πακέτου και να το κάνει ίσο με αυτό του κωδικού. Παράλληλα, η χρήση του κωδικού αυτού εισάγει και μια μορφή κρυπτογράφησης. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται μια απλή αναλογική διαμόρφωση προκειμένου το πακέτο να μεταδοθεί ασύρματα. Βασική αρχή λοιπόν του CDMA[3] είναι πως όλα τα τερματικά εκπέμπουνε ταυτοχρόνως σε όλο το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Προκειμένου να διαχωριστεί η πληροφορία που απευθύνεται σε κάποιο τερματικό, χρησιμοποιείται ο chip code που του έχει αναθέσει το σύστημα και έτσι αναπαράγεται η πληροφορία που το αφορά (εικόνα 2-7). Το ζήτημα λοιπόν που τίθεται πλέον δεν είναι η ανάθεση φάσματος, αλλά ανάθεσης μοναδικού κατάλληλου κωδικού. Επειδή έχουμε τη δυνατότητα να σχηματίσουμε τους κωδικούς αυτούς με βάση το μοναδικό Serial Number που χαρακτηρίζει κάθε τερματικό, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι περιπτώσεις σύγκρουσης αποκλείονται. Θεωρώντας πως επιλέγουμε ένα CDMA based MAC protocol, το πρόβλημα των αλληλοεπικαλυπτόμενων MEC παύει να υφίσταται. Για αυτό και ένα ασύγχρονο CDMA είναι η συνολική τεχνική πρόσβασης η οποία προτείνεται τελικά. Εννοείται, πως ο έλεγχος όλων των διεργασιών που επιβάλλει το CDMA, περνάνε στο CO του RoF δικτύου, κάτι που αυξάνει πάρα πολύ τον υπολογιστικό του φόρτο. Παρόλα αυτά, θα πρέπει να καταγραφεί στα θετικά της χρήσης του CDMA ότι έχουν ήδη καταγραφεί αρκετές προσπάθειες υλοποίησης σχημάτων QoS [4],[5],[6]. Εικόνα

24 To CDMA απαλάσσει το σύστημα από την επίλυση των συγκρούσεων των τερματικών στον αέρα αλλά έχει ένα βασικό μειονέκτημα. Θα πρέπει το τερματικό να είναι σε θέση να διαμορφώνει το προς μετάδοση σήμα με ένα chip code το οποίο θα οδηγεί σε φάσμα ίσο με το συνολικό φάσμα του καναλιού. Στα RoF δίκτυα ευελπιστούμε το κανάλι να διαθέτει ένα πολύ μεγάλο φάσμα, πράγμα που σημαίνει ότι θα πρέπει τα τερματικά να είναι ταχύτατα και υπολογιστικά πολύ ισχυρά. Αυτό θα ανέβαζε το κόστος τους και ίσως να καθιστά απαγορευτική τη χρήση ενός καθαρού CDMA σχήματος Χρήση OFDM σχήματος Η Orthogonal Frequency Division Multiplexing τεχνική είναι ένας συνδυασμός πολυπλεξίας και διαμόρφωσης. Στην OFDM η έννοια της πολυπλεξίας προκύπτει θεωρώντας πως το προς μετάδοση σήμα χωρίζεται σε πολλά υποσήματα, τα οποία διαμορφώνουν διαφορετικά υποφέροντα και στη συνέχεια πολυπλέκονται σε ένα FDM σχήμα. Αν και η τελική πολυπλεξία κάθε υποφέροντος μπορεί να γίνει και με CDM (Code Division Multiplexing) [8], συνήθως η OFDM μεταφορά σήματος θεωρείται μια ειδικής μορφής FDM μεταφορά σήματος. Το βασικό πλεονέκτημα της OFDM είναι πως σε περίπτωση αλλοίωσης από θόρυβο ή επικάλυψης του φάσματος από κάποιο άλλο σήμα, τη βλάβη υφίσταται μόνο ένα μικρό μέρος του προς μετάδοση σήματος και μάλιστα μόνο ένα σκέλος του συγκεκριμένου υποσήματος το οποίο υφίσταται την αλλοίωση. Το [9] περιγράφει με λεπτομέρεια κάποια από τα θεμελιώδη μαθηματικά που χρησιμοποιούνται στην OFDM. Η βασική καινοτόμος ιδέα της OFDM κρύβεται στην λέξη orthogonal. Η ιδιότητα της ορθογωνιότητας που χαρακτηρίζει τα υποφέροντα, επιτρέπει ταυτόχρονη εκπομπή πολλών και πολύ στενά τοποθετημένων (υπο)φέροντων σημάτων (subcarriers) αποκλείοντας την παρεμβολή του ενός στο άλλο [10]. Αυτό κατά μια έννοια έχει το ίδιο πλεονέκτημα με το CDMA το οποίο χρησιμοποιεί κωδικούς για να διαχωρίσει τις μεταδιδόμενες πληροφορίες χωρίς να τις συγχέει, ακόμη και αν βρίσκονται στο ίδιο φάσμα. Εικόνα 2-8 Στην εικόνα 2-8 θεωρούμε δύο φέροντα διαφορετικών αρμονικών συχνοτήτων έστω n και m αντίστοιχα. Πολλαπλασιάζοντας τα δύο αυτά σήματα προκύπτει το σήμα που φαίνεται στην εικόνα 2-9, του οποίου το ολοκλήρωμα εύκολα αποδεικνύεται πως είναι μηδέν σε μια 24

25 περίοδο, πράγμα που συνεπάγεται πως δεν υπάρχει παρεμβολή μεταξύ των δύο σημάτων. Τα αρμονικά αυτά υποφέροντα μπορούν να είναι από 16 εώς και 1024 με τη σημερινή τεχνολογία [8], επιμερίζοντας πάρα πολύ την ισχύ του βασικού μεταφερόμενου σήματος στ υποφέροντα. Εικόνα 2-9 Μια πιο διαισθητική αναπαράσταση της OFDM δίνεται στην εικόνα 2-10, όπου μπορούμε να δούμε την πολυπλεξία στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο της συχνότητας ταυτόχρονα. Σε μια πιο πρακτική επισκόπηση του μεταδιδόμενου OFDM σήματος, προκύπτει ότι όταν ένα από τα υποφέροντα βρίσκεται στο peak της φασματικής του ισχύος, όλα τα υπόλοιπα βρίσκονται στο μηδέν [11] με αποτέλεσμα τον πολύ εύκολο διαχωρισμό τους. Έτσι μπορούμε να αποφύγουμε τα δυσάρεστα αποτελέσματα της επικάλυψής τους γεγονός που φαίνεται στην εικόνα Εικόνα

26 Εικόνα 2-11 Στο [8] αναλύονται επίσης τα βασικά πλεονεκτήματα που εμφανίζει η OFDM σε ότι αφορά παράπλευρα φαινόμενα όπως η ανάκλαση του σήματος που είναι εξαιρετικά σημαντικό πρόβλημα, ειδικά όταν μιλάμε για τερματικά τα οποία εμφανίζουν εξαιρετικά μεγάλη κινητικότητα (εικόνα 2-12). Εικόνα 2-12 Στο γράφημα της εικόνας 2-13 φαίνεται πως στην περίπτωση των σημάτων που υφίστανται ανακλάσεις στο περιβάλλον μετάδοσης, οι επιπτώσεις είναι πολύ μικρότερες και περιορίζονται αποκλειστικά και μόνο σε δύο από τα υποφέροντα κύματα. Το πλεονέκτημα αυτό της OFDM είναι πολύ σημαντικό στα ασύρματα περιβάλλοντα όπου οι ανακλάσεις όπως φαίνονται στην εικόνα 2-13 εισάγουν στην ουσία μια διαφορά φάσης στο προς μετάδοση σήμα. Στην εικόνα 2-14 φαίνεται το φάσμα ενός τυπικού OFDM σήματος και ένα σήμα QPSK. Είναι προφανές πως είναι πολύ πιο οικονομικό σε bandwidth απ ότι ένα τυπικό FDM σχήμα, αφού επιλέγοντας κατάλληλα τις βασικές φέρουσες συχνότητες ώστε να είναι αρμονικές μεταξύ τους, αίρουμε τις επιδράσεις της επικάλυψης. 26

27 Εικόνα 2-13 Εικόνα 2-14 Τα εγγενή χαρακτηριστικά των OFDM σημάτων είναι πολύ θετικά και σε ότι αφορά άλλες παραμέτρους όπως είναι η ευκολία στο φιλτράρισμα και γενικά ισχύει ο κανόνας που λέει ότι όσο πιο πολλά υποφέροντα έχουμε τόσο καλλίτερα. Η OFDM τεχνική χρησιμοποιείται σήμερα σε DSL επικοινωνίες όπου και συνήθως αναφέρεται ως DTM (Discrete Tone Modulation), σε σχήματα HDTV και Digital Audio Broadcasting [11] Σύγκριση OFDM και CDMA Σε ότι αφορά τη σύγκριση μεταξύ των δύο παραπάνω σχημάτων πολυπλεξίας φυσικού επιπέδου, υπάρχουνε ήδη αρκετές μελέτες [13], [14]. Οι τεχνικές αυτές είναι γενικότερες και δεν αφορούνε μόνο ασύρματα συστήματα. Χαρακτηριστική είναι η μελέτη στο [16] που 27

28 αφορά τη μεταφορά δεδομένων πάνω από γραμμές μεταφοράς ισχύος (PLC Power Line Communications). Στην ενότητα αυτή επιχειρείται μια πρώτη αξιολόγηση των εν λόγω τεχνικών σε ότι αφορά τα δίκτυα RoF, καθώς και μια πρώτη πρόταση για τον τρόπο διαμόρφωσης σήματος που θα επιλεχθεί στο MAC επίπεδο. Συγκρίνοντας την διαμόρφωση OFDM με συστήματος πολυπλεξίας που βασίζονται σε ένα μήκος κύματος, μπορούμε να πούμε ότι τα OFDM υστερούν στην ευαισθησία μετακινήσηςς συχνότητας και θόρυβο φάσης [11]. Αυτό είναι λογικό αν αναλογιστεί κανείς ότι τα παραπάνω συνεπάγονται άμεση απώλεια της ιδιότητας της ορθογωνιότητας απευθείας στο επίπεδο διαχωρισμού του σήματος. Παράλληλα, χρησιμοποιώντας OFDM έχουμε ένα σχετικά μεγάλο peak-to-average power ratio που μειώνει την αποδοτική χρήση της ισχύος του RF ενισχυτή, παράμετρος ιδιαίτερα κρίσιμη για τα ασύρματα δίκτυα [8],[9],[11]. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί πως σε ένα απλό OFDMA σχήμα δεν υπάρχει chip κωδικός αναγνώρισης του κάθε τερματικού, αλλά απλώς το σύστημα αναθέτει συγκεκριμένες συχνότητες σε κάθε τερματικό. Έτσι, το σύστημα καθίσταται αυτομάτως ευαίσθητο στην παρεμβολή που μπορεί να προέλθει από άλλες γειτονικές κυψελίδες, κάτι που στα RoF συστήματα θα μας οδηγούσε και πάλι στην ανάγκη το CO να προγνώσει εγκαίρως και να ανακατανείμει το διαθέσιμο φάσμα προκειμένου να αποφύγει συγκρούσεις. Αυτή η ανάγκη δεν υπάρχει αν επιλεχθεί ως τρόπος διαμόρφωσης ένα CDMA απευθείας διαμόρφωσης. Ως γενικό πλεονέκτημα του OFDM θα πρέπει να θεωρηθεί πως μπορώ να χρησιμοποιώ διαφορετικές ισχείς εκπομπής, προσαρμοσμένες ανάλογα με την απόσταση του χρήστη από την κεραία [13]. Παρόλα αυτά, στα RoF δίκτυα αυτό δεν αποτελεί πλεονέκτημα καθώς η απόσταση του χρήστη από την κυψελίδα είναι ούτως ή άλλως πολύ μικρή. Συνεπώς περαιτέρω υπολογισμοί και έλεγχος με βάση την απόσταση του τερματικού από την κεραία θα εισάγει επιπλέον πολυπλοκότητα χωρίς να επιφέρει τα αντίστοιχα οφέλη. Στα πλεονεκτήματα του CDMA θα πρέπει να χρεωθεί ότι επιτρέπει την εκπομπή πληροφορίας με πολύ χαμηλή ισχύ, γεγονός κομβικής σημασίας για κινητά τερματικά που τροφοδοτούνται με μπαταρία. Στα μειονεκτήματά του θα πρέπει να εισαχθεί η ανάγκη για αύξηση της υπολογιστικής ισχύος που θα απαιτηθεί λόγω πολύ μεγάλου chip code. Στο [13] εμφανίζονται αρκετά συγκριτικά δεδομένα μεταξύ των δύο τεχνικών διαμόρφωσης. Από τα εν λόγω δεδομένα προκύπτει ότι το απλό OFDMA σχήμα αποδίδει καλλίτερα λόγω τόσο της απλότητάς του (απαιτεί σχετικά απλά και φτηνά hardware modules που εκτελούν FFT και IFFT μετασχηματισμούς), όσο και της διατήρησης της ιδιότητας της ορθογωνιότητας. Παρόλα αυτά, τα συγκεκριμένα δεδομένα αφορούνε ένα απλοποιημένο σενάριο ενός χρήστη. Στην εικόνα 2-15 φαίνεται η σύγκριση των συναρτήσεων πυκνότητας κατανομής παρεμβολής και θορύβου μεταξύ του CDMA (direct sequency) και του OFDM. Είναι εμφανές ότι ακόμα και στο απλοποιημένο σενάριο το CDMA υπερέχει. 28

29 Εικόνα 2-15 Εικόνα

30 Στην εικόνα 2-16 φαίνεται η σύγκριση του BER μεταξύ της τεχνικής του OFDM και διαφόρων παραλλαγών του CDMA, σύμφωνα πάντα με το απλοποιημένο σενάριο του [13]. Εδώ φαίνεται ότι το FDMA υπερέχει ελαφρώς. Τέλος, στην εικόνα 2-17 επιβεβαιώνεται η συνολική ελαφριά υπεροχή του CDMA σε σχέση με το ΟFDMA. Εικόνα 2-17 Έχουνε ήδη προταθεί διαμορφώσεις που χρησιμοποιούνε μια μίξη CDMA και OFDM προκειμένου να εκμεταλλευτούνε τα πλεονεκτήματα των δύο τεχνικών [12]. Στο [15] περιγράφονται ακόμη πιο προωθημένα μοντέλα τα οποία χρησιμοποιούν προσαρμοστικούς αλγορίθμους που χρησιμοποιούν ως ανάδραση την παρούσα κατάσταση του δικτύου προκειμένου να βελτιστοποιήσουν τη χρήση του. Αν και πολλές φορές στη διεθνή αρθρογραφία προτάσσεται ως επιλογή η χρήση του OFDM, φαίνεται ότι το CDMA υπερέχει όταν μιλάμε για RoF συστήματα. Αν και μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το CDMA προσφέρει μεγαλύτερη χωρητικότητα [17], η κυρίως υπεροχή του δεν συνίσταται σε δεδομένα τα οποία αφορούνε το επίπεδο της επεξεργασίας σήματος, αφού οι δημοσιεύσεις σε αυτό το πεδίο δεν επιτρέπουν σαφή συμπεράσματα. Το κύριο πλεονέκτημα του CDMA είναι ότι αφαιρεί από το σύστημα την ανάγκη πρόγνωσης για την ανάγκη αλλαγής φάσματος σε ένα τερματικό, πράγμα που συνεπάγεται διακοπή της επικοινωνίας του τερματικού. Το υπολογιστικό κόστος για το CO σε ότι αφορά την πρόγνωση μιας πιθανής σύγκρουσης είναι εξαιρετικά σημαντικό καθώς ο κεντρικός χειρισμός του MAC επιπέδου αποτελεί προϋπόθεση για τα RoF δίκτυα. Από εδώ και πέρα θα θεωρούμε ότι η πολυπλεξία στο ασύρματο μέσο θα είναι βασισμένη σε μια CDMA αρχιτεκτονική. Συνολικά, μάλλον δε μπορεί κανείς να απαντήσει εύκολα για το ποιο σχήμα πολυπλεξίας είναι το καταλληλότερο. Μάλλον μια μίξη των παραπάνω θα αποτελούσε την καλλίτερη λύση. Για παράδειγμα, αν θεωρήσουμε ότι το δίκτυο έχει συνολικό φάσμα 2.5 Gbps, είναι προφανές πως δε μπορεί όλος αυτός ο όγκος να χρησιμοποιηθεί από ένα τερματικό. Ίσως μια λύση θα ήτανε να χωριστεί το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε μικρότερες μπάντες των πχ 30 Mbps με το χέρι. Αυτές μεταξύ τους θα πολυπλέκονται με FDM ή OFDM προκειμένου να 30

