ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΣΜΗΜΑ: ΦΤΙΚΟ ΔΠΜ: ΗΛΕΚΣΡΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΙΑ ΣΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΣΜΗΜΑ: ΦΤΙΚΟ ΔΠΜ: ΗΛΕΚΣΡΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΙΑ ΣΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑ ΜΕΛΕΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΑΝΑΘΕΗ ΡΑΔΙΟΠΟΡΩΝ ΚΑΙ ΕΛΕΓΥΟΤ ΣΗ ΙΥΤΟ Ε ΑΤΡΜΑΣΑ ΚΤΣΣΑΡΙΚΑ ΔΙΚΣΤΑ ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ ΑΝΤΩΝΙΑ ΠΑΠΑΜΙΦΑΛΟΠΟΥΛΟΥ ΤΟΥ ΜΙΦΑΗΛ Α.Μ.: 100 ΔΠΙΒΛΔΠΩΝ : κ. Κωηζόποςλορ Σηαύπορ Πάηπα, Φεβποςάπιορ 2012

2 2

3 ΠΙΣΟΠΟΙΗΗ Πιζηοποιείηαι όηι η Γιπλωμαηική Δπγαζία με θέμα «Μελέηη αλγορίθμων ανάθεζης ραδιοπόρων και ελέγτοσ ηης ιζτύος ζε αζύρμαηα κσηηαρικά δίκησα» Τηρ θοιηήηπιαρ ηος ΓΠΜΣ Η.Δ.Π. ηος Τμήμαηορ Φςζικήρ Παπαμισαλοπούλος Ανηωνίαρ ηος Μισαήλ Α.Μ.: 100 Παποςζιάζηηκε δημόζια και εξεηάζηηκε ζηο Τμήμα Φςζικήρ ζηιρ 09/ 02/ 2012 Ο Δπιβλέπων Τπιμελήρ Δπιηποπή Κωηζόποςλορ Σηαύπορ 3

4 4

5 ΠΕΡΙΛΗΧΗ ηε παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία εμεηάδεηαη ε πεξίπησζε ηνπ δηακνηξαζκνχ ησλ δηαζέζηκσλ πφξσλ ελφο αζχξκαηνπ ζπζηήκαηνο επηθνηλσλίαο ζηνπο ρξήζηεο πνπ εμππεξεηεί. Γίλεηαη ε ππφζεζε φηη ην αζχξκαην ζχζηεκα θάλεη ρξήζε ηεο ηερληθήο πνιιαπιήο πξφζβαζεο OFDMA, δειαδή φηη ρξεζηκνπνηεί έλαλ αξηζκφ νξζνγψλησλ ππνθνξέσλ ηνλ νπνίν αλαζέηεη ζηνπο ρξήζηεο γηα ηε κεηάδνζε ηεο πιεξνθνξίαο. Ζ κειέηε εζηηάδεηαη ζηελ θάησ δεχμε (downlink) ηνπ ζπζηήκαηνο OFDMA, δειαδή ζηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ απφ ηνλ ζηαζκφ βάζεο ηεο θπςέιεο ζηνπο ρξήζηεο δέθηεο. Οη δηαζέζηκνη πφξνη ηνπ ζπζηήκαηνο είλαη νη νξζνγψληνη ππνθνξείο θαη ε ζπλνιηθή δηαζέζηκε ηζρχο ζην ζηαζκφ βάζεο. Θεσξνχκε φηη ν ζηαζκφο βάζεο έρεη ζηε δηάζεζή ηνπ ηέιεηα γλψζε ηνπ θαλαιηνχ πνπ ηνλ ζπλδέεη κε θάζε ρξήζηε (channel state information CSI) κέζσ θαλαιηψλ αλάδξαζεο. Ζ πιεξνθνξία θαηάζηαζεο ηνπ θαλαιηνχ ρξεζηκνπνηείηαη απφ ηνλ ζηαζκφ βάζεο γηα ηελ θαηαλνκή ησλ πφξσλ πξνο ηνπο ρξήζηεο κε ρξήζε θαηάιιεισλ αιγνξίζκσλ. θνπφο ηεο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη ε κειέηε δηαθνξεηηθψλ ζελαξίσλ θαηαλνκήο ησλ πφξσλ πνπ πεξηιακβάλνπλ αιγνξίζκνπο γηα ηελ αλάζεζε ησλ ππνθνξέσλ θαη ην δηακνηξαζκφ ησλ θαηάιιεισλ πνζνηήησλ ηζρχνο ζηνπο ππνθνξείο. Αλάινγα κε ην ζηφρν θαη ηηο αλάγθεο ησλ ρξεζηψλ ηνπ ζπζηήκαηνο, θαζψο θαη κε ην πνζφ ηεο δηαζέζηκεο πιεξνθνξίαο θαλαιηνχ ζην ζηαζκφ βάζεο, ρξεζηκνπνηνχληαη δηαθνξεηηθνί αιγφξηζκνη. Σν βαζηθφ πιενλέθηεκα ηεο OFDMA ηερληθήο πνιιαπιήο πξφζβαζεο, ην νπνίν εθκεηαιιεχνληαη θαη απηά ηα ζελάξηα θαηαλνκήο είλαη ην γεγνλφο φηη έλα ππνθέξνλ θαθήο πνηφηεηαο γηα έλα 5

