ΠΕΡΙΛΗΨΗ Δ.Δ ΔΗΜΗΣΡΑΚΟΠΟΤΛΟ

Transcript

1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Δ.Δ ΔΗΜΗΣΡΑΚΟΠΟΤΛΟ Μετά το άλλοτε ταχύ και άλλοτε χρονοβόρο πέρασμα από τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα των τριών πρώτων γενεών, η αλματώδης εξέλιξη στις τηλεπικοινωνίες αντικατοπτρίζεται σήμερα σε τεράστιες επενδύσεις στην ανάπτυξη περαιτέρω καινοτόμων συστημάτων, που στόχο έχουν να αντεπεξέλθουν στις διαρκώς αυξανόμενες ανάγκες των χρηστών. Κάτι τέτοιο δύναται να επιτευχθεί διαμέσου της παροχής συνεχώς ανανεούμενων, επαναστατικών υπηρεσιών, που εγείρουν όμως ζητήματα υιοθέτησης ριζοσπαστικών εννοιών, όπως τα «συστήματα πέραν της τρίτης γενιάς (Β3G)», η «δυναμική αναδιάρθρωση δικτύων» (reconfigurability) και τα «γνωσιακά δίκτυα» (cognitive networks). Σε αυτά τα πλαίσια κινείται η παρούσα διδακτορική διατριβή, που αναλίσκεται σε ζητήματα διαχείρισης των πόρων (και δη του χρησιμοποιούμενου φάσματος) και σχεδίασης σύνθετων υποδομών, σε συστήματα Β3G. Για το σκοπό αυτό, στο 1 o κεφάλαιο της διατριβής παρουσιάζονται αρχικά οι παρελθούσες, σημερινές και μελλοντικές τάσεις στον κόσμο των ασυρμάτων επικοινωνιών. Εν συνεχεία, εισάγεται η έννοια «δυναμικά αναδιαρθρούμενων» ( reconfigurable ) δικτύων, που διαθέτουν μηχανισμούς αλλαγής διαφόρων λειτουργικών τους παραμέτρων, με στόχο τη βέλτιστη εξυπηρέτηση των χρηστών. Παράλληλα, μελετώνται οι επιπτώσεις από την εισαγωγή των εν λόγω δικτύων στον κόσμο των επικοινωνιών. Κατόπιν, μελετάται η μετάβαση προς τα γνωσιακά δίκτυα ( cognitive networks ), τα οποία διαθέτουν την ικανότητα απόκτησης γνώσης από παρελθούσες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον και έτσι προσαρμόζουν τη μελλοντική τους συμπεριφορά με βάση αυτή τη γνώση. Τέλος, εισάγεται η έννοια του φάσματος, παρουσιάζονται διάφορες προσεγγίσεις πάνω στο θέμα της διαχείρισής του και επιχειρείται μια κατηγοριοποιήσή των προσεγγίσεων αυτών με βάση διάφορα κριτήρια. Τέλος, εποπτικά παρατίθεται σε γενικές γραμμές η περαιτέρω διάρθρωση της διατριβής και η συμβολή της στην ανάλυση των ανωτέρω θεμάτων. Κατόπιν, στο 2 ο κεφάλαιο αναλύονται τα βασικά ζητήματα που αναφαίνονται κατά τη διαχείριση πόρων σε δίκτυα επικοινωνιών B3G και προτείνεται η γενική μορφή της αρχιτεκτονικής των οικογενειών αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται προς τούτο. Έτσι, η διατριβή επικεντρώνεται στην οικογένεια αλγορίθμων δυναμικής σχεδίασης και