31 εκμεταλλευτούμε την απλότητα και τα πλεονεκτήματα των τεχνικών αυτών. Στο εσωτερικό κάθε τέτοιας μπάντας θα μπορούσαμε να παίξουμε με CDMA περιορίζοντας έτσι κατά πολύ το μήκος του chip code που απαιτείται προκειμένου να μειώσουμε το κόστος κατασκευής των τερματικών. Η πιθανότητα να συμπέσουνε τα chip codes δύο τερματικών είναι πραγματικά αμελητέα και τελικά ελεγχόμενη κεντρικά από το σύστημα. Έτσι, στην ουσία μπορούμε να καταργήσουμε το φαινόμενο των συγκρούσεων και να αποφύγουμε το φορτίο που εισάγει στο σύστημα η πρόγνωση και η αποφυγή των πιθανών συγκρούσεων. Παράλληλα, η χρήση της απλής και με το χέρι κατανομής του φάσματος σε ζώνες μας δίνει το περιθώριο να χρησιμοποιήσουμε παράλληλα σχήματα επικοινωνίας άσχετα το ένα από το άλλο. Για παράδειγμα θα μπορούσαμε να δεσμεύσουμε μια ζώνη (αυθαίρετου εύρους ζώνης) στην οποία μπορεί το σύστημα να μετακινεί τους χρήστες οι οποίοι έχουνε ιδιαίτερες απαιτήσεις ασφάλειας και θέλουνε να επικοινωνήσουνε χρησιμοποιώντας ένα σχήμα χαοτικής πολυπλεξίας. Σε κάθε περίπτωση τα παραπάνω αποτελούνε μια μάλλον πρόχειρη προσέγγιση του ζητήματος καθώς αυτό είναι έξω από τον πυρήνα της παρούσας εργασίας. Η τελική απόφαση του σχήματος πολυπλεξίας συναρτάται άμεσα από το MAC σχήμα και θα πρέπει να αποτελέσει αντικείμενο μελλοντικής μελέτης. 2.3 Δυναμική μορφοποίηση MEC Όπως αποδεικνύεται στο [1] για ταχύτητες μεγαλύτερες από κάποιο όριο, η στατική συμμετρική μορφή της MEC δεν αποτελεί την καλλίτερη λύση καθώς οδηγεί σε απώλειες πακέτων. Στην περίπτωση αυτή (δηλαδή για ταχύτητες εξαιρετικά μεγάλες), το CO θα μπορούσε να λάβει πρόνοια για να αλλάξει τη χωρική μορφή της MEC του εν λόγω χρήστη προκειμένου να περιορίσει ή και να εξαφανίσει τις απώλειες. Σημειώνω πως η αλλαγή της λογικής δυναμικής μορφοποίησης της MEC, θα εξαρτάται από την αναγνώριση εκ μέρους του CO της ταχύτητας και της αλλαγής των κυψελίδων. Με το ελαφρύ γαλάζιο φαίνονται οι RAUs που θα συμμετέχουν στη MEC όταν ο χρήστης κινείται ταχύτερα από ένα όριο το οποίο είναι φυσικά προς πειραματισμό. Στο σχήμα φαίνεται τόσο η MEC που έχει μελετηθεί μέχρι τώρα, όσο και η μορφή της MEC που προτείνεται στην περίπτωση ταχέων μετακινήσεων. Η αλλαγή της μορφής της MEC, θα πρέπει να γίνεται σε ταχύτητες που πλησιάζουνε στο όριο που ξεκινάνε οι απώλειες πακέτων, περίπου στα 130 Km/h. Εικόνα

32 Ακολουθώντας τη μορφοποίηση της MEC που υποδεικνύει η εικόνα 2-18, περιορίζουμε τις απώλειες πακέτου όταν ο χρήστης κινείται με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα (πάνω από 150Km/h) προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αυτό γίνεται διαισθητικά αντιληπτό αν αναλογιστεί κανείς πως είναι εξαιρετικά απίθανο για τον χρήστη να κινηθεί προς την RAU που καλύπτει το «πίσω» μέρος της MEC, όταν κινείται με τόσο μεγάλη ταχύτητα. Συνεπώς, μπορούμε να θεωρήσουμε ως κέντρο της νέας MEC την «μπροστινή» από τον χρήστη RAU, μειώνοντας κατά πολύ τις πιθανότητες να βρεθεί εκτός MEC. Η δυναμική μορφοποίηση της MEC θα μπορούσε να καταλήξει σε πολλές άλλες κυψέλες, ανάλογα με την ικανότητα του CO να προσαρμόζει το δίκτυο στον εκάστοτε χρήστη. Η μορφοποίηση που περιγράφεται στην εικόνα 2-18 άρει το πλεονέκτημα της συμμετρίας. Θα πρέπει δηλαδή μαθηματικά να εξερευνηθούνε οι απώλειες του χρήστη όταν δεν κινείται σε ευθεία. Οι προσομοιώσεις σε τέτοιου είδους σενάρια είναι αυτές που τελικά θα επιβεβαιώσουνε ή θα απορρίψουνε την δυναμική μορφοποίηση των MEC ως μέσο βελτιστοποίησης του δικτύου. Επεκτείνοντας απλοϊκά το μαθηματικό μοντέλο που παρουσιάζεται αναλυτικά στο [1] και συνοπτικά στην παράγραφο 2.1, προκύπτει ότι για τις ίδιες τυπικές αριθμητικές παραμέτρους η πιθανότητα απώλειας πακέτου είναι μηδενική αν ο χρήστης κινείται σε ευθεία με ταχύτητες μέχρι και περίπου 280 Km/h. Τονίζω ότι αναφερόμαστε στην περίπτωση ευθείας κίνησης που περνάει από το κέντρο των μικροκυψελίδων. Εάν ο χρήστης δεν κινηθεί σε ευθεία αλλά αλλάξει πορεία, τότε θα μπορούσε θεωρητικά από το κελί 4 της εικόνας 2-18a να βρεθεί στο κελί 1 ή στο κελί 5, δηλαδή εκτός της MEC που του έχει ορίσει το CO και έτσι να χάσει πλήρως την επικοινωνία. Για να συμβεί αυτό, θα πρέπει ο χρήστης να κάνει στροφή 90 μοιρών σε ακτίνα κυψέλης 20m με ταχύτητα μεγαλύτερη των 130 Km/h (αφού μόνο τότε το CO θα του δώσει αυτή την μορφή της MEC) πράγμα πρακτικά αδύνατο. Εάν η παρέκκλιση της κίνησης του χρήστη από την ευθεία των φέρει στο κελί 3, τότε θα ισχύει η ανάλυση της παραγράφου 2.1, σύμφωνα με την οποία αν κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη των 144 Km/h θα έχει απώλειες πακέτων. Πρακτικά, το πρόβλημα της ταχύτητας με την οποία κινείται ο χρήστης αίρεται με μια τέτοια δυναμική μορφοποίηση της MEC. Το πρόβλημα μεταφέρεται στο πως το CO θα αναγνωρίσει αξιόπιστα την ταχύτητα κίνησης του χρήστη για να μπορεί να αλλάζει τις τακτικές μορφοποίησης της MEC ανάμεσα στη συμμετρική που παρουσιάζεται στο [1] και στην μορφή που υποδεικνύεται σε αυτήν την παράγραφο, πρόβλημα που επιλύεται σχετικά εύκολα. 2.4 Παράγοντες ποιότητας στο CDMA Στην ενότητα αυτή επιχειρείται μια επισκόπηση των θεωρητικών μεγεθών που επηρεάζουνε άμεσα την ποιότητα του δικτύου στα σημερινά CDMA κυψελωτά συστήματα. Ο βαθμός χρήσης και αξιοπιστίας των συστημάτων αυτών τα καθιστά ιδανικά για χρήση στις αρχές σχεδίασης των RoF δικτύων. Φυσικά, εξίσου χρήσιμη θα ήτανε και μια αντίστοιχη μελέτη των OFDM και FDM δικτύων τα οποία θα αφορούνε την πολυπλεξία σε ένα ανώτερο επίπεδο. Η ιδιαιτερότητα του CDMA είναι ότι σύμφωνα με το σχήμα πολυπλεξίας που προτείνεται, τα τερματικά θα εκπέμπουνε εντός μιας φασματικής ζώνης 32

33 χρησιμοποιώντας το CDMA και συνεπώς η δυναμικότητα της πολυπλεξίας αυτής χρήζει περαιτέρω μελέτης. Η μελέτη της έρευνας που έχει γίνει για τα συστήματα αυτά είναι χρήσιμη καθώς θα μπορούσανε εύκολα να εξαχθούνε συμπεράσματα τα οποία να μεταφερθούνε στο RoF δίκτυα που προτείνουμε. Η μεταφορά αυτή δεν θα μπορούσε φυσικά να γίνει αυτούσια αλλά παρόλα αυτά το μέγεθος της έρευνας που έχει γίνει για τα σημερινά CDMA συστήματα δε μπορεί να μένει αναξιοποίητο. Οι παράγοντες που καθορίζουνε την ποιότητα επικοινωνίας στα CDMA συστήματα, έχουνε πολύ μεγάλη σημασία καθώς είναι αυτοί που θα χρησιμοποιηθούνε ως ανάδραση από το κεντρικό σύστημα διαχείρισης του δικτύου με στόχο τη συνολική βελτιστοποίηση της απόδοσής του. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στο παρόν κείμενο μας αφορούνε οι τεχνικές που εξασφαλίζουνε ποιότητα από τη μεριά του δικτύου και όχι από τη μεριά του τερματικού. Αυτός ο διαχωρισμός είναι απαραίτητος καθώς οι διαφορές στον τρόπο χειρισμού του uplink (αυτό που μας ενδιαφέρει για παράδειγμα στην παρεμβολή) και το downlink είναι πολύ σημαντικές [26],[29] Παρεμβολή στο CDMA Στα συνηθισμένα CDMA κυψελωτά συστήματα που λειτουργούνε σήμερα, η παρεμβολή (interference) που προκαλούνε χρήστες στις γειτονικές κυψελίδες έχει μελετηθεί διεξοδικά, όπως και η επίπτωσή της στην συνολική χωρητικότητα των καναλιών. Αν και συνήθως η μελέτη αυτή δεν συναρτά την απόσταση του χρήση από την κεραία της κυψέλης, υπάρχουνε μελέτες που οδηγούνε σε πιο ακριβή αποτελέσματα λαμβάνοντας υπ όψη τους την απόσταση του χρήστη από την βασική κεραία πρόσβασης και από την κεραία της κυψέλης στην οποία λειτουργεί παρεμβατικά [17]. Το να αγνοήσουμε την επίδραση της απόστασης του χρήστη από την κεραία στα RoF συστήματα δεν έχει ουσιαστικές επιπτώσεις. Στα RoF συστήματα η ακτίνα της κυψελίδας είναι πολύ μικρή και συνεπώς η απώλεια στην ακρίβεια από μια τέτοια απλοποίηση είναι μηδαμινή. Αντίθετα, τα υπολογιστικά οφέλη από την εν λόγω απλοποίηση είναι εξαιρετικά σημαντικά, ειδικά αν αναλογιστεί κανείς πως ο έλεγχος στα δίκτυα αυτού του τύπου είναι αναγκαστικά κεντρικός. Ένα τέτοιο μοντέλο παρεμβολής που χρησιμοποιείται συνήθως στη μελέτη των κλασικών κυψελωτών συστημάτων περιγράφεται στη συνέχεια. Από αυτή την περιγραφή γίνονται αντιληπτές οι επιδράσεις της παρεμβολής στην χωρητικότητα του καναλιού, οι φυσικές παράμετροι από τις οποίες αυτή καθορίζεται καθώς και τα μεγέθη τα οποία θα πρέπει ο έλεγχος του δικτύου να χρησιμοποιήσει ως ανάδραση προκειμένου να βελτιστοποιεί ανά πάσα στιγμή την κατάστασή του. Ας θεωρήσουμε δύο κελιά i και j όπως φαίνεται και στην εικόνα 2-19 [17]. Ο χρήστης που φαίνεται βρίσκεται στο κελί j και επικοινωνεί με την αντίστοιχη κεραία. Ας θεωρήσουμε επίσης, πως nj είναι ο αριθμός των χρηστών στο κελί j και πως το κέρδος ισχύος του πομπού του χρήστη ισοδυναμεί με τις απώλειες μετάδοσης του σήματος μέχρι την κεραία. Άλλωστε, στα κυψελωτά συστήματα που λειτουργούνε στις μέρες μας, υπάρχουνε μηχανισμοί 33

34 προσαρμογής της εκπομπής ισχύος κάθε τερματικού, τόσο για λόγους υγείας του χρήστη όσο και για λόγους οικονομίας στη μπαταρία αλλά και της παρεμβολής σήματος. Εικόνα 2-19 Αν και ο μηχανισμός ελέγχου της ισχύος μπορεί και αντισταθμίζει απώλειες διαφόρων ειδών, θεωρούμε πως δε μπορεί να ανταπεξέλθει στις γρήγορες μεταβολές τις ισχύος του σήματος που οφείλονται στην εξασθένιση Rayleigh. Η μεταβλητή xi συμβολίζει την τυχαία μεταβλητή Rayleigh που αντιστοιχεί στην εξασθένιση του μονοπατιού μέχρι την κεραία του κελιού i. Συνολικά, η παρεμβολή που προκαλούνε όλοι οι χρήστες του κελιού i από όλα τα τερματικά στο κελί j το οποίο αντιστοιχεί στην περιοχή Cj δίνεται από τη σχέση : όπου ζ είναι η απόσβεση σε decibel λόγω σκίασης. Θεωρώντας μέσο όρο μηδέν και τυπική απόκλιση σs, προκύπτει ότι με γ = ln(10)/10 η προηγούμενη σχέση γίνεται : Η τελευταία αυτή εξίσωση χρησιμοποιείται γενικά από τη διεθνή αρθρογραφία προκειμένου να υπολογιστεί η συνολική μέση παρεμβολή μεταξύ κυψελών, όταν θεωρούμε μια ομοιόμορφη γεωγραφική κατανομή χρηστών. Προκειμένου να πάρουμε την παρεμβολή που προκαλείται ανά χρήστη fji, το Ιji διαιρείται με τον αριθμό των χρηστών nj στο κελί j. Είναι προφανές ότι με αυτό το μοντέλο ισχύει fii =0. Γενικά, μπορούμε να σχηματίσουμε έναν δισδιάστατο πίνακα που περιγράφει την μέση παρεμβολή ανά χρήστη μεταξύ κυψελίδων και ως στοιχεία θα περιέχει τα fji. Συνεπώς, η συνολική μέση παρεμβολή στο κελί i προκύπτει από το άθροισμα των αντίστοιχων μέσων παρεμβολών από τα υπόλοιπα κελιά. 34

35 Εάν ο πίνακας F μπορεί να υπολογιστεί εκ των προτέρων, τότε μπορούμε γνωρίζοντας το nj που ισχύει στιγμιαία μπορούμε με πολύ μικρό κόστος να υπολογίσουμε την παρεμβολή στο δεδομένο κελί i. Αυτός ο υπολογισμός μπορεί να θεωρηθεί ως ανάδραση και να χρησιμοποιηθεί από το σύστημα ελέγχου του δικτύου. Για μια γενική περίπτωση όπου η κατανομή των χρηστών περιγράφεται από την γεωγραφική πυκνότητα χρηστών w(x,y), ορίζουμε κji τον συντελεστή της ανά χρήστη διακυψελικής παρεμβολής και ισχύει: με Εάν μοντελοποιήσουμε την γεωγραφική κατανομή των χρηστών με μια 2D Gaussian κατανομή, τότε ισχύει : όπου το η είναι μια παράμετρος κανονικοποίησης μ είναι οι μέσες τιμές και σ οι τυπικές αποκλίσεις. Στην περίπτωση όπου θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε τις αποστάσεις rj και rj ο πίνακας F δεν θα μπορούσε να υπολογιστεί εκ των προτέρων. Αυτό θα οδηγούσε σε πολύ μεγάλη αύξηση της πολυπλοκότητας του μηχανισμού ελέγχου αφού θα έπρεπε να αναβαθμίζεται ο πίνακας F κάθε φορά που μεταβάλλεται η θέση ενός χρήστη, χωρίς να υπάρχει πιθανό αντίκρισμα στα οφέλη από την αμελητέα αύξηση της ακρίβειας. Η χωρητικότητα των σημερινών CDMA δικτύων καθορίζεται από τη διατήρηση ενός κατώτατου ορίου στην ενέργεια του bit σε σχέση με τον λόγο πυκνότητας παρεμβολής, που δίνεται από τη σχέση [17] : όπου το i κυμαίνεται μεταξύ 1 και Μ, M είναι το πλήθος των κελιών του δικτύου, W είναι το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται από το δίκτυο, R bits/sec είναι ο ρυθμός μεταφοράς της πληροφορίας, α είναι το είναι ο συντελεστής δραστηριότητας φωνής και No είναι η φασματική πυκνότητα του θορύβου. Προκειμένου να διατηρήσουμε το απαιτούμενο bit rate, ο λόγος της προηγούμενης σχέσης θα πρέπει να διατηρείται μόνιμα πάνω από ένα συγκεκριμένο κατώφλι, έστω τ. 35