6 ρξήζηε κπνξεί λα είλαη θαιήο πνηφηεηαο γηα έλαλ άιιν θαη επνκέλσο λα αλαηεζεί θαηάιιεια. πγθεθξηκέλα, πξαγκαηνπνηήζεθε πξνζνκνίσζε νξηζκέλσλ ζρεκάησλ θαηαλνκήο πφξσλ (ηα ζηαηηθά ζρήκαηα: Reuse-1, SFR, PFR θαη ην δπλακηθφ ζρήκα Prop.Alg.) απνζθνπψληαο ζηνλ εληνπηζκφ εθείλνπ ηνπ ζρήκαηνο πνπ παξνπζηάδεη ηε θαιχηεξε απφδνζε. Απηφ πξνέθπςε ιακβάλνληαο σο κέηξν ηεο απφδνζεο ηελ απφθξηζε θάζε ζρήκαηνο πάλσ ζε δηάθνξα κεγέζε φπσο γηα παξάδεηγκα ηελ ξπζκαπφδνζε ησλ ρξεζηψλ σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ ζην άθξν ηεο θπςέιεο ή ηε δηεθπεξαησηηθφηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο σο πξνο ηνλ ζπλνιηθφ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ πνπ εμππεξεηνχληαη. 6

7 ΠΕΡΙΕΦΟΜΕΝΑ ΚΕΥΑΛΑΙΟ ΑΤΡΜΑΣΑ ΔΙΚΣΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΨΝΙΨΝ Εισαγωγή Ιστορική εξέλιξη δικτύων ασύρματων κινητών επικοινωνιών Σεχνολογίες 1 ης γενιάς (1G) Σεχνολογίες 2 ης γενιάς (2G) Σεχνολογίες 2.5 ης γενιάς (2.5G) Σεχνολογίες 3 ης γενιάς (3G) Σεχνολογίες 4 ης γενιάς (4G) ΚΕΥΑΛΑΙΟ Η ΣΕΦΝΙΚΗ OFDM/OFDMA Εισαγωγή Περιγραφή της τεχνικής OFDM Βασικές αρχές OFDM σήματος Ορθογωνιότητα στην OFDM Παραγωγή και λήψη σημάτων OFDM Μετατροπή από σειριακή σε παράλληλη μορφή χήμα Διαμόρφωσης Μετατροπή από το πεδίο της συχνότητας στο πεδίο του χρόνου Φρόνος Προστασίας Επιλογή παραμέτρων κατά τον σχεδιασμό OFDM συστήματος Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της OFDM τεχνικής Εισαγωγή στην τεχνική πολλαπλής πρόσβασης OFDMA Οι θεμελιώδεις αρχές του OFDMA Πλεονεκτήματα / Μειονεκτήματα OFDMA ΚΕΥΑΛΑΙΟ ΑΠΟΔΟΣΙΚΗ ΦΡΗΗ ΑΤΡΜΑΣΨΝ ΠΟΡΨΝ Εισαγωγή Παράγοντες που καθορίζουν την αποδοτική διαχείριση ασύρματων πόρων χήμα πολλαπλής πρόσβασης