2 διαχείρισης ενός δικτύου (Dynamic Network Planning and Management DNPM), παρουσιάζοντας τους αλγορίθμους που την απαρτίζουν, ήτοι: RAT and Spectrum Selection: Επιλογή τεχνολογίας και φάσματος προς λειτουργία. Οι σχετικοί αλγόριθμοι παρουσιάζονται στα κεφάλαια 3 και 4. CDMA Configuration: Βελτιστοποίηση λειτουργίας επιλεχθέντων CDMA συστημάτων. Ένας σχετικός αλγόριθμος διαχείρισης του διαθέσιμου CDMA φάσματος παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 5. OFDMA Configuration: Βελτιστοποίηση λειτουργίας επιλεχθέντων OFDMA συστημάτων. Μια τεχνική αποτίμησης της μεθόδου δεξαμενής φάσματος (spectrum pooling) σε επιλεχθέντα OFDMA συστήματα παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 6. Παράλληλα, παρουσιάζονται οι αλληλεπιδράσεις των ανωτέρω οντοτήτων (αλγορίθμων) της οικογένειας DNPM. Τέλος, το κεφάλαιο κλείνει με μια ματιά στις μελλοντικές τάσεις των συστημάτων διαχείρισης δικτύων επικοινωνιών, δίνοντας έμφαση στη δυνατότητα απόκτησης γνώσης που θα βοηθήσει σε ταχύτερες και αποτελεσματικότερες αποφάσεις και στους μηχανισμούς που απαιτούνται προς τούτο. Στο 3 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πρώτο κομμάτι των αλγορίθμων, ως αναφέρθηκε ανωτέρω, ήτοι το RAT and Spectrum Selection. Ο γενικής μορφής RAT and Spectrum Selection αλγόριθμος δύναται να εφαρμοστεί σε συστήματα reconfigurable και cognitive δικτύων. H εν λόγω τεχνική θεωρεί μια περιοχή ενός δικτύου, η οποία λόγω υπερφόρτωσης, χρήζει εκ νέου προσαρμογής στις εξωτερικές συνθήκες, προκειμένου να εξυπηρετήσει με βέλτιστο τρόπο τους χρήστες εντός της περιοχής. Στην περιοχή αυτή υπάρχουν δυναμικά αναδιαρθρούμενοι πομποδέκτες που λειτουργούν με τυχούσες τεχνολογίες επικοινωνιών. Ο αλγόριθμος, αφού λάβει υπόψη του τις δυνατότητες όλων των πιθανών αναδιαρθρώσεων (κατανομές τεχνολογιών, φάσματος και κίνησης στους πομποδέκτες), επιλέγει τη βέλτιστη εξ αυτών, με τρόπο που να αναθέτει στους χρήστες τα βελτιστα δυνατά επίπεδα ποιότητας υπηρεσίας, ελαττώνοντας παράλληλα το απαιτούμενο κόστος (ως προς την παροχή των ζητηθέντων επιπέδων ποιότητας, αλλά και ως προς την απαιτούμενη σηματοδοσία). Το πρόβλημα μοντελοποιείται μαθηματικά και παρουσιάζεται η γενικευμένη μέθοδος επίλυσής του, η οποία βασίζεται στη βελτιστοποίηση μιας αντικειμενικής συνάρτησης, που συνίσταται στη

3 μεγιστοποίηση των παρεχομένων επιπέδων ποιότητας και στην ελαχιστοποίηση του κόστους. Mια παραλλαγή/απλούστευση της γενικής μορφής του αλγορίθμου σε περιπτώσεις σημερινών (εμπορικών) δικτύων, καλείται να αντιμετωπίσει το πρόβλημα RDQ-A ( RAT, Demand and QoS Assignment ) που αναφαίνεται συχνά σε αυτά. Η εν λόγω τεχνική θεωρεί ως διάρθρωση ενός δικτύου μόνο την επιλογή RAT προς λειτουργία, με στόχο τη χρήση του σε σημερινές εμπορικά εκμεταλλεύσιμες τεχνολογίες, όπως οι UMTS/HSDPA και WLAN/WiMAX. O προσαρμοσμένος αλγόριθμος θεωρεί και πάλι ένα τμήμα δικτύου που χρήζει προσαρμογής σε νέες συνθήκες, όμως τώρα οι χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες στους διαθέσιμους πομποδέκτες είναι οι UMTS/HSDPA και WLAN/WiMAX. Ο αλγόριθμος αφού εξετάσει και πάλι όλες τις δυνατές κατανομές τεχνολογιών στους πομποδέκτες, επιλέγει την καταλληλότερη εξ αυτών, αποφασίζοντας παράλληλα και για την κατανομή της ζήτησης σε αυτούς και σε επίπεδα QoS. Το κριτήριο για την απόφαση είναι και πάλι η παροχή όσο το δυνατόν αυξημένων επιπέδων ποιότητας υπηρεσίας στους χρήστες, με το ελάχιστο δυνατό κόστος. Και πάλι το πρόβλημα μοντελοποιείται μαθηματικά και παρουσιάζεται η αναλυτική μέθοδος επίλυσής του, η οποία συνίσταται και πάλι στη βελτιστοποίηση μιας αντικειμενικής συνάρτησης. Τέλος, παρουσιάζονται και πιθανές επεκτάσεις των 2 τεχνικών, κυρίως όσον αφορά τη δυνατότητα ενσωμάτωσης του στοιχείου της γνώσης, που θα τους προσδώσει το χαρακτηρισμό cognitive. Στο 4 ο κεφάλαιο, η διατριβή ασχολείται με την παρουσίαση αναλυτικών αποτελεσμάτων των ανωτέρω αλγορίθμων, προκειμένου να πιστοποιηθεί η ορθότητα των ισχυρισμών και να καταδειχθεί η εφαρμοστικότητα των αλγορίθμων σε ρεαλιστικές καταστάσεις. Προς τούτο, αρχικά εξετάζονται διάφορα σενάρια εφαρμογής της γενικευμένης μεθόδου RΑΤ and Spectrum Selection και παρουσιάζονται αποτελέσματα από προσομοιώσεις. Κατόπιν, εξετάζονται κάποια σενάρια εφαρμογής της προς αντιμετώπιση του RDQ-A προβλήματος σε υπερφορτωμένα δίκτυα UMTS/HSDPA και WLAN/WiMAX. Έτσι, πραγματοποιούνται εκ νέου προσομοιώσεις και παραθέτονται τα αποτελέσματα εξ αυτών, που αναδεικνύουν την καταλληλότητα της μεθόδου για reconfigurable δίκτυα.