36 Χρησιμοποιώντας το κατώφλι τ, προκύπτει η επόμενη σχέση που καθορίζει το ανώτερο όριο χρηστών ανά κυψελίδα προκειμένου να διατηρηθεί το απαιτούμενο bit rate Απόρριψη παρεμβολής στο CDMA Οι εξισώσεις της προηγούμενης παραγράφου χρησιμοποιούνται κατά κόρον από το σύστημα ελέγχου του δικτύου προκειμένου να παρέχει διαρκώς ένα παραδεκτό επίπεδο επικοινωνίας στους χρήστες. Μάλιστα έχουνε γίνει αρκετές προσπάθειες απόρριψης της παρεμβολής στα CDMA συστήματα χρησιμοποιώντας είτε σχήματα διαδοχικής απόρριψης [18], είτε παράλληλους αλγορίθμους [19]. Αρκετές πληροφορίες σχετικά με τις μεθόδους απόρριψης της παρεμβολής και όχι μόνο στο CMDA περιλαμβάνονται στο [25]. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η προσέγγιση που δημοσιεύεται στο [21] όπου επιχειρείται η μελέτη ενός βέλτιστου σχήματος απόρριψης της παρεμβολής στα CDMA συστήματα, το οποίο χρησιμοποιεί τόσο ακολουθιακούς όσο και παράλληλους αλγορίθμους. Αν και έχει ήδη από το 1986 προταθεί ο βέλτιστος μηχανισμός απόρριψης παρεμβολής [22], το κύριο ερευνητικό ζήτημα παραμένει η υπολογιστική πολυπλοκότητα των συγκεκριμένων αλγορίθμων. Η σημασία της υπολογιστικής πολυπλοκότητας είναι προφανής αν αναλογιστεί κανείς πως τα ασύρματα δίκτυα κατακλύζονται από φορητές συσκευές που λειτουργούνε με μπαταρία και πως τα δεδομένα που διακινούνται αφορούνε όλο και περισσότερο χρονικά κρίσιμες εφαρμογές. Ασχέτως πάντως από την ικανότητα απόρριψης της παρεμβολής, η ύπαρξή της αποτελεί ήδη σημάδι πως η συνολική ποιότητα της παρεχόμενης από το δίκτυο επικοινωνίας πέφτει. Συνεπώς, εδώ δεν θα ασχοληθούμε με συγκεκριμένους τρόπους απόρριψης της παρεμβολής. Άλλωστε, μια τέτοιου είδους επιλογή δεν υπάρχει λόγος να γίνει εκ των προτέρων Επίδραση ρυθμού άφιξης κλήσεων και κινητικότητας των τερματικών Η επίδραση τόσο της συχνότητας όσο και της κατανομής άφιξης των κλήσεων μπορεί να επηρεάσει δραματικά την ποιότητα κάθε δικτύου. Σε ότι αφορά την επίδραση της άφιξης κλήσεων στα σημερινά κυψελωτά CDMA συστήματα μια αρκετά εμπεριστατωμένη μελέτη παρουσιάζεται στο [23]. Η χωρητικότητα κάθε μεμονωμένης κυψελίδας εξαρτάται άμεσα από την παρεμβολή μεταξύ των διαφόρων κυψελίδων, όπως ακριβώς περιγράφεται στην παράγραφο Μια μοντελοποίηση της άφιξης των κλήσεων που χρησιμοποιείται συνήθως είναι να θεωρήσουμε πως οι αφίξεις των κλήσεων στο κελί i ακολουθούνε κατανομή Poisson με μέση τιμή λi ανεξάρτητα από άλλες νέες αφίξεις. Αντίστοιχα, μπορούμε να θεωρήσουμε 36

37 πως η εξυπηρέτηση των αιτήσεων επικοινωνίας ακολουθεί εκθετική κατανομή με μέση τιμή 1/μ και είναι ανεξάρτητη από το παρελθόν. Εννοείται πως αν το δίκτυο που μελετούμε αποτελείται από M κυψέλες, ένα τερματικό μπορεί είτε να αιτηθεί αλλαγή κυψέλης, είτε να τερματίσει την επικοινωνία του στην ίδια κυψέλη είτε να βγει από τα όρια του δικτύου. Εάν qij είναι η πιθανότητα να μετακινηθεί ο χρήστης μεταξύ των κυψελών i και j, τότε αυτή η πιθανότητα μηδενίζεται όταν οι κυψελίδες αυτές δεν είναι γειτονικές. Ως qiι ορίζουμε την πιθανότητα το τερματικό να βρίσκεται εντός της ίδιας κυψέλης i όταν ολοκληρωθεί η επικοινωνία και ως qi ορίζουμε την πιθανότητα να απομακρυνθεί το τερματικό από την λόγω κυψελίδα, βγαίνοντας τελείως από το δίκτυο. Με την λογική της παραγράφου αποδεικνύεται πως για συντελεστή παρεμβολής ανάμεσα στις διάφορες κυψελίδες κ ανά χρήστη, προκύπτει η σχέση που χαρακτηρίζει την αποδοτικότητα της CDMA διαμόρφωσης [23]: όπου N είναι ο σταθερός αριθμός συνόδων επικοινωνίας που θεωρήσαμε σε κάθε κελί. Επεκτείνοντας τον παραπάνω τύπο και εισάγοντας τον συντελεστή παρεμβολής ανά χρήστη κij, προκύπτει ότι ο στόχος του κεντρικού ελέγχου του δικτύου είναι η διατήρηση του πλήθους των κλήσεων ni ανά κελί ώστε να ισχύει η ανισότητα : ή αντίστοιχα όπου η τιμή του Γ = (Εb/I0)eff είναι παράμετρος επιλογής που χαρακτηρίζει την απαιτούμενη ποιότητα επικοινωνίας στο δίκτυο (γενικά επιλέγουμε Γ>5 για BER<0,001). Το δεξί σκέλος της τελευταίας ανίσωσης είναι απλώς σταθερά η οποία καθορίζεται από το επιθυμητό BER και γενικότερα από την επιθυμητή ποιότητα του δικτύου. Όπως φαίνεται από την ίδια ανίσωση, η χωρητικότητα σε κάθε κυψελίδα θα πρέπει να μελετηθεί πάντα σε συνάρτηση με την χωρητικότητα των υπολοίπων. Με βάση την ανισότητα αυτή, ορίζεται η περιοχή χωρητικότητας των CDMA κυψελωτών δικτύων ως το σύνολο όλων των δυνατών ρυθμίσεων δικτύου και διαχείρισης χρηστών που ικανοποιούν την ανίσωση. Ας θεωρήσουμε λοιπόν πως το διάνυσμα n = (n1, n2, n3,, nm) περιγράφει την κατάσταση του δικτύου όπου ni, είναι το πλήθος των ενεργών συνόδων επικοινωνίας στο κελί i. 37

38 Θεωρώντας πως Ωi είναι το σύνολο των πιθανών καταστάσεων πλήρους εξυπηρέτησης κλήσεων για το κελί i, δηλαδή το σύνολο των καταστάσεων n για τις οποίες ισχύει με ενεργό αριθμό καναλιών Ορίζουμε καταστάσεις αποκλεισμού Βi για το κελί i, αυτές που περιγράφονται από τη σχέση Το σύνολο αυτών των καταστάσεων n1 ως nm ουσιαστικά συνεπάγεται πως αν μια νέα αίτηση για επικοινωνία υπάρξει στην κυψέλη i (είτε από διπλανή κυψέλη είτε από καινούρια προσπάθεια ενός τερματικού), αυτή μπλοκάρεται αν η κυψέλη βρίσκεται σε μια από τις καταστάσεις που περιλαμβάνονται στην προηγούμενη εξίσωση. Σύμφωνα με τη μοντελοποίηση που περιγράφηκε νωρίτερα, η διαδικασία παραγωγής νέων αιτημάτων επικοινωνίας θα περιγράφεται από την M-διαστάσεων διαδικασία Markov από όπου προκύπτει και η πιθανότητα το δίκτυο να βρίσκεται σε μια κατάσταση n σύμφωνα με τη σχέση όπου ως pi είναι η κίνηση που προσφέρεται στην αντίστοιχη κυψελίδα και ο αντίστοιχος ρυθμός αναχωρήσεων όταν η κυψελίδα είναι στην κατάσταση ni δίνεται από τη σχέση niμ. Είναι προφανές πως πρέπει επίσης να ισχύει Επεκτείνοντας αυτή την μελέτη προκειμένου να συμπεριλάβουμε την κινητικότητα των τερματικών στους υπολογισμούς μας, θεωρούμε πως το Ai περιλαμβάνει όλες τις γειτονικές κυψελίδες της i. Επίσης θεωρούμε πως vij είναι η πιθανότητα ένα τερματικό να μετακινηθεί από την κυψέλη j στη κυψέλη i κατά τη διάρκεια μιας επικοινωνίας (οι κυψέλες i και j είναι γειτονικές). Η συνολική κίνηση που μεταφέρεται κατ αυτόν τον τρόπο είναι : ή αλλιώς 38

39 όπου pi είναι η συνολικά προσφερόμενη κίνηση στην κυψέλη i και ισούται με Η συνολική πιθανότητα αποκλεισμού τώρα για την κυψέλη i θα είναι: Σε ότι αφορά τη συνολική ρυθμοαπόδοση του δικτύου, θα πρέπει να γίνει ένας συνολικός υπολογισμός του φόρτου του. Συνολικά, αποδεικνύεται πως ο φόρτος του δικτύου περιγράφεται μαθηματικά από τη σχέση όπου wj είναι ο φόρτος που προκύπτει από την επικοινωνία της κυψελίδας που διεκπεραιώθηκε πλήρως και cj είναι ο φόρτος που προκύπτει από την απόρριψη κλήσεων λόγω αποτυχημένων μετακινήσεων μεταξύ των κυψελίδων. Εάν θεωρήσουμε wj=1 τότε ο φόρτος που περιγράφεται από την προηγούμενη σχέση περιγράφει τη ρυθμοαπόδοση του δικτύου. Μάλιστα η προηγούμενη σχέση μπορεί να γραφεί και ως εξής : όπου το v είναι το διάνυσμα του οποίου τα στοιχεία είναι οι ρυθμοί μετακίνησης των συνόδων επικοινωνίας μεταξύ των διαφόρων κυψελίδων. Το p είναι το διάνυσμα των πιθανοτήτων κάθε κατάστασης του δικτύου, Β είναι το διάνυσμα των πιθανοτήτων αποκλεισμού κλήσεων για κάθε κυψέλη, συνόδων επικοινωνίας και το διάνυσμα των συνολικών αφίξεων νέων το διάνυσμα της προσφερόμενης κίνησης στις κυψέλες. Οι παραπάνω σχέσεις μπορούνε να χρησιμοποιηθούνε προκειμένου να προκύψει ένα σύστημα γραμμικών εξισώσεων το οποίο θα περιγράφει τις πιθανότητες αποκλεισμού σε συνάρτηση με την άφιξη νέων κλήσεων. Βασικά, η επόμενη σχέση δείχνει την εξάρτηση της ρυθμαπόδοσης του δικτύου συναρτήσει της άφιξης νέων κλήσεων και οι όροι της είναι υπολογίσιμοι από τις προηγούμενες σχέσεις. Οι μαθηματικές αυτές διεργασίες είναι αρκετά επίπονες και περιγράφονται αναλυτικά στο [23]. 39

40 Στην ουσία η σχέση αυτή, περιγράφει την επίπτωση που έχει η άφιξη κλήσεων σε μια κυψελίδα, στην συνολική απόδοση του δικτύου. Έτσι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το σύστημα διαχείρισης του δικτύου προκειμένου να επιβάλλει ποινές ή επιβραβεύσεις ανάλογα με την άφιξη νέων κλήσεων στο σύστημα. Συνεπώς, η συνολική μεγιστοποίηση του throughput μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μη γραμμικό πρόβλημα βελτιστοποίησης το οποίο περιορίζεται από τις πιθανότητες μπλοκαρίσματος που περιγράφονται νωρίτερα. Στο πρόβλημα αυτό, ως ανεξάρτητες μεταβλητές λειτουργούνε οι αφίξεις νέων κλήσεων. Ας θεωρήσουμε πως είναι το μηδενικό διάνυσμα και το διάνυσμα του οποίου τα στοιχεία αντιστοιχούνε στις μέγιστες πιθανότητες αποκλεισμού κάθε κυψελίδας. Τότε το εν λόγω πρόβλημα βελτιστοποίησης περιγράφεται μαθηματικά από τη σχέση : Η επίλυση του παραπάνω προβλήματος μεγιστοποιεί θεωρητικά την απόδοση του δικτύου, έχοντας ως δεδομένη την πιθανότητα αποκλεισμού κάθε κυψελίδας η οποία ουσιαστικά προσεγγίζεται από το σύστημα διαχείρισης δικτύου με βάση την ανάδραση που αυτό διαθέτει Βελτιστοποίηση κυψελωτών CDMA δικτύων Φυσικά και προκειμένου να επιτύχουμε βέλτιστη απόδοση των κυψελωτών δικτύων, θα πρέπει κατά τη σχεδίασή τους να ληφθούνε υπ όψιν οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουνε την απόδοση τους και αναλύονται στις προηγούμενες παραγράφους. Στην ενότητα αυτή, θα επιχειρήσουμε να εστιάσουμε στις παραμέτρους σχεδίασης οι οποίες συνάδουν με τις ιδιαιτερότητες των RoF δικτύων. Στο [24] περιγράφονται κάποιες αρχές σχεδίασης των εν λόγω δικτύων με βάση τη μαθηματική μελέτη των δύο προηγούμενων παραγράφων. Η βελτιστοποίηση που 40