8 3.2.2 Εξασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας τρατηγικές κατανομής καναλιών τατική κατανομή καναλιών (Fixed Channel Allocation) Δυναμική κατανομή καναλιών (Dynamic channel allocation) Τβριδική κατανομή καναλιών (Hybrid channel allocation) ΚΕΥΑΛΑΙΟ ΑΝΑΘΕΗ ΡΑΔΙΟΠΟΡΨΝ Ε ΠΟΛΤΚΤΧΕΛΨΣΑ ΤΣΗΜΑΣΑ OFDMA Μοντελοποίηση προβλήματος Έλεγχος ισχύος Πρόβλημα διαχείρισης πόρων Σο πρόβλημα της ελαχιστοποίησης της εκπεμπόμενης ισχύος Σο πρόβλημα της μεγιστοποίησης του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων ΚΕΥΑΛΑΙΟ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΙΑΦΕΙΡΙΗ ΡΑΔΙΟΠΟΡΨΝ Ε ΤΣΗΜΑΣΑ OFDMA Σεχνική προσαρμοστικής απόδοσης καναλιών με προτεραιότητα στους χρήστες (adaptive) Βήμα 1: Επιλογή κατάλληλης κυψέλης για την εξυπηρέτηση του χρήστη Βήμα 2: Απόδοση καναλιών στους χρήστες της κυψέλης Βήμα 3: Επιλογή του επιπέδου διαμόρφωσης και έλεγχος ισχύος Σεχνική σειριακής απόδοσης καναλιών (sequential) Βήμα 1: Επιλογή κατάλληλης κυψέλης για την εξυπηρέτηση του χρήστη Βήμα 2: Απόδοση καναλιών στον χρήστη Βήμα 3: Επιλογή του επιπέδου διαμόρφωσης και έλεγχος ισχύος Σεχνική απλής συντονισμένης απόδοσης καναλιών (coordinated) Σεχνική τυχαίας απόδοσης καναλιών (random) υνδυαστική τεχνική τυχαίας και συντονισμένης απόδοσης καναλιών (random-coordinated) ΚΕΥΑΛΑΙΟ ΠΡΟΟΜΟΙΨΗ ΣΨΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΨΝ ΔΙΑΦΕΙΡΙΗ ΡΑΔΙΟΠΟΡΨΝ τατικά σχήματα συντονισμένης επαναχρη- σιμοποίησης πόρων Θεμελιώδη σχήματα επαναχρησιμοποίησης ύνθετα σχήματα επαναχρησιμοποίησης χήμα κατανομής πόρων με δυναμικό συντονισμό της παρεμβολής μεταξύ των κυψελών (Prop.Alg.)

9 6.3 Προσομοίωση ΠΑΡΑΡΣΖΜΑ ΒΗΒΛΗΟΓΡΑΦΗΑ 129 9

10 10

11 ΕΤΡΕΣΗΡΙΟ ΦΗΜΑΣΨΝ ρήκα 1.1: Ζ εμέιημε ησλ δηθηχσλ θηλεηήο ηειεθσλίαο...18 ρήκα 1.2: Δμέιημε ηερλνινγηψλ δηθηχσλ κεηά ηε δεχηεξε γεληά...21 ρήκα 1.3: Δμέιημε ηαρχηεηαο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ ζηηο θηλεηέο επηθνηλσλίεο..25 ρήκα 2.1: Σερληθή (α) κε επηθαιππηφκελσλ θεξφλησλ, (β) επηθαιππηφκελσλ θεξφλησλ...31 ρήκα 2.2: ρεκαηηθή παξνπζίαζε παξάιιειεο κεηάδνζεο ρξεζηκνπνηψληαο Ν=4 ππνθέξνληα γηα εχξνο δψλεο BW..32 ρήκα 2.3: FDM κε ελλέα ππνθέξνληα...34 ρήκα 2.4: OFDM κε ελλέα ππνθέξνληα 35 ρήκα 2.5: Σξία ππνθέξνληα εληφο ελφο OFDMΑ ζπκβφινπ. 36 ρήκα 2.6: Φάζκα OFDM κε 3 ππνθέξνληα...37 ρήκα 2.7: Μπινθ δηάγξακκα πνκπνδέθηε OFDM.38 ρήκα 2.8: Δπίδξαζε ηεο πνιχνδεο δηάδνζεο κε κεδεληθφ ζήκα σο ρξφλν πξνζηαζίαο.42 ρήκα 2.9: OFDM ζχκβνιν κε θπθιηθή επέθηαζε σο ρξφλν πξνζηαζίαο..43 ρήκα 2.10: Ζ ηερληθή πξφζβαζεο OFDMA...48 ρήκα 2.11: OFDMA κεηάδνζε θάησ δεχμεο αλαζέηνληαο ζε δηαθνξεηηθνχο ρξήζηεο δηαθνξεηηθά ππνθέξνληα.49 ρήκα 3.1: Απφζηαζε επαλαρξεζηκνπνίεζεο γηα ην ζχζηεκα ζηαηηθήο θαηαλνκήο θαλαιηψλ...55 ρήκα 5.1: Πξνζαξκνζηηθφο Αιγφξηζκνο...75 ρήκα 5.2: εηξηαθφο Αιγφξηζκνο ρήκα 5.3: Υσξηζκφο θπςέιεο ζε ππνπεξηνρέο ζηελ πεξίπησζε ηνπ random - coordinated αιγνξίζκνπ...83 ρήκα 6.1: Βαζηθά ζρήκαηα επαλαρξεζηκνπνίεζεο πφξσλ ζε πνιπθπςεισηά ζπζηήκαηα