4 Στο 5 ο κεφάλαιο απαντάται το ερώτημα που τίθεται σχετικά με τη βέλτιστη διαχείριση του φάσματος των ήδη επιλεχθέντων συστημάτων προς λειτουργία σε ένα τμήμα B3G δικτύου. Έτσι, αναπτύσσεται μια μέθοδος για τη διαχείριση του φάσματος σε συστήματα CDMA που έχουν επιλεχθεί προς λειτουργία με τους ανωτέρω αλγορίθμους. H μέθοδος ονομάζεται Demand Allocation into Multiple Carriers (DAMC). Στόχος της είναι, θεωρώντας ένα σύνολο από πομποδέκτες που χρησιμοποιούν τεχνολογίες CDMA, να κατανείμει τα διαθέσιμα CDMA φέροντα στους εν λόγω πομποδέκτες. Για την κατανομή αυτή υποθέτονται διάφορες πολιτικές κατανομής και τελικά επιλέγεται εκείνη η πολιτική που ικανοποιεί το κριτήριο της ελάχιστης εκπεμπόμενης και λαμβανόμενης ισχύος σε ολόκληρο το τμήμα δικτύου. Η μέθοδος DAMC μοντελοποιείται μαθηματικά και εξετάζονται διάφορα πιθανά σενάρια εφαρμογής της, ενώ εν συνεχεία παρουσιάζονται ορισμένα ενδεικτικά αποτελέσματα από την εφαρμογή της σε ένα προσομοιωμένο δίκτυο. Στο 6 ο κεφάλαιο μελετάται το θέμα της εμπορικής εκμετάλλευσης του φάσματος, με έμφαση στο διαθέσιμο φάσμα για τεχνολογίες OFDMA. Αναλύονται διάφορες παράμετροι του θέματος αναφορικά με τη δυνατότητα αξιοποίησης του OFDMA φάσματος και εκτιμάται απο επιχειρηματικής / εμπορικής σκοπιάς το αποτέλεσμα της εκμετάλλευσής του από έναν πάροχο, όσο και της από κοινού εκμετάλλευσής του από μια μερίδα παρόχων, μέσω της δημιουργίας μιας δεξαμενής φάσματος (Spectrum Pooling). Η μέθοδος αποτίμησης της επίδοσης της τεχνικής δεξαμενής φάσματος μοντελοποιείται μαθηματικά. Στη συνέχεια θεωρούνται διάφορα σενάρια εφαρμογής της και παρουσιάζονται ενδεικτικά αποτελέσματα από την εφαρμογή της, τα οποία καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητά της. Τέλος, στο 7 ο κεφάλαιο περιγράφονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διατριβή και προτείνονται κάποιες πιθανές μελλοντικές επεκτάσεις για τη συνέχιση της εργασίας σε θέματα που προέκυψαν εξ αυτής. Σε γενικές γραμμές, κεντρικό αντικείμενο της διατριβής αποτελεί ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ταχέων και αποτελεσματικών αλγορίθμων για την επίλυση προβλημάτων (μαθηματικά μοντελοποιημένων) που σχετίζονται με τη διαχείριση πόρων και φάσματος, και τη σχεδίαση υποδομών B3G. Παράλληλα, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις, τα αποτελέσματα των οποίων χρησιμοποιούνται για την πιστοποίηση της ορθότητας των ισχυρισμών σχετικά με την καταλληλότητα των παρουσιαζομένων μεθόδων επίλυσης των προβλημάτων.

5 Λέξεις κλειδιά: Συστήματα B3G, Δυναμική αναδιάρθρωση δικτύων, γνωσιακά δίκτυα, διαχείριση πόρων, διαχείριση φάσματος, βελτιστοποίηση