41 προτείνεται εκεί, στοχεύει στην καλύτερη δυνατή γεωγραφική τοποθέτηση των κυψελίδων συναρτήσει του μεταβλητού μεγέθους τους με στόχο την ελαχιστοποίηση της παρεμβολής. Η μεταβλητότητα του μεγέθους των κυψελών στα σημερινά CDMA συστήματα προκαλεί την ανάγκη αλλαγής ισχύος εκπομπής των τερματικών όπως επίσης και άνιση κατανομή των χρηστών στις κυψελίδες. Αυτό συνεπάγεται την αύξηση της παρεμβολής μεταξύ των κυψελίδων και μάλιστα εις βάρος αυτών που συνορεύουνε με μεγαλύτερες. Στα RoF δίκτυα αυτό το πρόβλημα δεν υφίσταται καθώς μιλάμε ούτως ή άλλως για πολύ μικρές κυψελίδες. Ακόμη και αν το μέγεθός τους μεταβάλλεται, η μεταβολή στην ισχύ εκπομπής του τερματικού θα είναι πολύ μικρή και έτσι δεν έχει νόημα να συμπεριληφθεί στη σχεδίαση του δικτύου. Ακόμη περισσότερο δεν έχει νόημα να συμπεριληφθεί στον έλεγχο του δικτύου ο οποίος θα επιβαρυνθεί αισθητά (δεδομένου του πλήθους των κυψελίδων και της κεντρικής αρχιτεκτονικής του ελέγχου), χωρίς να επιφέρει ουσιαστικό αντίκρισμα στην απόδοσή του. 2.5 To CDMA στα RoF δίκτυα Η μελέτη των παραγόντων που επηρεάζουν την απόδοση των CDMA δικτύων και παρουσιάστηκε στην προηγούμενη ενότητα έγινε με βάση τα CDMA κυψελωτά δίκτυα που είναι εγκατεστημένα στις μέρες μας. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από αυτή, δε μπορούν να μεταφερθούν αυτούσια στα RoF δίκτυα αλλά θα πρέπει να προσαρμοστούνε στις ιδιαιτερότητές τους. Για παράδειγμα, τα σημερινά δίκτυα χρησιμοποιούνε στατικές κυψέλες και έτσι η μελέτη της παρεμβολής στα RoF θα πρέπει να λάβει υπ όψιν της τις διάφορες ιδιαιτερότητες που εισάγει η χρήση της MEC, είτε στατικής είτε δυναμικής. Ένας άλλος παράγοντας που πιθανώς επηρεάζει την ποιότητα της χρήσης του CDMA είναι η σημαντική μετατόπιση στο πεδίο της συχνότητας. Η χρήση του φάσματος των 60 GHz μπορεί να αποβεί καθοριστική στην συνεισφορά παραγόντων όπως είναι η σκέδαση Rayleigh, παράμετρος που επηρεάζει σημαντικά την παρεμβολή μεταξύ κυψελίδων σύμφωνα με την ανάλυση της παραγράφου Παρεμβολή στα RoF Το φάσμα στην περιοχή των 60GHz φαίνεται ότι είναι η καλλίτερη επιλογή για τα RoF δίκτυα. Η μελέτη των ιδιαιτεροτήτων που εμφανίζει η παρεμβολή σε αυτήν την περιοχή είναι εξαιρετικά κρίσιμη, αφού συνολικά η παρεμβολή μεταξύ διαφόρων κυψελίδων είναι ο κυριότερος παράγοντας που περιορίζει την απόδοση των CDMA δικτύων. Στα σημερινά CDMA δίκτυα ένα μεγάλο μέρος της παρεμβολής οφείλεται στις μεγάλες διαφορές μεγέθους που έχουνε κάποιες γειτονικές κυψέλες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα τερματικό που βρίσκεται στα όρια αλλά εντός της μεγάλης κυψέλης (εικόνα 2.20) να εκπέμπει με μεγάλη ισχύ προκαλώντας σοβαρή παρεμβολή στην κεραία της μικρής κυψέλης. 41

42 Εικόνα 2-20 Το πρόβλημα αυτό δεν υπάρχει στα RoF δίκτυα γιατί οι κυψέλες είναι αναγκαστικά περιορισμένης ακτίνας και μάλιστα μικρής. Έτσι, οι διαφορές στα μεγέθη τους θα είναι πολύ μικρές, κάνοντας τη συνεισφορά του παραπάνω μεγέθους στη συνολική παρεμβολή ανάξια λόγου. Μελετώντας τις εξισώσεις που αναλύονται στην παράγραφο 2.4.1, βλέπουμε ότι ένα μέγεθος που θα μπορούσε να μεταβάλλεται όταν μεταφερόμαστε στο πεδίο των 60GHz είναι η σκέδαση Rayleigh. Παρόλα αυτά το φαινόμενο Rayleigh στην ουσία μοντελοποιείται στοχαστικά και δεν φαίνεται να σχετίζεται άμεσα με την συχνότητα. Επίσης, η μείωση των αποστάσεων του τερματικού και της κεραίας συνεισφέρει σημαντικά στην μείωση της επίδρασης ή ακόμη και στην εξάλειψη των οποιονδήποτε τέτοιου είδους μη γραμμικών φαινομένων. Ένα μέγεθος της συγκεκριμένης ανάλυσης που φαίνεται να υφίσταται διαφοροποιήσεις είναι αυτό που περιγράφει την γεωμετρική κατανομή των χρηστών. Η υπόθεση ότι οι χρήστες κατανέμονται γεωγραφικά εντός της εκάστοτε κυψελίδας, με βάση μια δισδιάστατη Gaussian κατανομή ίσως να παραμένει μια καλή υπόθεση για τα RoF δίκτυα. Αυτό που αλλάζει σίγουρα είναι οι παράμετροι που καθορίζουνε την κατανομή, δηλαδή τα μ και σ της επόμενης σχέσης : Για την ακρίβεια, στα RoF δίκτυα το πολύ μικρό μέγεθος της κυψελίδας αλλάζει τα χαρακτηριστικά της κατανομής αυτής και ίσως η Gaussian κατανομή να μην είναι η καλλίτερη επιλογή. Παρόλα αυτά, για λόγους απλότητας θα μπορούσαμε να το παρακάμψουμε και να συνεχίσουμε τη μελέτη με Gaussian κατανομή, θεωρώντας ότι το σύστημα διαχείρισης του δικτύου να μεταβάλλει τις τιμές των μ και σ ώστε η κατανομή να ανταποκρίνεται όσο το δυνατόν περισσότερο στην πραγματικότητα. Ο τρόπος αλλαγής ή καθορισμού αυτής της κατανομής αφορά αποκλειστικά το σύστημα διαχείρισης του δικτύου. Το επόμενο βήμα για την μελέτη της παρεμβολής στο RoF δίκτυα είναι η χρήση ενός μοντέλου διάδοσης προσαρμοσμένο στα 60 GHz. Από εκεί ίσως θα μπορούσαμε να καταλήξουμε σε πιο σαφή συμπεράσματα και να τα εισάγουμε απευθείας στην σχέση η 42

43 οποία καθορίζει άμεσα την ποιότητα επικοινωνίας του τερματικού με την RAU. Μια τέτοια μελέτη θα μπορούσε να γίνει με βάση το CCAP [30], ακολουθώντας και πάλι τη μελέτη της ενότητας 2.4. Για την ακρίβεια θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ένα μοντέλο διάδοσης αντίστοιχο με το COST-231, που έχει αναπτυχθεί για τα σημερινά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Οι παράμετροι που είναι κρίσιμοι και εξαρτώνται άμεσα από το πεδίο της συχνότητας είναι για παράδειγμα ο λόγος της παρεμβολής που φαίνεται από τη μεριά του τερματικού προς τον θόρυβο Οι παράμετροι W,R και α καθορίζονται από το QoS που απαιτεί το τερματικό για να επικοινωνήσει και συνεπώς είναι υπό τον πλήρη έλεγχο του συστήματος διαχείρισης και δεν σχετίζονται με την επιλογή των 60GHz Επίδραση της MEC Η παρεμβολή μεταξύ των κυψελίδων υπάρχει είτε αυτές ανήκουνε στην ίδια MEC είτε όχι. Συνεπώς, η μελέτη της ενότητας 2.4 σε ότι αφορά την χωρητικότητα του δικτύου δεν επηρεάζεται καθόλου από την ύπαρξη της MEC, ανεξαρτήτως αν αυτή είναι δυναμική ή όχι. Αυτό το οποίο αλλάζει και θα πρέπει οπωσδήποτε να συμπεριληφθεί στο MEC σχήμα που προτείνουμε, είναι οι πιθανότητες αποκλεισμού που προκύπτουνε από την χρήση του CDMA και περιγράφονται στην παράγραφο Οι συνολικές πιθανότητες αποκλεισμού μιας κλήσης θα πρέπει να αποτελούνε συντελεστή ποιότητας, ο οποίος καθορίζει άμεσα την συμπεριφορά του συστήματος διαχείρισης του δικτύου. Σύμφωνα με την ανάλυση της παραγράφου 2.4.3, η συνολική πιθανότητα αποκλεισμού μιας νέας κλήσης για την κυψέλη i δίνεται από τη σχέση : όπου n είναι το διάνυσμα που περιέχει ως καταστάσεις τις κυψελίδας που οδηγούνε σε αποκλεισμό και το δεξί σκέλος της εξίσωσης δίνεται από τη σχέση: όπου 43

44 Στην περίπτωση των RoF δικτύων που χρησιμοποιείται MEC, η πιθανότητα αποκλεισμού μιας κλήσης λόγω παρεμβολής θα πρέπει να προστεθεί στην πιθανότητα απώλειας κλήσης λόγω κινητικότητας του χρήστη. Η πιθανότητα απώλειας κλήσης λόγω κινητικότητας του τερματικού δίνεται από τη μελέτη της παραγράφου 2.3 στην περίπτωση της δυναμικής MEC ή της παραγράφου 2.1 στην περίπτωση της στατικής MEC. Στην ουσία, οι σχέσεις αυτής της παραγράφου καθορίζουνε τον τρόπο διαχείρισης του δικτύου. Αυτό είναι συνώνυμο με την επίλυση των προβλημάτων βελτιστοποίησης που περιγράφονται στις παραγράφους και [23]. Ο στόχος είναι το σύστημα διαχείρισης δικτύου να χειριστεί με βέλτιστο τρόπο τις παραμέτρους n, W, R και Eb για δεδομένη συνολική πιθανότητα απώλειας κλήσης. Ο χειρισμός των εν λόγω παραμέτρων είναι εντελώς άσχετος από την υπόθεση της MEC, καθώς δεν φαίνεται να υπάρχει κανενός είδους ανταγωνιστικός παράγοντας. 44

45 3. Έλεγχος των RoF δικτύων Είναι ήδη σαφές πως ο έλεγχος των RoF δικτύων θα πρέπει να είναι αυστηρά κεντρικός, προκειμένου να μειώσουμε όσο το δυνατόν περισσότερο το κόστος των κεραιών και του δικτύου συνολικότερα. Έτσι τον έλεγχο της επικοινωνίας με τον κάθε συνδρομητή θα έχει ένα κεντρικός σταθμός επεξεργασίας το Central Office (CO), το οποίο και θα ελέγχει την πρόσβαση σε έναν μεγάλο αριθμό από RAUs (Remote Antenna Units). Είναι προφανές ότι το υπολογιστικό φορτίο που θα πρέπει να σηκώσει το CO μπορεί να εκτοξευτεί, αν αναλογιστεί κανείς ότι θα πρέπει τέτοιου είδους δίκτυα να έχουν τη δυνατότητα παροχής πολλών και ετερόκλητων υπηρεσιών, συνδυασμένες με Quality of Service. Σε όλα τα παραπάνω θα πρέπει να προστεθούνε και υπολογιστικά επίπονες διαδικασίες όπως είναι αυτή της δυναμικής μορφοποίησης της MEC ή η διατήρηση της συνολικής ποιότητας του δικτύου χρησιμοποιώντας τη μαθηματική μελέτη που προηγήθηκε. Αν και οι τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούνε τελικά μένουνε να αποφασιστούνε μετά από προσομοιώσεις, παρόλα αυτά η ελαχιστοποίηση του υπολογιστικού κόστους θα πρέπει να καθορίσει την αρχιτεκτονική ελέγχου του CO. Προκειμένου οι διαδικασίες ελέγχου του Central Office να είναι απλούστερες και καλλίτερα κλιμακούμενες, θα πρέπει το λογισμικό που αναλαμβάνει τις διαδικασίες δρομολόγησης των δεδομένων και γενικότερα τον έλεγχο του δικτύου να είναι όσο το δυνατόν καλλίτερα δομημένο. Η δομή του εν λόγω λογισμικού θα πρέπει να φροντίζει για την όσο το δυνατόν καλλίτερη κατανομή του υπολογιστικού φόρτου, καθώς και για την ευέλικτη μεταφορά του ελέγχου των χρηστών μεταξύ των διαφόρων COs του δικτύου. Η προσαρμογή των χαρακτηριστικών του δικτύου στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε χρήστη θα πρέπει να θεωρείται αυτονόητος στόχος. Αυτή η προσαρμογή όπως και η απόλυτη ανάγκη για ευελιξία οδηγούνε στην χρήση ενός Πολυπρακτορικού Συστήματος Διαχείρισης Δικτύου το οποίο θα λειτουργεί σε κάθε CO (4G MACUN - 4G Multi Agent Control Unit of Network). Το 4G MACUN αποτελεί στην ουσία ένα framework λογισμικού προσομοιώσεων το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή διάφορων προσεγγίσεων και τη συγκριτική τους μελέτη. Παράπλευρα, αποτελεί και μια πρόταση για την υλοποίηση του κεντρικού μηχανισμού ελέγχου ενός RoF δικτύου, κάτι που αποτελεί στόχο της παρούσης εργασίας. Το 4G MACUN προσαρμοσμένο στις λεπτομέρειες του επιλεγμένου σχήματος ελέγχου, θα μπορεί να διαχειρίζεται συνολικά τον έλεγχο του δικτύου από το MAC επίπεδο στη RAU, μέχρι και την διαχείριση πληροφοριών υψηλότερου επιπέδου με τα κεντρικά όπως χρεώσεις ή την παροχή εξατομικευμένων υπηρεσιών. Στόχος της παρούσης εργασίας δεν είναι η πλήρης υλοποίηση του συγκεκριμένου σχήματος ελέγχου αλλά μια πρώτη πρόταση για αυτό καθώς και η υλοποίησή του στο βαθμό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της έννοιας της MEC. Η δομή του εν λόγω συστήματος διαχείρισης αίρει την ανάγκη μιας ιεραρχικής δομής διαχείρισης όπως αυτή που υπάρχει στα σημερινά συστήματα κινητής τηλεφωνίας, απλοποιώντας κατά πολύ την διαδικασία ελέγχου. Παράλληλα, παρέχει τα απαραίτητα χαρακτηριστικά ευελιξίας και κλιμάκωσης ώστε το δίκτυο να είναι διαφανές και προσαρμόσιμο σε όποιον καινούριο τύπο επικοινωνίας προκύψει στο μέλλον. 45

46 3.1 4G MACUN - Κεντρική ιδέα Το 4G MACUN είναι ένα πειραματικό framework το οποίο υλοποιεί ένα σύστημα ελέγχου προσαρμοσμένο στα RoF δίκτυα. Η σχεδίαση του είναι ανεξάρτητη από το ασύρματο υπόβαθρο λειτουργίας. Διατηρώντας το σχήμα ελέγχου όσο το δυνατόν πιο διαφανές, μας δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε το σύστημα σε συγκριτικές δοκιμές προκειμένου να αξιολογήσουμε την απόδοση των διαφόρων τεχνικών διαχείρισης κατώτερου επιπέδου. Η σχεδίασή του συστήματος επιτρέπει την τμηματική υλοποίησή τους χωρίς να μειώνει τη δυνατότητα χρήσης του για σενάρια προσομοιώσεων. Καταρχήν θα πρέπει να τεθεί ένας ορισμός της έννοιας πράκτορας, πάντα στο πλαίσιο του 4G MACUN. Ο όρος Πράκτορας Λογισμικού προέρχεται από τα πεδία της τεχνητής νοημοσύνης και έχει μέχρι στιγμής σταθεί αδύνατον να βρεθεί ένας ορισμός που να καλύπτει όλες τις πιθανές εφαρμογές τέτοιων οντοτήτων λογισμικού. Παρόλα αυτά, όλοι συμφωνούν πως με τον όρο Πράκτορας Λογισμικού, αναφερόμαστε σε μια οντότητα λογισμικού που λειτουργεί αυτόνομα και εκμεταλλευόμενη τα ερεθίσματα του περιβάλλοντος είναι σε θέση είτε να συμπεράνει, είτε να λάβει αποφάσεις είτε να σχεδιάσει ενέργειες προκειμένου να επιτύχει προκαθορισμένους στόχους. Συνεπώς, οι πράκτορες του 4G MACUN έχουν την ευθύνη διαχείρισης του δικτύου μεταβάλλοντας τις παραμέτρους επικοινωνίας κάθε τερματικού, προκειμένου να επιτύχουν την καλλίτερη δυνατή εκμετάλλευση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Είναι αυτονόητο πως οι εν λόγω πράκτορες θα λειτουργούνε με βάση κανόνες οι οποίοι τίθενται από το κεντρικό σύστημα ελέγχου το οποίο διατηρεί λεπτομέρειες πρόσβασης για κάθε χρήστη. Το πλεονέκτημα της χρήσης πρακτόρων στη διαχείριση των 4G δικτύων, είναι η προσαρμογή τους στις παρούσα κατάσταση του δικτύου η οποία μεταβάλλεται δυναμικά. Με τον τρόπο αυτό ελπίζουμε πως θα ελαχιστοποιήσουμε τα επίπεδα ιεραρχίας και της διαχείρισης του δικτύου, θα ελαχιστοποιήσουμε την ανταλλαγή των μηνυμάτων ελέγχου μεταξύ των διαφόρων δομικών του μονάδων, θα ελαφρύνουμε το υπολογιστικό κόστος που μετατίθεται στο CO και να βελτιώσουμε γενικά την απόδοση του δικτύου για τον τελικό χρήστη. Η βασική ιδέα της κεντρικής σχεδίασης του 4G MACUN περιλαμβάνει την ύπαρξη ενός Administrator Agent (ΑΑ) ο οποίος θα είναι αφιερωμένος αποκλειστικά και μόνο σε συγκεκριμένο CO. Ο ΑΑ θα είναι το κομμάτι λογισμικού που διατηρεί επίκαιρη γνώση της συνολικής κατάστασης του δικτύου (πχ μετρήσεις απόδοσης κλπ) και ενημερώνει τα κεντρικά για την κατάσταση των χρηστών που επικοινωνούνε υπό τον έλεγχό του. Παράλληλα, ο AA θα έχει τον συνολικό έλεγχο του CO, εξασφαλίζοντας την ορθή λειτουργία του συστήματος επικοινωνώντας όταν χρειάζεται με τους αντίστοιχους πράκτορες των γειτονικών COs (εικόνα 3-1). Σε περίπτωση που υπάρξει αίτημα για καινούρια σύνοδο επικοινωνίας εντός της περιοχής ευθύνης του, ο AA αναλαμβάνει να εκκινήσει και να αρχικοποιήσει έναν κατάλληλο Service Agent ο οποίος θα εξυπηρετήσει το συγκεκριμένο τερματικό που αιτήθηκε την επικοινωνία. Ο συγκεκριμένος Service Agent διαχειρίζεται την επικοινωνία του συγκεκριμένου τερματικού στο σύνολό της. Ως παράδειγμα της αξίας χρήσης του πολυπρακτορικού μοντέλου μπορεί να χρησιμοποιηθεί η περίπτωση που το τερματικό μετακινηθεί μεταξύ της ευθύνης ελέγχου 46