12 ρήκα 6.2: Ρπζκαπφδνζε ζε ζρέζε κε ηνλ αξηζκφ ησλ cell-edge ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο (Ν=100)...94 ρήκα 6.3: Άζξνηζκα ξπζκψλ δεδνκέλσλ ησλ ρξεζηψλ σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο (Ν=100)..95 ρήκα 6.4: Γείθηεο δηθαηνζχλεο σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ cell-edge ρξεζηψλ ηεο Κπςέιεο (Ν=100)..97 ρήκα 6.5: Γείθηεο δηθαηνζχλεο σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο (Ν=100).99 ρήκα 6.6: Ρπζκαπφδνζε ζε ζρέζε κε ηνλ αξηζκφ ησλ cell-edge ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο (Ν=50) ρήκα 6.7: Άζξνηζκα ξπζκψλ δεδνκέλσλ ησλ ρξεζηψλ σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο (Ν=50)..101 ρήκα 6.8: Γείθηεο δηθαηνζχλεο σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ cell-edge ρξεζηψλ ηεο Κπςέιεο (Ν=50)..102 ρήκα 6.9: Γείθηεο δηθαηνζχλεο σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο (Ν=50)

13 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΑΤΡΜΑΣΑ ΔΙΚΣΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΨΝΙΨΝ 1.1 Εισαγωγή Σα ηειεπηαία ρξφληα νη θνηλσληθέο θαη νηθνλνκηθέο κεηαβνιέο ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ απμαλφκελε αλάγθε γηα επίηεπμε πςειφηεξεο παξαγσγηθφηεηαο θαη απνδνηηθφηεηαο νδήγεζαλ ζε αικαηψδε αλάπηπμε ηελ ηερλνινγία ησλ επηθνηλσληψλ. Έηζη, ζην ζεκεξηλφ ηνπίν δηθηχσλ επηθνηλσληψλ έρνπκε ηελ παξνπζία δηθηχσλ επξείαο θαη πεξηνξηζκέλεο θάιπςεο, αζχξκαηα θαη ελζχξκαηα δίθηπα, επξπδσληθά θαη κε, θαζψο θαη ζπζηήκαηα κηθξήο θαη κεγάιεο θηλεηηθφηεηαο. Απηέο νη ηερλνινγίεο δηθηχσλ κνινλφηη θαίλνληαη αληαγσληζηηθέο θαζψο απεπζχλνληαη ζην ίδην ηκήκα ηεο αγνξάο ηειεπηθνηλσληψλ, νη πεξηνξηζκνί θαη ηα πιενλεθηήκαηα ηεο θαζεκίαο ηηο θαζηζηνχλ ζπκπιεξσκαηηθέο, κε δπλαηφηεηεο παξάιιειεο αλάπηπμεο θαη ζπλέξγεηαο κεηαμχ ηνπο. Παξάιιεια, ε πξνζθνξά ζεηξάο θαηλνηφκσλ ππεξεζηψλ πέξαλ ηεο ηππηθήο επηθνηλσλίαο θσλήο, καδί κε ηελ εμάπισζε ηεο ρξήζεο ησλ ππεξεζηψλ δηαδηθηχνπ, αιιά θαη ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ αλάγθε άξζεο ησλ πεξηνξηζκψλ εγθαηάζηαζεο ησλ ελζχξκαησλ δηθηχσλ νδήγεζαλ ζε κηα δηαξθψο απμαλφκελε απαίηεζε γηα επξεία αζχξκαηε επξπδσληθή πξφζβαζε. Οη ζπλζήθεο απηέο νδήγεζαλ ζε κηα κεγάιε εμάπισζε ησλ αζχξκαησλ δηθηχσλ επηθνηλσληψλ πνπ ζπλνδεχεηαη απφ κηα αληίζηνηρε δηεχξπλζε ηεο αγνξάο αιιά θαη ηνπ επηζηεκνληθνχ ελδηαθέξνληνο ζηνπο ηνκείο απηνχο. Σα αζχξκαηα δίθηπα επηθνηλσληψλ κε ηελ πνηθηιία 13

14 πξνηχπσλ, αξρηηεθηνληθψλ θαη ηερλνινγηψλ ηνπο είλαη ζε ζέζε λα πξνζθέξνπλ έλα πιήζνο ιχζεσλ γηα ηελ παξνρή αζχξκαηεο επξπδσληθήο πξφζβαζεο κε δπλαηφηεηεο θηλεηηθφηεηαο ησλ ηειηθψλ ρξεζηψλ πξνζαξκνδφκελα θαηά απφιπην ηξφπν ζηηο αλάγθεο ηφζν ησλ παξφρσλ φζν θαη ησλ ηειηθψλ ρξεζηψλ. Δηδηθφηεξα, πξνζθέξνπλ ηε δπλαηφηεηα εμππεξέηεζεο κεγάισλ γεσγξαθηθψλ πεξηνρψλ ρσξίο λα απαηηνχληαη ηεξάζηηεο επελδχζεηο ζε ππνδνκέο, ζε αληίζεζε κε ηηο αληίζηνηρεο ελζχξκαηεο ηερλνινγίεο. Απηφ έρεη άιισζηε θαη άκεζν αληίθηππν ζην ρξφλν απφζβεζεο ησλ επελδχζεσλ απφ ηελ πιεπξά ησλ παξφρσλ. Δπηπιένλ, έλα πξφζζεην πιενλέθηεκα ησλ ηερλνινγηψλ αζχξκαηεο επξπδσληθήο πξφζβαζεο είηε θηλεηήο είηε ζηαζεξήο είλαη φηη ε εγθαηάζηαζε ηνπ δηθηχνπ θαη ησλ ζρεηηθψλ ππνδνκψλ δελ δηαηαξάζζεη ην θπζηθφ θαη αλζξψπηλν πεξηβάιινλ ελψ ε αλάπηπμε ηνπο ραξαθηεξίδεηαη σο θιηκαθσηή αθνχ επεθηείλεηαη αλάινγα κε ηε δήηεζε. Παξάιιεια κε ηελ εμέιημε ηεο δηθηπαθήο ππνδνκήο, νη ηάζεηο πνπ επηθξαηνχλ ζήκεξα επλννχλ ηελ αλάπηπμε εμειηγκέλσλ ππεξεζηψλ. Έηζη, εθηφο απφ ηηο θιαζηθέο ππεξεζίεο (θσλή, βηληενθιήζε, θηι), παξαηεξείηαη ε ελζσκάησζε κεραληζκψλ γηα εθαξκνγέο πξσηνθφιινπ δηαδηθηχνπ IP (Internet Protocol) θαη κεηαθνξά δεδνκέλσλ, απφ ηηο πην απιέο (πινήγεζε, ειεθηξνληθφ ηαρπδξνκείν, θηι), κέρξη θαη εθαξκνγέο πνιπκέζσλ. Δθηφο φκσο απφ ηα ζεκαληηθά πιενλεθηήκαηα πνπ έρεη ε πηνζέηεζε ηεο αζχξκαηεο πξφζβαζεο γηα ηελ επηθνηλσλία ησλ ρξεζηψλ ππάξρνπλ θαη αξθεηνί πεξηνξηζκνί πνπ νθείινληαη θαηά θχξην ιφγν ζηελ έιιεηςε πφξσλ κε θπξηφηεξν ην ξαδηνθάζκα, κε απνηέιεζκα ηελ αδπλακία αλάπηπμεο αζχξκαησλ δηθηχσλ πνπ λα ιεηηνπξγνχλ ηαπηφρξνλα κε πνιχ κεγάιε ρσξεηηθφηεηα, πςεινχο ξπζκνχο κεηάδνζεο αιιά θαη ρακεινχο ξπζκνχο ιαζψλ. Δπηπιένλ, ε επίηεπμε ηεο δηαιεηηνπξγηθφηεηαο ησλ δηθηχσλ απαηηεί θαη ηελ πινπνίεζε 14