47 δύο διαφορετικών CΟs. Τότε θα μπορούσανε οι δύο AAs να συνεννοηθούν ώστε ο Service Agent του συγκεκριμένου τερματικού να μετακινηθεί από το ένα CO στο άλλο προκειμένου το τερματικό να συνεχίσει την επικοινωνία του με απόλυτη διαφάνεια. Συνεπώς, οι Service Agents δεν τρέχουνε αποκλειστικά εντός ενός CO αλλά μετακινούνται προκειμένου να εξυπηρετήσουνε το τερματικό στο οποίο είναι αφιερωμένοι με αποτέλεσμα να έχουμε πλήρη ευελιξία στην εξυπηρέτηση κάθε χρήστη, προσαρμόζοντας την απόκριση του δικτύου στις ιδιαιτερότητες κάθε χρήστη. Communication channel between COs Administrator Agent 3 s CO en twe l be e ann ch Optical Transmission Administrator Agent 2 Central Office 3 RAU #6 n atio nic mu m Co Optical Transmission RAU #5 atio unic mm o C ha nc t l be nn e en we s Co Optical Transmission Central Office 2 Optical Transmission RAU #3 RAU #4 Administrator Agent 1 Central Office 1 Optical Transmission Optical Transmission RAU #2 RAU #1 Εικόνα 3-1 Το πώς θα λειτουργεί ο Service Agent προκειμένου να εξυπηρετήσει το κάθε τερματικό καλλίτερα, εξαρτάται από τις παραμέτρους που του δίνονται κατά την αρχικοποίηση, χωρίς αυτό να αποτελεί προδιαγραφή του MACUN framework, αλλά επιλογή κατά τη διαδικασία της συγκεκριμένης μοντελοποίησης δικτύου. Όταν υπάρξει μια καινούρια αίτηση επικοινωνίας, ο Administrator Agent θα πρέπει να επικοινωνήσει με τα κεντρικά προκειμένου να ξέρει τα προνόμια επικοινωνίας που διαθέτει ο συγκεκριμένος χρήστης. Ανάλογα με αυτά τα προνόμια και την ακριβή φύση της επικοινωνίας που αιτείται ο χρήστης, ο ΑΑ εκκινεί τον Service Agent αρχικοποιώντας τον κατάλληλα. Έτσι ο Service Agent μπορεί να επιλέξει την βέλτιστη στρατηγική εξυπηρέτησης του συγκεκριμένου χρήστη, πάντα σε αναλογία με την κατάσταση που επικρατεί στο δίκτυο (εικόνα 3-2). Συνολικά, ο Administrator Agent θα έχει υπ ευθύνη του τα βασικά χαρακτηριστικά πρόσβασης κάθε χρήστη, όπως είναι για παράδειγμα ποιο chip code θα του ανατεθεί για το επίπεδο της CDMA πρόσβασης ή ποιο ακριβώς φάσμα θα καταλάβει το τερματικό στην 47

48 περίπτωση κάποιου FDMA σχήματος. Τέτοιου είδους παράμετροι πρέπει να οριστούν από μια οντότητα που έχει συνολική γνώση του συστήματος. Ο Service Agent που εξυπηρετεί τον χρήστη έχει την ευθύνη να καθορίσει εξατομικευμένες παραμέτρους επικοινωνίας όπως είναι για παράδειγμα η δυναμική διαμόρφωση της MEC. Η σχεδίαση της λειτουργίας των παραπάνω πρακτόρων θα πρέπει να γίνει με βάση το δομικό διάγραμμα του CO καθώς θα πρέπει να καθοριστεί σαφώς ποιος θα έχει τον έλεγχο των συγκεκριμένων hardware modules. Com mun icati on S essi on Optical Transmission RAU #3 ss tion Se unica Comm Administrator Agent Service agent ion Service agent Central Office Optical Transmission Service agent RAU #4 Optical Transmission Service agent ion ess on S icati mun m o C Co mm un ica t io ns es sio n Sess ion Com munic ation C om m un ica tio n Se ss ion Service agent Service agent Optical Transmission RAU #1 Εικόνα 3-2 Η προηγούμενη εικόνα παρουσιάζει με τρόπο διαισθητικό τη λειτουργία του πολυπρακτορικού συστήματος. Σύμφωνα με αυτό το σχήμα ελέγχου, κάθε CO διαθέτει έναν Administrator Agent ο οποίος έχει τη συνολική διαχείριση του CO και δημιουργεί έναν Service Agent για κάθε τερματικό που αιτείται επικοινωνίας. Από αυτό το σχήμα γίνεται προφανής η ανάγκη διατήρησης όλων των διαδικασιών όσο το δυνατόν απλούστερων, καθώς το υπολογιστικό κόστος διαχείρισης από τη μεριά του CΟ μπορεί πολύ εύκολα να γιγαντωθεί. Στο σκιασμένο κομμάτι της επόμενης εικόνας φαίνεται πως όταν κάποιο τερματικό μετακινηθεί από τα γεωγραφικά όρια του ενός CO στα όρια του διπλανού του, τότε οι δύο Administrator Agents θα μπορούνε να επικοινωνήσουνε προκειμένου να γίνει και η κατάλληλη κατανομή των πόρων του δικτύου. Για την ακρίβεια, ο ΑΑ στο CO που ετοιμάζεται να υποδεχτεί τον χρήστη θα μπορούσε να μη δημιουργεί έναν καινούριο Service Agent αλλά να υποδέχεται τον ίδιο Service Agent που εξυπηρετούσε τον χρήστη και στο προηγούμενο CO. 48 RAU #2

49 Με τη διαδικασία αυτή, το CO υποδοχής δεν χρειάζεται να επαναλάβει τις διαδικασίες εγγραφής καινούριου χρήστη, διαθέτει πλήρη γνώση για την προηγούμενη επικοινωνία του τερματικού και έτσι μπορεί να προσαρμόσει τη διαδικασία της μετακίνησης ελαχιστοποιώντας τις πιθανότητες διακοπής της επικοινωνίας κατά τη μετακίνηση. Με τον τρόπο αυτό, ελαχιστοποιούνται τα μηνύματα ελέγχου που πρέπει να μετακινηθούνε ασύρματα κατά τη μετακίνηση, αυξάνοντας ελαφρά το φορτίο από τη μεριά της οπτικής ίνας μεταξύ των δύο COs αφού θα πρέπει να μετακινηθεί ο ίδιος ο πράκτορας. Communication for arrang ements Administrator Agent 2 Administrator Agent 1 M ovem en t Service agent Central Office 1 Com muni catio n Se ssio n Central Office 2 Optical Transmission Optical Transmission es sio n Service agent Optical Transmission Commu nication t en em ov M RAU #3 Service agent Co mm un ica t io ns Session RAU #4 Co m mu nic at ion Se ss ion Optical Transmission Service agent RAU #1 Εικόνα Αρχιτεκτονική Central Office Προκειμένου να υλοποιηθεί το οποιοδήποτε προτεινόμενο σχήμα ελέγχου, θα πρέπει καταρχήν να αποφασιστεί μια λογική δομή στην οποία βασίζεται το CO. Είναι προφανές πως το υλικό του CO θα είναι ειδικά σχεδιασμένο για να υλοποιεί την επιλεγμένη στρατηγική ελέγχου. Συνεπώς μπορούμε να θεωρήσουμε μια γενική αρχιτεκτονική η οποία θα συγκεκριμενοποιείται όσο αυξάνονται οι λεπτομέρειες ελέγχου του δικτύου. Το μοντέλο του CO που παρουσιάζεται σε αυτήν την ενότητα θεωρείται αρκετά γενικό ώστε να αποτελεί και τη βάση για την υλοποίηση κάθε δικτύου που χρησιμοποιεί το 4G MACUN για τον έλεγχό του. Άλλωστε, χωρίς αυτό να αποτελεί μονόδρομο, το συγκεκριμένο μοντέλο φαίνεται να ακολουθείται συνήθως στη διεθνή αρθρογραφία. 49 RAU #2

50 Στην εικόνα 3-4 φαίνεται η λογική δομή ενός CO το οποίο θα πρέπει να διαθέτει από μια Base Station (BS) μονάδα αφιερωμένη σε κάθε RAU. Το BS είναι το υλικό το οποίο είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία του οπτικού σήματος που θα μεταφερθεί στη συγκεκριμένη RAU. Μπορεί να θεωρηθεί ως μια κάρτα δικτύου η οποία τοποθετείται κάθε φορά που εισάγεται μια καινούρια RAU στην περιοχή ελέγχου ενός CO. Τελικά, το οπτικό σήμα από όλα τα BSs πολυπλέκονται και μεταφέρονται στην οπτική ίνα η οποία μεταφέρει το σήμα στις τελικές RAU μέσω μιας τοπολογίας οπτικού δακτυλίου. Η πολυπλεξία του σήματος μέσα στην ίνα δεν έχει μελετηθεί μέχρι στιγμής στο παρόν κείμενο. Αν και είναι αποκλειστικά υπόθεση του BS το οποίο και δεν μας ενδιαφέρει άμεσα, θα μπορούσε να βασίζεται σε ένα CDMA ή OFDM σχήμα, οπτικό αυτήν τη φορά. Όπως και να χει όμως, δεν επηρεάζει άμεσα τα ανώτερα επίπεδα διαχείρισης του δικτύου τα οποία στην παρούσα μελέτη μπορούνε να θεωρούνε ότι αφού το σήμα φτάνει στο BS τότε θα μεταδοθεί στην αντίστοιχη RAU. Η μελέτη της πολυπλεξίας του σήματος στο επίπεδο της οπτικής ίνας θα γίνει σε άλλη ενότητα. Εικόνα 3-4 Ο έλεγχος των BSs θα είναι πολύ χαλαρός. Θα μπορεί οποιοσδήποτε Service Agent θέλει να αποστέλλει ή να λαμβάνει προς μετάδοση πληροφορία απευθείας στα BS που αποτελούν τη MEC του χρήστη που εξυπηρετεί. Θα πρέπει να γίνει σαφές πως οι οπτικοί σύνδεσμοι επικοινωνίας που φαίνονται στις εικόνες 3-1 ως 3-3 δεν είναι αναγκαστικά οπτικές ίνες. Θα μπορούσανε να αποτελούνται μια ίνα η οποία ακολουθεί αρχιτεκτονική διαύλου, μοιράζοντας το σήμα στις διάφορες RAU του εκάστοτε CO. 50

51 Optical Multiplexing BS Optical Hub Optical Bus 1 BS BS BS BS Optical Hub Optical Multiplexing Optical Bus 2 Εικόνα 3-5 Κατά πάσα πιθανότητα, στην πράξη θα ακολουθηθεί μια μικτή στρατηγική προκειμένου να ικανοποιήσουμε τους περιορισμούς κόστους. Η εικόνα 3-5 δείχνει την καλωδιακή υποδομή που θα υποθέσουμε στη συγκεκριμένη μελέτη. Προκειμένου να αποφύγουμε λεπτομέρειες οι οποίες δεν έχουνε νόημα στην παρούσα φάση, μπορούμε να θεωρούμε ότι τα BSs λειτουργούνε ισοδύναμα και διαθέτουνε ακριβώς τις ίδιες δυνατότητες ανεξαρτήτως της καλωδιακής υποδομής που παίζει από κάτω. Η πληροφορία που θα λαμβάνεται από τα τερματικά σε κάθε BS μέσω της αντίστοιχης RAU, θα δημοσιεύεται χρησιμοποιώντας μια blackboard τεχνική. Έτσι κάθε Service Agent θα διαβάζει το blackboard στο οποίο εγγράφει κάθε BS που ανήκει στη MEC του τερματικού το οποίο εξυπηρετεί. Ο διαχωρισμός της πληροφορίας θα γίνεται μέσω ενός μοναδικού αναγνωριστικού για το συγκεκριμένο τερματικό όπως θα μπορούσε να είναι το CDMA chip code και έτσι κάθε πράκτορας θα λαμβάνει την πληροφορία που τον ενδιαφέρει και θα τη διαγράφει στη συνέχεια. Αυτή η διαδικασία είναι εξαιρετικά απλή, χωρίς να απαιτεί κανενός είδους συντονισμό μεταξύ των Service Agents μειώνοντας κατά πολύ το υπολογιστικό κόστος (εικόνα 3-6). Αντίστοιχα θα λειτουργεί και το download stream προς τα τερματικά. Για την ακρίβεια, θα χρησιμοποιείται και πάλι ένα blackboard για κάθε BS από το οποίο το BS θα διαβάζει τα προς αποστολή μηνύματα και θα τα αποστέλλει απευθείας στα τερματικά. Με το που ολοκληρωθεί η διαδικασία αυτή, το μήνυμα αυτό θα διαγράφεται από το BS. Αυτή η προσέγγιση είναι αρκετά γενική ώστε να θεωρηθεί ως δεδομένη στην υλοποίηση κάθε συστήματος ελέγχου που βασίζεται στο MACUN. 51

52 Administrator Agent Service agent 1 Pa ck et 1 Chip 1 te 1 to ket Pac to ter mi nal 1 Blackboard content BS 1 BS 2 Service agent 2 Chip 2 Chip 1: Packet 1 from terminal 1 Chip 2: Packet 1 from terminal 2 Chip1: Packet 1 to terminal 1 Chip 1: Packet 2 from terminal 1 Chip 2: Packet 2 from terminal 2 Chip2: Packet 1 to terminal 2 Packet 1 from terminal 1 Packet 2 from terminal 1 2 nal rmi BS 3 BS 4 Packet 1 from terminal 2 Packet 2 from terminal 2 Blackboard content BS 5 BS 6 BS 7 Εικόνα 3-6 Στην εικόνα 3-6 φαίνεται πως δύο Service Agents που έχουνε το ίδιο BS στη MEC τους μπορούνε να επικοινωνούνε με τα τερματικά τους μέσω του συγκεκριμένο BS. Τα μηνύματα προς τα τερματικά έχουνε κόκκινο χρώμα ενώ τα μηνύματα από τα τερματικά έχουνε μαύρο χρώμα. Η λογική αυτή θα πρέπει να επεκταθεί για κάθε Service Agent σε όλα τα BSs που συμμετέχουνε στη MEC των τερματικών. 3.3 Σχεδίαση 4G MACUN framework Στην παράγραφο αυτό θα επιχειρήσουμε να θέσουμε κάποιες βασικές προδιαγραφές της λειτουργικότητας και της σχεδίασης του 4G MACUN. Αυτές θα αφορούνε τόσο τον τρόπο επικοινωνίας των πρακτόρων όσο και της απόκρισής τους στα αιτήματα των τερματικών, πάντα σε αναλογία με την κατάσταση του δικτύου. Επίσης, θα επιχειρήσουμε να προδιαγράψουμε τις παραμέτρους επικοινωνίας που θα χρησιμοποιούνται ως μέτρο της ποιοτικής κατάστασης του δικτύου, καθώς και τις ενέργειες που θα πρέπει να κάνουνε οι πράκτορες προκειμένου να τη βελτιώσουνε. Διευκρινίζω πως σε αυτή την παράγραφο περιγράφεται η γενική σχεδίαση του συστήματος. Είναι αυτονόητο πως προκειμένου να συγκριθούνε τα διάφορα σχήματα πολυπλεξίας ή αντίστοιχα τα διάφορα πρωτόκολλα επικοινωνίας, οι πράκτορες θα πρέπει να λειτουργούνε διαφορετικά αφού θα αλλάξουνε οι στρατηγικοί τους στόχοι. Συνεπώς το 4G MACUN 52