15 κεραληζκψλ πνπ ζα γεθπξψλνπλ ην ράζκα κεηαμχ ησλ δηαθνξεηηθψλ ηερλνινγηψλ. Γηα ηελ αληηκεηψπηζε ησλ δεηεκάησλ απηψλ θξίλεηαη αλαγθαία ε έξεπλα θαη αλάπηπμε πξνεγκέλσλ ηερληθψλ δηαρείξηζεο πφξσλ πνπ ζα πξνζθέξνπλ ηηο απαηηνχκελεο ζπλζήθεο γηα ηελ εμαζθάιηζε ηεο παξνρήο πνηφηεηαο ππεξεζίαο QoS (Quality of Service). Ζ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία, ε νπνία απνζθνπεί ζηε κειέηε ηερληθψλ δηαρείξηζεο ξαδηνπφξσλ (ππνθνξέσλ, ηζρχνο) ελφο OFDMA ζπζηήκαηνο θαηεξρφκελεο δεχμεο, απνηειείηαη απφ έμη θεθάιαηα ηα νπνία παξνπζηάδνληαη ζπλνπηηθά παξαθάησ: ην 1 ν θεθάιαην παξνπζηάδεηαη κηα γεληθή εηζαγσγή ζηελ ηζηνξία ησλ αζχξκαησλ δηθηχσλ θηλεηψλ επηθνηλσληψλ. πγθεθξηκέλα, αλαιχεηαη ε εμέιημε ησλ ηερλνινγηψλ θηλεηψλ επηθνηλσληψλ απφ ηελ 1 ε γεληά έσο θαη ηελ 4 ε γεληά ζηελ νπνία βξηζθφκαζηε ζήκεξα. ην 2 ν θεθάιαην πεξηγξάθεηαη ε ηερληθή ηεο νξζνγσληθήο πνιππιεμίαο κε δηαίξεζε ζπρλφηεηαο (OFDM), αλαθέξνληαο ηηο βαζηθέο αξρέο ηεο ηερληθήο θαη ηα ζεκαληηθφηεξα πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα ηεο, ελψ ζην ηέινο ηνπ θεθαιαίνπ πεξηγξάθεηαη ε ηερληθή πνιιαπιήο πξφζβαζεο OFDMΑ. ην 3 ν θεθάιαην εμεηάδνληαη νη βαζηθέο αξρέο δηαρείξηζεο αζχξκαησλ πφξσλ. πγθεθξηκέλα, παξνπζηάδνληαη νη θχξηνη παξάγνληεο πνπ θαζνξίδνπλ ηελ αμηνπνίεζε ησλ δηαζέζηκσλ πφξσλ ελφο αζχξκαηνπ ζπζηήκαηνο νη νπνίνη είλαη: ην ζρήκα πνιιαπιήο πξφζβαζεο, ε εμαζθάιηζε ηεο πνηφηεηαο QoS θαη ν ηξφπνο θαηαλνκήο ησλ πφξσλ ζηνπο ρξήζηεο ηνπ ζπζηήκαηνο. ην 4 ν θεθάιαην κειεηάηαη ην πξφβιεκα ηεο δηαρείξηζεο αζπξκάησλ πφξσλ γηα έλα πνιπθπςεισηφ OFDMA ζχζηεκα, ζην νπνίν επηηξέπεηαη ε επαλαρξεζηκνπνίεζε θεξφλησλ κεηαμχ ησλ δηαθνξεηηθψλ θπςειψλ ηνπ ζπζηήκαηνο. 15