53 framework αποτελεί ένα γενικό σκελετό ο οποίος δεν προκαθορίζει λεπτομέρειες αλλά έα γενικό σχήμα ελέγχου. Για παράδειγμα, η διαμόρφωση της MEC δε μπορεί να θεωρηθεί ίδια στην περίπτωση της FDM πολυπλεξίας με την περίπτωση χρήσης CDMA. Οι διαφοροποιήσεις που αφορούνε τη στρατηγική της ασύρματης πολυπλεξίας, θα υποδειχθούνε στις αντίστοιχες ενότητες, όπου επιδεικνύεται και η υλοποίηση του ελέγχου για συγκεκριμένα σχήματα πολυπλεξίας. Η περιγραφή της λειτουργικότητας του MACUN θα πρέπει να γίνει χρησιμοποιώντας ένα τυπικό σενάριο επικοινωνιακής συνόδου. Σύμφωνα με αυτό, τα CO ελέγχουν κάποιες RAUs στις οποίες υπάρχουνε ήδη ενεργές σύνοδοι επικοινωνίας κάποιες από τις οποίες τερματίζονται ενώ παράλληλα δημιουργούνται και καινούριες. Επιπλέον, στο σενάριο μας θα υποθέσουμε ότι υπάρχουνε κινούμενα τερματικά για τα οποία το MACUN θα πρέπει να αποφασίσει τη μορφή της MEC τους όπως επίσης και τη μετακίνησή τους μεταξύ των διαφόρων COs. Παράλληλα, θα πρέπει να ληφθεί πρόνοια για τις πληροφορίες που ο εκάστοτε AA ανταλλάσσει με τα κεντρικά του συστήματος. Στο σενάριο μας θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν δηλαδή ότι υπάρχει ένας κεντρικός server ο οποίος έχει καταχωρημένα όλα τα στοιχεία πιστοποίησης κάθε χρήστη, καθώς και τα δικαιώματα επικοινωνίας τα οποία μπορεί να χρησιμοποιήσει το πιστοποιημένο τερματικό. Αυτού του είδους οι πληροφορίες είναι διαθέσιμες σε κάθε AA χωρίς να μας ενδιαφέρει ο τρόπος λειτουργίας στα ανώτερα επίπεδα της αρχιτεκτονικής του δικτύου που τείνουν προς το backbone. Ως βασική προδιαγραφή, ορίζεται πως η επικοινωνία των πρακτόρων θα γίνεται με χρήση της Agent Communication Language (ACL), προτυποποιημένη από την FIPA [31] εδώ και πολύ καιρό. Μέσω αυτής της επικοινωνίας, οι Service Agents θα αιτούνται δικτυακούς πόρους από τον Administrator Agent και αυτός θα απαντά αντίστοιχα. Επίσης, οι Service Agents θα ενημερώνουνε τον Administrator Agent για την κατάσταση του δικού τους τερματικού προκειμένου ο AA να είναι σε θέση να κατέχει μια πλήρη εικόνα για την κατάσταση του δικτύου. Τέλος, ο AA θα πρέπει μέσω της ACL να μπορεί να επικοινωνήσει με τον AA ενός γειτονικού CO προκειμένου να συνεννοηθούνε για τη μετακίνησης ενός SA. Η χρήση της ACL αυξάνει τη διαφάνεια του συστήματος καθώς αποτελεί ένα γενικευμένο πρότυπο επικοινωνίας. Έτσι, θα μπορούσανε εύκολα να προστεθούνε καινούριοι πράκτορες στο σύστημα οι οποίοι να επικοινωνούνε με ένα καλά ορισμένο πρότυπο, ανεξάρτητα αν ακολουθούνται τα πρότυπα του 4G MACUN ή όχι Παράμετροι ποιότητας δικτύου Οι παράμετροι ποιότητας του δικτύου εξαρτώνται άμεσα από την τεχνική πολυπλεξίας που επιλέγεται. Στις ενότητες 2.4 και 2.5 αναλύονται οι βασικότεροι παράγοντες που επηρεάζουνε την ποιότητα ενός ασύρματου CDMA δικτύου. Οι παράμετροι ποιότητας του δικτύου στην περίπτωση των FDM σχημάτων, είναι ο βαθμός κατάληψης του διαθέσιμου φάσματος καθώς επίσης και ο βαθμός παρεμβολής μεταξύ των τερματικών. Προκειμένου να απλοποιήσουμε τον έλεγχο του δικτύου, μπορούμε να θεωρήσουμε πως η περιοχή ευθύνης κάθε CO αποτελεί ένα αυτοτελές κυψελωτό δίκτυο. Έτσι, κάθε AA θα αναλαμβάνει να βελτιστοποιήσει την κατάσταση στο δικό του σκέλος τους δικτύου χωρίς 53

54 να ενδιαφέρεται για το υπόλοιπο. Με τον τρόπο αυτό, παρακάμπτουμε την ανάγκη γνώσης της κατάστασης ολόκληρου του δικτύου απλοποιώντας κατά πολύ τους υπολογισμούς και περιορίζοντας στο ελάχιστο τα μηνύματα ελέγχου που ανταλλάσσονται μεταξύ των COs. Η προσέγγιση αυτή δεν απέχει πολύ από την πραγματικότητα, υπό την προϋπόθεση ότι το πλήθος των τερματικών ακολουθεί μια γεωγραφικά ισορροπημένη κατανομή, όχι εντός των κυψελίδων της περιοχής ευθύνης κάθε CO, αλλά μεταξύ των περιοχών διαφορετικών COs. Αυτή η παραδοχή μπορεί να θεωρηθεί λογική, δεδομένου ότι κάθε CO ελέγχει έναν μεγάλο αριθμό RAU προκειμένου να διατηρήσουμε το κόστος υποδομής του δικτύου σε χαμηλά επίπεδα. Παρόλα αυτά, η γεωγραφική κατανομή των χρηστών στο εσωτερικό της περιοχής ευθύνης κάθε CO θα θεωρηθεί ως μεταβλητή του συστήματος και όχι ως σταθερά Administrator Agent Δεδομένου ότι ο AA αναθέτει το φάσμα στην περίπτωση της FDM ή το chip code στην περίπτωση του CDMA, δεν χρειάζεται περαιτέρω ανάδραση από τα τερματικά και συνεπώς από τους Service Agents για το συγκεκριμένο ζήτημα. Αντίθετα, ο Administrator Agent χρειάζεται να ξέρει ποιες RAU αποτελούνε τη MEC κάθε τερματικού, πληροφορία που σίγουρα θα αποτελέσει μέρος της ανάδρασης που θα δεχτεί από τους service agents. Από τη γεωγραφική εποπτεία των τερματικών, οι AA μπορούν να επιληφθούνε και της διαδικασίας μετακίνησης μεταξύ των περιοχών ευθύνης γειτονικών COs. Στόχος του AA είναι η βελτιστοποίηση της κατάστασης του δικτύου μέσω της ελαχιστοποίησης της παρεμβολής μεταξύ των εμπλεκομένων τερματικών. Στην περίπτωση του CDMA σχήματος, το πρόβλημα περιγράφεται από τις εξισώσεις των παραγράφων 2.4 και 2.5. Στην περίπτωση της χρήσης FDM οι AAs αναλαμβάνουν την κατάλληλη ανάθεση φάσματος προκειμένου να αποφευχθούν επικαλύψεις όπως περιγράφεται στις παραγράφους και Φυσικά, το 4G MACUN framework δεν υλοποιεί καμιά τέτοια συγκεκριμένη πολιτική προκειμένου να διατηρηθεί η γενικότητα και η διαφάνεια της αρχιτεκτονικής ελέγχου που οριοθετεί το MACUN. Τέλος, ο AA είναι υπεύθυνος για την υλοποίηση των διαφόρων QoS πολιτικών. Είναι δηλαδή η οντότητα λογισμικού που θα κληθεί να αποφασίσει για την κατανομή των διαθέσιμων δικτυακών πόρων στα τερματικά, δεδομένης της κατάστασης του δικτύου. Η κατανομή αυτή γίνεται τόσο κατά την αρχικοποίηση του αντίστοιχου Service Agent, όσο και κατά την εξέλιξη της επικοινωνίας οπότε και τα δεδομένα μπορεί να αλλάξουν Service Agent Οι Service Agents είναι αυτοί που υλοποιούνε το επιλεγμένο πρωτόκολλο επικοινωνίας. Αν και το ακριβές πρωτόκολλο επικοινωνίας δεν αποτελεί πρωταρχικό στόχο της εργασίας, η υλοποίηση του από τους SAs προσθέτει στο MACUN ένα επιπλέον αφαιρετικό επίπεδο ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικότερα σε συγκριτικές μελέτες. 54

55 Το βασικό καθήκον των Service Agents στις προσομοιώσεις που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία, είναι ο καθορισμός της MEC που αφορά το εκάστοτε τερματικό, όπως επίσης και η τροφοδότηση του Administrator Agent με την κατάλληλη ανάδραση από το εκάστοτε τερματικό. Η ανάδραση αυτή διαφέρει ανάλογα με το σχήμα πολυπλεξίας που υλοποιείται, όπως επίσης και με το σχήμα της παρεχόμενης ποιότητας επικοινωνίας (QoS). Οι στόχοι κάθε Service Agent είναι διαφορετικοί και καθορίζονται από τον AA κατά την αρχικοποίησή του. Για παράδειγμα, ένας τύπος SAs θα είναι ειδικά σχεδιασμένος προκειμένου να εξυπηρετεί απλές συνόδους επικοινωνίας φωνής ενώ ένας άλλος θα μπορούσε να εξυπηρετεί χρήστες οι οποίοι απαιτούνε από το σύστημα πολύ υψηλό επίπεδο ασφάλειας χρησιμοποιώντας χαοτική κρυπτογράφηση. 3.4 Υλοποίηση 4G MACUN framework Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται ο σκελετός του MACUN. Στην ουσία πρόκειται για μια επισκόπηση του class diagram πάνω στο οποίο βασίζεται η υλοποίηση του MACUN. Λεπτομέρειες που αφορούν τη συγγραφή του κώδικα αποφεύγονται καθώς αποτελούνε μάλλον τετριμμένο ζήτημα, παρά σημείο ιδιαίτερου ενδιαφέροντος. Έτσι περιοριζόμαστε στην περιγραφή των βασικών κλάσεων όπως επίσης και σε μια μικρή αναφορά των βιβλιοθηκών που χρησιμοποιούνται στην υλοποίηση. Η παρουσίαση του class diagram θα συνοδεύεται από την περιγραφή της βασικής λειτουργικότητας για την οποία προορίζονται οι αντίστοιχες κλάσεις. Σημειώνω εξ αρχής πως ως βασικό υπόβαθρο υλοποίησης επιλέχθηκε η Java και συγκεκριμένα η χρήση του JADE (Java Agents Development framework) [32]. Η επιλογή αυτή έγινε γιατί πρόκειται για μια βιβλιοθήκη η οποία προσφέρει ενσωματωμένη υποστήριξη για όλα τα διεθνώς ακολουθούμενα πρότυπα πρακτορικού προγραμματισμού. Παράλληλα, η Java είναι η γλώσσα προγραμματισμού που προσφέρει πλήρη διαφάνεια σε σχέση με το λειτουργικό σύστημα στο οποίο καλείται να τρέξει το MACUN. Πέρα από τη λειτουργία του MACUN ως ενός πειραματικού συστήματος, αν επιχειρηθεί η λειτουργία του σε πραγματικές συνθήκες, η εφάπαξ συγγραφή του κώδικα είναι κάτι που θα μειώσει πολύ το κόστος της υποδομής των RoF δικτύων. Με τον τρόπο αυτό, δεν περιορίζουμε την υποδομή που θα πρέπει να διαθέτουν τα πραγματικά COs ούτε σε επίπεδο υλικού, ούτε σε επίπεδο λειτουργικό συστήματος. Ο σκελετός του 4G MACUN αποτελείται κυρίως από ένα σύνολο abstract κλάσεων οι οποίες προκαθορίζουν τις βασικές λειτουργίες του συστήματος, ανεξάρτητα από τις λεπτομέρειες της επιλογής του επιπέδου πολυπλεξίας σήματος, επιλογής σχήματος QoS, των μεγεθών που θα επιστρέφονται ως ανάδραση στο σύστημα κλπ. Η υλοποίηση και ο πειραματισμός με το σύστημα, προϋποθέτει την υλοποίηση των κλάσεων του framework αυτού με τρόπο που να προσαρμόζεται στη συγκεκριμένη μοντελοποίηση που επιλέχθηκε. Έτσι κρατάμε το σύστημα όσο το δυνατόν πιο γενικό, χωρίς να περιορίζουμε την πραγματική υλοποίηση σε τίποτα, παρέχοντας παράλληλα τα γνωστά πλεονεκτήματα του πολυπρακτορικού προγραμματισμού. Ο βαθμός εκμετάλλευσης της πολυπρακτορικής δομής του συστήματος, επαφίεται σε αυτόν που θα υλοποιήσει το πραγματικό σύστημα επικοινωνίας. Για παράδειγμα, μια 55

56 ακραία και όχι ιδιαίτερα ευφυής τακτική θα ήτανε να αγνοηθούν πλήρως οι Service Agents και όλη η λειτουργικότητα χειρισμού του δικτύου να βρίσκεται σε μια κλάση που θα κληρονομεί την κλάση του Administrator Agent. Αν και με αυτόν τον τρόπο έχουμε στην ουσία ένα σύστημα το οποίο δεν εκμεταλλεύεται καμία ιδιότητα του πολυπρακτορικού προγραμματισμού, παρόλα αυτά υποδεικνύει και την γενικότητα που έχει το 4G MACUN ως framework δοκιμών για τον έλεγχο διαφόρων τύπων δικτύων. Εικόνα 3-7 Στην εικόνα 3-7 φαίνεται ο σκελετός των abstract κλάσεων του 4G MACUN, που αφορούν το σκέλος του Administrator Agent που έχει τη συνολική ευθύνη του CO. Όπως φαίνεται από το εν λόγω σχήμα, ο AA υλοποιεί τη βασική του λειτουργικότητα μέσω τριών πρακτορικών συμπεριφορών. Η μία αναλαμβάνει να χειριστεί την επικοινωνία με τα υπόλοιπα CΟs του δικτύου, η δεύτερη αναλαμβάνει την επικοινωνία με τους Service Agents ενώ η τρίτη εκτιμά διαρκώς την κατάσταση του δικτύου. Παράλληλα, διατηρείται εσωτερικά μια λίστα με τους ενεργούς Service Agents οι οποίοι χειρίζονται την επικοινωνία με τα τερματικά. Σημειώνω, πως υλοποιώντας μια συγκεκριμένη μοντελοποίηση δικτύου θα πρέπει η κλάση που υλοποιεί την Administrator Agent του MACUN να έχει επιπλέον λειτουργικότητα η οποία θα είναι πλήρως προσαρμοσμένη στη μοντελοποίηση του δικτύου. Η παραπάνω δομή είναι αυτή που επιτρέπει στο MACUN να είναι όσο το δυνατόν πιο γενική και ευέλικτη κατά τη χρήση του ως δοκιμαστική πλατφόρμα. Αντίστοιχη λογική ισχύει και για το κομμάτι που αφορά τους Service Agents. Η σχεδίαση του λογισμικού φαίνεται στο class diagram των abstract κλάσεων που δείχνει η εικόνα 3-8. Οι διασυνδέσεις των κλάσεων που φαίνεται να ξεκινούνε από το πουθενά, προέρχονται από τις υπόλοιπες κλάσεις του συστήματος στις οποίες δεν εστιάζουμε στη συγκεκριμένη εικόνα. Άλλωστε το class diagram του MACUN framework είναι ένα και ο χωρισμός του σε διάφορα κομμάτια γίνεται με μόνο στόχο τη διευκόλυνση της μελέτης του, χωρίς να μπαίνουμε σε περιττές λεπτομέρειες. 56

57 Εικόνα 3-8 Κάθε πράκτορας τύπου Service Agent λειτουργεί με βάση τρεις παράλληλες και ανεξάρτητες συμπεριφορές. Η πρώτη είναι αυτή που αναλαμβάνει την επικοινωνία με τον Administrator Agent ώστε να χειριστεί κατάλληλα την αποστολή και λήψη των διαφόρων ACL messages. Η δεύτερη συμπεριφορά είναι αυτή που υλοποιεί το πρωτόκολλο επικοινωνίας με τα τερματικά, ώστε να χειρίζεται τις διάφορες λεπτομέρειες που δεν αφορούνε το σχήμα ελέγχου αλλά αφορούν αποκλειστικά και μόνο τον τρόπο επικοινωνίας με το εκάστοτε τερματικό. Τέλος, η τρίτη συμπεριφορά είναι αυτή που αναλαμβάνει να εκτιμήσει την κατάσταση του δικτύου σε ότι αφορά την επικοινωνία με το συγκεκριμένο τερματικό. Αυτή η πρακτορική συμπεριφορά αναλαμβάνει τον χειρισμό των παραμέτρων ανάδρασης από και προς τον AA, όπως επίσης και άλλες πιθανές λεπτομέρειες της αρχιτεκτονικής του δικτύου όπως είναι ο χειρισμός της MEC. Προκειμένου να διευκολύνουμε τη μελέτη των διαφόρων σχημάτων ελέγχου, ο σκελετός του MACUN περιλαμβάνει και κλάσεις οι οποίες μοντελοποιούν τα βασικά δομικά στοιχεία του Central Office. Έτσι, η εικόνα 3-9 δείχνει το σκέλος του MACUN framework που υλοποιεί τα BS του CO όπως επίσης και τη blackboard λογική πρόσβασης στις προς μετάδοση πληροφορίες που περιγράφεται στις προηγούμενες παραγράφους και συγκεκριμένα στην εικόνα

58 Εικόνα 3-9 Για να ολοκληρωθεί ο πειραματικός αυτός μηχανισμός επικοινωνίας, πρέπει να ενταχθεί και μια οντότητα λογισμικού που θα αποτελεί το υποτιθέμενο προς εξυπηρέτηση τερματικό. Έτσι, στο MACUN framework υπάρχει και ένας ακόμη γενικός τύπος πράκτορα που παίζει το ρόλο του τερματικού. Η κλάση υλοποίησης του είναι η TerminalAgent (TA) που φαίνεται στην επόμενη εικόνα. Αν και η συμπεριφορά του τερματικού δεν αποτελεί δομικό στοιχείο στον έλεγχο του δικτύου, παρόλα αυτά προκειμένου να γίνουνε συγκρίσεις θα πρέπει να θεωρήσουμε κάποιες συμπεριφορές τερματικών και συνεπώς η υλοποίηση στο framework είναι απαραίτητη. Μάλιστα στην εικόνα 3-10, παρουσιάζονται και οι δύο γενικές συμπεριφορές που θα υλοποιεί ο Terminal Agent. Συγκεκριμένα, η μία είναι αυτή που αναλαμβάνει την επικοινωνία με το BS η οποία θα μπορούσε και να υλοποιεί ένα συγκεκριμένο πρωτόκολλο επικοινωνίας. Η δεύτερη συμπεριφορά είναι αυτή που ορίζει τη γεωγραφική κίνηση του τερματικού μεταξύ των διαφόρων κεραιών του δικτύου, σύμφωνα με τις στατιστικές κατανομές που επιλέγονται για τη συγκεκριμένη προσομοίωση. 58

59 Εικόνα 3-10 Τέλος, προκειμένου το MACUN να λειτουργήσει ως ένα πειραματικό framework θα πρέπει να διαθέτει και ένα κομμάτι που να αρχικοποιεί και να εκτελεί τη συνολική προσομοίωση. Το κομμάτι αυτό αποτελείται από τις βασικές abstract κλάσεις NetworkEnvironment και Simulation που φαίνονται στην εικόνα Η κλάση Simulation θα μπορούσε να περιλαμβάνει ένα γραφικό περιβάλλον προσαρμοσμένο στις λεπτομέρειες της συγκεκριμένης υλοποίησης. Καλώντας τη μέθοδο start() η διαδικασία της προσομοίωσης θα ξεκινούσε καλώντας τη μέθοδο evolve() του συγκεκριμένου αντικειμένου της κλάσης NetworkEnvironment. Το συγκεκριμένο αντικείμενο θα περιλαμβάνει όλες τις λεπτομέρειες της διαρρύθμισης του δικτύου, όπως γεωγραφική κατανομή τερματικού, κατανομή πιθανοτήτων άφιξης νέων κλήσεων, ορισμός τρόπου μετακίνησης των τερματικών κλπ. Εικόνα 3-11 Θα πρέπει να γίνει σαφές πως η σχεδίαση που παρουσιάζεται σε αυτήν την ενότητα έχει αφεθεί επίτηδες εξαιρετικά αφηρημένη. Αυτό γίνεται προκειμένου το MACUN να είναι όσο το δυνατόν πιο γενικό καθορίζοντας απλώς ένα πλαίσιο υλοποίησης. Με τον τρόπο αυτό αφήνεται ο καθορισμός των λεπτομερειών στην υλοποίηση του συστήματος για συγκεκριμένο τύπο δικτύων όπου θα έχουνε γίνει σαφές επιλογές οι οποίες και θα καθορίζουνε τον ακριβή τρόπο λειτουργίας του. Ο τρόπος καθορισμού των συγκεκριμένων 59

60 λεπτομερειών θα γίνει σαφής στις επόμενες ενότητες όπου και θα περιγραφούνε πραγματικές προσομοιώσεις. Αν και οι κλάσεις που παρουσιάστηκαν δεν προσφέρουν και πολλές διευκολύνσεις στον τελικό χρήστη που θέλει να κάνει τις προσομοιώσεις, παρέχουν ένα καλά δομημένο πολυπρακτορικό μηχανισμό ο οποίος δεν περιορίζει το πεδίο εφαρμογής του. Άλλωστε, τονίζω πως το class diagram που παρουσιάστηκε σε αυτή την ενότητα αποκρύπτει σκοπίμως πολλές λεπτομέρειες προκειμένου να μην γίνει κουραστικό το κείμενο. Στόχος δεν ήτανε η πλήρης περιγραφή του κώδικα αλλά μια επισκόπηση του framework που θα μπορούσε να αποτελέσει αναφορά για κάποιον που ενδιαφέρεται να γράψει κώδικά πάνω στο MACUN και να τρέξει προσομοιώσεις. Ίσως στο μέλλον, θα μπορούσε το MACUN να εμπλουτιστεί με επιπλέον κλάσεις (υλοποιημένες αυτή τη φορά) οι οποίες να έχουνε έτοιμα πρότυπα, γραφικά εργαλεία κλπ τα οποία να διευκολύνουν τον χρήστη στη δημιουργία προσομοιώσεων σχετικές με τη λειτουργία δικτύων. 60

61 4. Προσομοίωση ελέγχου δικτύου RoF με χρήση απλού FDM σχήματος Στην ενότητα αυτή θα παρουσιαστεί η διαδικασία των προσομοιώσεων μιας προτεινόμενης αρχιτεκτονικής RoF δικτύου που χρησιμοποιεί ως σχήμα πολυπλεξίας σήματος στον αέρα την απλή FDM πολυπλεξία. Αρχικά θα περιγραφεί περιληπτικά η διαδικασία συγγραφής του προγράμματος προσομοίωσης χρησιμοποιώντας το 4G MACUN framework που περιγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα. Στη συνέχεια θα περιγραφτεί η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε και τελικά θα περιγραφούνε τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Επειδή η χρήση του FDM σχήματος πολυπλεξίας είναι η πιο απλή επιλογή, η ενότητα δεν περιλαμβάνει εκτεταμένη θεωρητική μελέτη. Συνεπώς, η ενότητα αυτή είναι προσαρμοσμένη ώστε να αποτελεί ένα υποτυπώδες εγχειρίδιο υλοποίησης προσομοιώσεων με βάση το 4G MACUN framework. Αν και είναι προφανές πως προκειμένου να κάνει κάποιος προσομοιώσεις με βάση τo MACUN θα πρέπει να γνωρίζει τη Java, στο παρόν κείμενο περιγράφεται η λογική της υλοποίησης και αποφεύγονται απευθείας αναφορές στον κώδικα. 4.1 Υλοποίηση του κώδικα προσομοίωσης Η χρήση του 4G MACUN προκειμένου να προσομοιώσουμε την λειτουργία ενός συγκεκριμένου τύπου δικτύου προϋποθέτει την συγκεκριμένη υλοποίηση των λεπτομερειών που ο σκελετός του MACUN αφήνει αφηρημένες. Η υλοποίηση της προσομοίωσης απαιτεί τη συγγραφή συγκεκριμένων κλάσεων οι οποίες θα κληρονομούνε τις αντίστοιχες αφηρημένες κλάσεις του MACUN και έτσι θα υπακούνε στους χαλαρούς κανόνες που αυτό επιβάλλει. Με τον όρο υλοποίηση εννοούμε τη συγγραφή κλάσεων οι οποίες κληρονομούνε από τις βασικές abstract κλάσεις που παρουσιάστηκαν στη προηγούμενη ενότητα. Σύμφωνα με το class diagram που παρουσιάστηκε τμηματικά στην προηγούμενη ενότητα, θα πρέπει να υλοποιηθούνε όλες οι abstract κλάσεις που ορίζει το MACUN. Στην επόμενη εικόνα φαίνεται το συνολικό class diagram που προκύπτει μετά την υλοποίηση για το σενάριο FDM πολυπλεξίας. Στο διάγραμμα φαίνεται ο σαφής διαχωρισμός του MACUN framework (γκρίζο σκέλος) και της υλοποίησης που αφορά τη συγκεκριμένη FDM παραλλαγή του δικτύου (γαλάζιο σκέλος) και πατάει πάνω στο framework. Προκειμένου να υλοποιήσει κανείς μια προσομοίωση αρκεί απλώς να γράψει προκαθορισμένες κλάσεις των οποίων οι προδιαγραφές και οι διασυνδέσεις μεταξύ τους είναι προκαθορισμένες από το MACUN για διευκόλυνση του χρήστη. Έτσι, η κλάση RoFFDMSimulation είναι αυτή που κληρονομεί από την Simulation και καλείται για να ξεκινήσει την εξέλιξη τoυ βασικού αντικειμένου το οποίο και χαρακτηρίζει την κατάσταση του δικτύου και την εξέλιξή της, RoFFDMNetworkEnvironment η οποία κληρονομεί από τη βασική abstract κλάση του MACUN που λέγεται NetworkEnvironment. 61

62 Αρχικοποιώντας το αντικείμενο της κλάσης αυτής, ορίζονται τα αντικείμενα της κλάσης CentralOffice που θα χρησιμοποιούνται στη διαχείριση του δικτύου. Καλώντας την μέθοδο evolve() της κλάσης RoFFDMNetworkEnvironment αρχίζουν να λειτουργούν κάποιες στοχαστικές συναρτήσεις με βάση τις οποίες δημιουργούνται καινούριες κλήσεις από τα τερματικά. Αυτό ισοδυναμεί με την εμφάνιση ενός καινούριου τερματικού το οποίο κατανέμεται με επιλεγμένη γεωγραφική κατανομή (όχι στατική). Για κάθε νέο τερματικό δημιουργείται ένας νέος RoFFDMTerminalAgent ο οποίος χρησιμοποιεί κάποιες στοχαστικές συναρτήσεις προκειμένου να μετακινείται στις διάφορες κυψελίδες ή για να τερματίσει οικιοθελώς την κλήση. Για την ακρίβεια κατά την αρχικοποίηση επιλέγεται η πιθανότητα τερματισμού της κλήσης, η αρχική ταχύτητα του τερματικού, η πιθανότητα αύξησης ή μείωσης της ταχύτητας, η πιθανότητα διατήρησης ευθείας πορείας του τερματικού κλπ, παράμετροι οι οποίοι επηρεάζουνε άμεσα την πρακτορική συμπεριφορά κίνησης του τερματικού. Σε ότι αφορά τη συμπεριφορά επικοινωνίας του RoFFDMTerminalAgent με την εκάστοτε RAU, χρησιμοποιείται μια ακόμη στοχαστική συνάρτηση με βάση την οποία καθορίζεται το εύρος ζώνης το οποίο αιτείται κάθε κλήση. Επίσης, χρησιμοποιείται και μια πιθανότητα αποστολής μηνύματος για κάθε δεδομένη χρονική στιγμή, ανεξάρτητα από τη συμπεριφορά που ακούει τα μηνύματα που λαμβάνονται από τη RAU. Τη δημιουργία νέου RoFFDMTerminalAgent από την κλάση RoFFDMNetworkEnvironment θα πρέπει να ακολουθήσει η αίτηση παροχής νέου Service Agent από τον Administrator Agent του συγκεκριμένου CO. Αυτό αποτελεί γενική διαδικασία του MACUN framework και για αυτό τον λόγο έχει οριστεί στον Administrator Agent μια abstract συνάρτηση newserviceagentrequest. Παρόλα αυτά, η υλοποίηση έχει να κάνει άμεσα με το ότι στην παρούσα διαδικασία προσομοίωσης επιλέχθηκε να ακολουθηθεί η απλή FDM προσέγγιση και έτσι η υλοποίηση της συνάρτησης εντάσσεται στον RoFFDMAdministratorAgent. Οι πρακτορικές συμπεριφορές του RoFFDMAdministratorAgent είναι βασικά τρεις. Η πρώτη συμπεριφορά είναι αυτή που επιχειρεί να καταγράψει μια συνολική αξιολόγηση για την κατάσταση που επικρατεί στο δίκτυο. Η δεύτερη είναι αυτή που επικοινωνεί και λαμβάνει τις αποφάσεις για τους Service Agents και η τρίτη είναι αυτή που επικοινωνεί με τα υπόλοιπα γειτονικά COs. Η ακριβής τους λειτουργικότητα μένει να συγκεκριμενοποιηθεί ανάλογα με τις λεπτομέρειες του πρωτοκόλλου επικοινωνίας που μένει να αποφασιστεί, για αυτό και αφέθηκαν τελείως αφηρημένες από το βασικό MACUN framework. Η συμπεριφορά που επικοινωνεί και συντονίζει τους διάφορους RoFFDMServiceAgents θα έχει την ευθύνη να αναθέσει το σωστό φάσμα στους Service Agents προκειμένου να μην προκληθούνε συγκρούσεις, πάντα σύμφωνα με την εκτίμηση που προσφέρει η πρώτη συμπεριφορά. Η συμπεριφορά που επικοινωνεί με τα υπόλοιπα COs θα έχει την ευθύνη συντονισμού του συστήματος όταν απαιτείται η μετακίνηση ενός τερματικού από την περιοχή ευθύνης ενός CO στην περιοχή ευθύνης ενός άλλου. Ο πράκτορας τύπου RoFFDMServiceAgent θα είναι άμεσα συσχετισμένος με την εξυπηρέτηση ενός συγκεκριμένου τερματικού και συνεπώς ενός συγκεκριμένου RoFFDMTerminalAgent. Σε ότι αφορά την διαχείριση της συνόδου επικοινωνίας του τερματικού, θα πρέπει ο RoFFDMSeviceAgent να ορίζει την MEC με τρόπο δυναμικό, εκμεταλλευόμενος την πληροφορία που διαθέτει για την τοποθεσία και την κίνηση του τερματικού. Η MEC περιγράφεται στην ουσία από ένα Vector το οποίο περιέχει Base Stations. 62

63 4.1.1 Αρχικοποίηση της προσομοίωσης Στην επόμενη εικόνα φαίνεται η οθόνη στην οποία ο χρήστης καθορίζει τις λεπτομέρειες της προσομοίωσης προτού αυτή εκκινήσει. Είναι προφανές ότι καθορίζονται κάποια ποιοτικά χαρακτηριστικά της προσομοίωσης και στη συνέχει η προσομοίωση ξεκινάει πατώντας το κουμπί Start Simulation. Εικόνα 4-1 Στο πάνω αριστερά μέρος της αρχικής οθόνης καθορίζονται τα χαρακτηριστικά των RAUs τα οποία θεωρούνται ίδια σε όλη την έκταση του δικτύου. Αναλυτικά, καθορίζεται η εμβέλεια της κάθε RAU και το μήκος επικάλυψης με τις γειτονικές της. Στο πάνω κεντρικό μέρος της οθόνης καθορίζεται ο αριθμός των Central Offices από τα οποία θεωρούμε ότι αποτελείται το προς προσομοίωση δίκτυο. Μάλιστα, θεωρήσαμε πως κάθε CO ελέγχει ένα διαφορετικό πλήθος από RAUs το οποίο καθορίζεται στοχαστικά από κατανομή και μέση τιμή την οποία επιλέγει ο χρήστης. Πάνω δεξιά, καθορίζεται η γεωγραφική κατανομή των τερματικών επιλέγοντας τόσο της συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας όσο και την μέση τιμή των τερματικών ανά κυψελίδα. Επίσης, με πιθανότητες μοντελοποιείται και η κίνηση των τερματικών καθώς ορίζουμε μια συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας που καθορίζει την ταχύτητα του τερματικού όπως επίσης και την αντίστοιχη μέση τιμή. Τέλος, κάτω αριστερά καθορίζονται οι παράμετροι μοντελοποίησης του bandwidth που απαιτούνε τα διάφορα τερματικά προκειμένου να επικοινωνήσουνε, το οποίο 63

64 μοντελοποιείται επίσης στοχαστικά. Μάλιστα, έχει γίνει διαχωρισμός ανάμεσα στο uplink και στο downlink για ακόμη μεγαλύτερη πιστότητα στις παραμέτρους προσομοίωσης. Θα πρέπει να γίνει σαφές ότι η παραπάνω οθόνη δεν αποτελεί σκέλος του 4G MACUN framework αλλά ένα βοηθητικό εργαλείο. Με το που καθοριστούνε οι απαραίτητες για την προσομοίωση παράμετροι, πατώντας το κουμπί Start Simulation αρχικοποιείται το βασικό αντικείμενο της κλάσης Simulation του 4G MACUN FDM. Σε αυτήν την υλοποίηση του 4G MACUN θεωρήθηκε μια σχετικά απλή γεωγραφική κατανομή των κεραιών (RAUs) στον χώρο. Θεωρώντας πως η ακτίνα εκπομπής της κάθε RAU που συμμετέχει στο κυψελωτό μας σύστημα είναι r, αποδεικνύεται πως η απόσταση d της RAU από την κάθε πλευρά του εξαγώνου δίνεται από τη σχέση και το μήκος επικάλυψης μεταξύ δύο γειτονικών τέτοιων κυψελίδων είναι 2d. Αυτό σημαίνει πως αν θεωρήσουμε ακτίνα εκπομπής τα 20m θα έχουμε περιοχή επικάλυψης τα 5.35m. Εικόνα 4-2 Το επαναληπτικό μαθηματικό μοτίβο που δίνει τη διάταξη των κυψελών εξαρτάται από το αρχικό σημείο. Θεωρούμε πως θέλουμε να υπολογίσουμε τη θέση του κέντρου της κυψελίδας C(i,j) και ξεκινάμε θέτοντας C(0,0) την κάτω αριστερά μπλε κυψέλη, C(1,0) την αμέσως πιο δεξιά μπλε κυψέλη ενώ C(0,1) την κάτω αριστερά μωβ κυψέλη κλπ. Το μαθηματικό μοτίβο που δίνει το κέντρο των κυψελίδων δίνεται από την εξής σχέση: 64

65 και Οι προηγούμενες εξισώσεις περιγράφουνε τη διάταξη των RAUs αν υποθέσουμε ότι ακολουθούνε την ιδανική κυψελωτή δομή. Προκειμένου η διαδικασία της προσομοίωσης να γίνει πιο ρεαλιστική, θεωρούμε ότι η ακριβής τοποθέτηση της κεραίας απέχει από τις συντεταγμένες που προκύπτουν με βάση την ιδανική αυτή διάταξη κατά τυχαίο τρόπο εισάγοντας μια τυχαία μετατόπιση (Δx,Δy) που ακολουθεί ομοιόμορφη κατανομή στο πλαίσιο που καθορίζει ο χρήστης, προκειμένου να μεταβάλλεται έτσι και η ακριβής περιοχή επικάλυψης. Επίσης, θα πρέπει να ξεκαθαριστεί ότι για λόγους απλότητας κατά την αρχικοποίηση, ο χρήστης καθορίζει την κατανομή που υποδηλώνει πόσα τερματικά θα αντιστοιχούνε σε κάθε RAU. Η ακριβής τους γεωγραφική κατανομή γύρω από τη RAU ακολουθεί και πάλι ομοιόμορφη κατανομή, εντός πάντα της κυψελίδας Λειτουργία του μοντέλου Είναι προφανές πως οι προσομοιώσεις αυτές, θα πρέπει να καταλήξουνε στη μέτρηση χαρακτηριστικών μεγεθών που θα χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση των κεντρικών επιλογών του συστήματος. Τα μεγέθη αυτά είναι κατά βάση τρία. Το πρώτο είναι η πιθανότητα απώλειας πακέτων ανά αλλαγή RAU (packet loss) κα το δεύτερο είναι η πιθανότητα απώλεια κλήσης ανά αλλαγή RAU (call drop). Εικόνα

66 Το πρόγραμμα των προσομοιώσεων προσπαθεί να προσεγγίσει όσο το δυνατόν περισσότερο τις πραγματικές συνθήκες. Στα πλαίσια αυτά εντάσσεται και η στοχαστική απόκλιση των RAUs από την ακριβή κυψελωτή δομή. Με τον τρόπο αυτό από τη μία οι περιοχές αλληλοκάλυψης των κεραιών είναι μεταβαλλόμενες, από την άλλη υπάρχει η πιθανότητα το δίκτυο να εμφανίζει κενά κάλυψης όπως συμβαίνει δηλαδή και στα πραγματικά κυψελωτά δίκτυα. Στην επόμενη εικόνα φαίνεται μια άποψη του δικτύου που σχηματίζεται όταν θεωρήσουμε πως έχουμε δύο COs με 64 RAUs το καθένα. Σημειώνω πως η τυχαία μετακίνηση των RAUs αλλάζει από προσομοίωση σε προσομοίωση με αποτέλεσμα τα αριθμητικά αποτελέσματα να διαθέτουν ακόμη περισσότερη πιστότητα. Στην εικόνα 4-3 φαίνονται οι RAUs των δύο COs με διαφορετικά χρώματα. Επίσης, διακρίνεται ο σχηματισμός της MEC γύρω από το τερματικό, με τις RAUs που την αποτελούνε να διακρίνονται από κίτρινο περίγραμμα. Με λευκό χρώμα διακρίνονται τα κενά της κάλυψης του δικτύου τα οποία είναι τυχαία τοποθετημένα στο δίκτυο και η επιφάνειά τους είναι παραμετροποιήσιμη, καθώς εξαρτάται άμεσα από τη διασπορά των RAUs γύρω από τις θέσεις που επιβάλλει η ακριβής κυψελωτή δομή. Ένα από τα κρίσιμα σημεία που καθορίζουνε την εξέλιξη του μοντέλου είναι η μοντελοποίηση του beacon. Το beacon θα πρέπει να εκπέμπεται περιοδικά και μάλιστα με τρόπο κεντρικά ελεγχόμενο. Για την ακρίβεια ο Administrator Agent αποφασίζει πότε θα εκπεμφθεί το beacon από όλες τις RAUs του συγκεκριμένου Central Office και με ποια περίοδο. Το beacon τελικά εκπέμπεται από όλους τους Service Agents που βρίσκονται στο ίδιο CO και ουσιαστικά αποτελεί τη μονάδα μέτρησης του χρόνου για το προς προσομοίωση δίκτυο. Ο μηχανισμός εκπομπής του beacon είναι απολύτως κρίσιμος για το σχήμα ελέγχου των 4G δικτύων. Σύμφωνα με αυτόν, το τερματικό απαντάει με ACK μόλις λάβει το beacon οπότε και το δίκτυο αναγνωρίζει που βρίσκεται το τερματικό και πως πρέπει να αναδιαμορφώσει τη MEC του προκειμένου να το εξυπηρετήσει καλλίτερα. Θα πρέπει να είναι σαφές πως το σύστημα προσομοίωσης καθώς και τα αποτελέσματα που αυτό επιστρέφει δεν βασίζονται σε κάποιο αναλυτικό μοντέλο. Αντίθετα προκύπτουν από έναν μηχανισμό ο οποίος προσπαθεί να προσομοιώσει τις πραγματικές συνθήκες, πάντα υπό την παρατήρηση ότι το σύστημα λειτουργεί σε κβαντισμένο χώρο και χρόνο. Η τμηματοποίηση του χώρου δεν δημιουργεί ιδιαίτερα προβλήματα, αλλά ο χρονικός κβαντισμός θα μπορούσε να οδηγήσει σε σύγχυση. Ο μηχανισμός χρονισμού του συστήματος χρήζει ιδιαίτερης προσοχής. Θεωρούμε ότι ο πράκτορας που χειρίζεται τη συμπεριφορά του τερματικού,ενεργοποιεί τη συμπεριφορά κίνησης (μετακινεί δηλαδή το τερματικό) κάθε 0.1 sec. Αυτό είναι και η μονάδα του χρόνου του συστήματος. Το beacon θεωρείται πως έρχεται κάθε 1 sec. Αυτό φυσικά δεν αλλάζει τα δεδομένα των προσομοιώσεων αν ο μηχανισμός στον κώδικα υλοποιηθεί για 1 και 10 sec αντίστοιχα, καθώς αυτό εξαρτάται από τις δυνατότητες του υπολογιστή που εκτελεί τις προσομοιώσεις. Αυτό που έχει σημασία είναι να μην χάνεται ο χρονισμός μεταξύ των βημάτων του TA και του beacon που αποστέλλει ο ΑΑ. 66

67 4.2 Πειραματική διαδικασία Στην ενότητα αυτή αναλύονται τα σενάρια των προσομοιώσεων καθώς επίσης και κάποιες λεπτομέρειες της πειραματικής διαδικασίας. Οι επιλογές που έγιναν κατά την πειραματική διαδικασία, είναι αυτές που καθορίζουν τόσο την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων όσο και το που η διαδικασία αφορά σενάρια χρήσης που πλησιάζουνε την πραγματικότητα. Τα σενάρια τα οποία επιλέχτηκαν για να αντληθούνε αποτελέσματα και να αξιολογηθεί έτσι η λειτουργία ενός RoF δικτύου που βασίζει το σχήμα ελέγχου του στη MEC είναι : 1. Καταγραφή των απωλειών καθώς επίσης και της πιθανότητας πτώσης κλήσης συναρτήσει της ταχύτητας κατά την ευθεία κίνηση με σταθερή κλίση, για πολλά και διαφορετικά L, για κάθε Τproc. 2. Καταγραφή των απωλειών καθώς επίσης και της πιθανότητας πτώσης κλήσης συναρτήσει της ταχύτητας κατά την ευθεία κίνηση με τυχαία κλίση, για πολλά και διαφορετικά L, για κάθε Τproc. 3. Καταγραφή των απωλειών καθώς επίσης και της πιθανότητας πτώσης κλήσης συναρτήσει της ταχύτητας κατά την τυχαία κίνηση (αλλάζει το τερματικό κατεύθυνση με τυχαίο τρόπο), για πολλά και διαφορετικά L, για κάθε Τproc. Είναι προφανές ότι ένα τέτοιο σύστημα έχει πάρα πολλούς βαθμούς ελευθερίας, με την έννοια ότι είναι πάρα πολλές οι παράμετροι που θα μπορούσανε να συμβάλλουν κατά την αξιολόγησή του. Η επιλογή των παραπάνω σεναρίων έγινε γιατί θέλαμε να μετρήσουμε την ποιοτική απόδοση του συστήματος συναρτήσει του παράγοντα που επηρεάζει πιο άμεσα τις απώλειές του, δηλαδή την ταχύτητα του τερματικού. Το μήκος της ίνας L όπως επίσης και ο χρόνος Τproc που καθορίζεται από τη διακοπτική διαδικασία που ακολουθείται στο φυσικό επίπεδο επηρεάζουν άμεσα τις απώλειες του δικτύου. Ως μεταβλητές που χαρακτηρίζουν την απόδοση του συστήματος, τόσο το L όσο και ο Τproc αποτελούνε μεταβλητές ως προς τις οποίες μετρούνται οι απώλειες του συστήματος. Είναι σαφές ότι αποφύγαμε τη μελέτη σεναρίων με περισσότερους του ενός χρήστες. Αυτή η συνειδητή επιλογή έγινε γιατί αποφύγαμε να ασχοληθούμε με το MAC επίπεδο των RoF δικτύων. Η μελέτη ενός περιβάλλοντος με πολλούς χρήστες επιβάλλει και ένα μηχανισμό επίλυσης πιθανών συγκρούσεων ο οποίος δεν έχει ακόμη αναπτυχθεί και συνεπώς δεν αποτελεί αντικείμενο μελέτης. Σε ότι αφορά την επαναληπτική διαδικασία παραγωγής των αποτελεσμάτων αυτή έχει ως εξής. Αποφασίστηκε το βήμα μεταβολής της ταχύτητας να είναι 1 m/sec από 1 εώς 60 m/sec. Για κάθε τέτοια ταχύτητα επαναλήφθησαν 100 προσομοιώσεις των οποίων ελήφθη ο μέσος όρος απωλειών πακέτων και πτώσεων κλήσης. Κάθε προσομοίωση ολοκληρωνότανε αφού εκτελούσε 100 transitions. Το όριο των 100 προσομοιώσεων αποφασίστηκε βλέποντας ότι και οι 200 επαναλήψεις δεν μεταβάλλουνε ουσιαστικά τα στατιστικά αποτελέσματα. Κάθε τέτοιο βήμα προσομοιώσεων επαναλήφθηκε για τις τιμές του L = 1, 10, 30 Km όπως επίσης και τους χρόνους Τproc που υποδεικνύει ο πίνακας

68 Πίνακας 4-1 Σε όλα τα σενάρια, η αρχική θέση του τερματικού μεταβαλλότανε τυχαία ακολουθώντας ομοιόμορφη κατανομή (τόσο στον άξονα x όσο και στον άξονα y), εντός της πρώτης RAU. Επίσης, κατά το δεύτερο σενάριο μεταβαλότανε ακολουθώντας ομοιόμορφη κατανομή η ταχύτητα του τερματικού. Στο σενάριο 1 ομοιόμορφη κατανομή ακολουθεί και η κλίση της ευθείας την οποία ακολουθεί το τερματικό η οποία παραμένει σταθερή. Τέλος, στο σενάριο 2 η κλήση της ευθείας που ακολουθεί το τερματικό ακολουθεί ομοιόμορφη κατανομή, οδηγώντας έτσι το τερματικό να κάνει μια κίνηση εντελώς τυχαία. Τονίζεται πως το εύρος των ταχυτήτων που μας ενδιαφέρουνε πειραματικά είναι από 20m/ sec εώς και 60m/sec. Άλλωστε κάτω από το κατώτερο όριο (20m/sec ή 72Km/h) αποδεικνύεται από τις προσομοιώσεις ότι ακόμα και αν υπάρχουνε απώλειες αυτές είναι μηδενικές, ενώ πάνω από το ανώτερο όριο (60m/sec ή 216Km/h) η μελέτη παύει να παρουσιάζει τόσο έντονο πρακτικό ενδιαφέρον καθώς δεν αφορά πλέον τους συνηθισμένους τρόπους μετακίνησης. 4.3 Αποτελέσματα για ευθεία κίνηση με σταθερή κλίση και ταχύτητα Στη συνέχεια ακολουθεί η παρουσίαση και ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων κατά σενάριο. Θυμίζω πως μιλάμε πάντα για RAUs με ακτίνα εκπομπής 20m/sec και πακέτα μήκους 210 bytes. Τα σενάρια αυτής της παραγράφου αφορούνε τερματικά τα οποία κινούνται σε ευθεία παράλληλη με αυτή που σχηματίζουνε τα κέντρα των διαδοχικών RAUs. 1. Ευθεία κίνηση με σταθερή κλίση, σταθερή ταχύτητα, μήκος οπτικής ίνας L=1Km και χρήση SOA ως διακοπτικού μέσου Όπως φαίνεται στο γράφημα 4-1 οι πτώσεις κλήσεις ξεκινάνε να καταγράφονται από τις ταχύτητες των 36m/sec και εξελίσσονται σχεδόν γραμμικά και η γραμμικότητα φαίνεται να χαλάει γύρω στα 60m/sec.. Σύμφωνα με τον μηχανισμό της MEC, το ανώτερο θεωρητικό όριο των πτώσεων κλήσης ανά transition είναι 0.5, το σημείο δηλαδή στο οποίο θα έτεινε ασυμπτωτικά το γράφημα αν τα πειράματα συνεχιζότανε για μεγαλύτερες ταχύτητες. 68