16 ην 5 ν θεθάιαην παξνπζηάδεηαη έλα ζχλνιν αιγνξίζκσλ πνπ επηιχνπλ ην πξφβιεκα ηεο δηαρείξηζεο αζπξκάησλ πφξσλ γηα έλα πνιπθπςεισηφ OFDMA ζχζηεκα κε γλψκνλα ηελ ειαρηζηνπνίεζε ηεο εθπεκπφκελεο ηζρχνο. πλνιηθά παξνπζηάδνληαη πέληε δηαθνξεηηθέο πξνζεγγίζεηο ζην πξφβιεκα, φπνπ θαη αλαιχεηαη ν αιγφξηζκνο θαζψο θαη ηα πιενλεθηήκαηα ή θαη κεηνλεθηήκαηα πνπ απηφο εκθαλίδεη: Ζ ηερληθή πξνζαξκνζηηθήο απφδνζεο θαλαιηψλ κε πξνηεξαηφηεηα ζηνπο ρξήζηεο (adaptive), ε ηερληθή ζεηξηαθήο απφδνζεο θαλαιηψλ (sequential), ε ηερληθή απιήο ζπληνληζκέλεο απφδνζεο θαλαιηψλ (coordinated), ε ηερληθή ηπραίαο απφδνζεο θαλαιηψλ (random) θαη ε ζπλδπαζηηθή ηερληθή ηπραίαο θαη ζπληνληζκέλεο απφδνζεο θαλαιηψλ (random-coordinated). ην 6 ν θεθάιαην πξαγκαηνπνηείηαη ε πξνζνκνίσζε δηαθφξσλ ζρεκάησλ θαηαλνκήο πφξσλ. Πξφθεηηαη γηα ηα ζηαηηθά ζρήκαηα SFR, PFR γηα ηε ηερληθή coordinated θαη Reuse-1 γηα ηε random ηερληθή ελψ επηιέγεηαη θαη έλα δπλακηθφ ζρήκα θαηαλνκήο (Prop.Alg.). Ζ πξνζνκνίσζε πξαγκαηνπνηείηαη γηα Ν=100 θαη Ν=50 δηαζέζηκα OFDMA θέξνληα. ην παξάξηεκα παξαηίζεηαη ν θψδηθαο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηελ πξνζνκνίσζε. 1.2 Ιστορική εξέλιξη δικτύων ασύρματων κινητών επικοινωνιών Σα πξψηα ζπζηήκαηα επηθνηλσληψλ ρξεζηκνπνηήζεθαλ απφ αζηπλνκηθά ηκήκαηα ζε πφιεηο ησλ Ζ.Π.Α. γηα ιφγνπο αζθαιείαο. Ζ πξψηε εκθάληζε θηλεηήο αζχξκαηεο δεχμεο πξαγκαηνπνηήζεθε ζηα 2 MHz γχξσ ζην 1921 ζηα πιαίζηα ησλ αλαγθψλ ηεο αζηπλνκίαο ηνπ 16

17 Detroit. Σα πιενλεθηήκαηα ηεο λέαο ηερλνινγίαο έγηλαλ ακέζσο θαλεξά, φκσο ε έιιεηςε θαλαιηψλ ζηηο δψλεο ρακειψλ ζπρλνηήησλ θαηέζηεζε αλέθηθηε ηελ επξχηεξε ρξήζε ηεο. Ζ εηζαγσγή ηεο δηακφξθσζεο ζπρλφηεηαο (FM) ην 1935 θαη ε πηνζέηεζή ηεο απφ φια ηα ζπζηήκαηα θηλεηψλ επηθνηλσληψλ έδσζε ηελ δπλαηφηεηα γηα πςειήο πνηφηεηαο αζχξκαηεο επηθνηλσλίεο. Σν 1946 ε Bell Systems εηζήγαγε έλα πξνζσπηθφ ζχζηεκα επηθνηλσληψλ ην νπνίν ιεηηνπξγνχζε ζηα 150 MHz κε θαλάιηα θσλήο δηαρσξηζκέλα αλά 120 KHz. Καζψο ε δήηεζε γηα δεκφζηεο αζχξκαηεο ππεξεζίεο ζπλερψο απμαλφηαλ, ε AT&T θαηαζθεχαζε ρξεζηκνπνηψληαο ηερλνινγία FM ηα ζπζηήκαηα IMTS (Improved Mobile Telephone Service). Απηά είλαη ηα πξψηα ζπζηήκαηα θηλεηήο ηειεθσλίαο πνπ ζπλδένληαη κε ην ήδε ππάξρνλ δεκφζην ηειεθσληθφ δίθηπν θαη ρξεζηκνπνηνχλ θαζνξηζκέλν αξηζκφ ξαδηνθαλαιηψλ ζε κηα πεξηνξηζκέλε γεσγξαθηθή πεξηνρή. Ζ επέθηαζε ηεο ηερλνινγίαο γηα ηελ εμππεξέηεζε πεξηζζφηεξσλ ρξεζηψλ κε ηελ ρξήζε πιήξσο ακθίδξνκσλ θαλαιηψλ πξνυπφζεηε ηελ επέθηαζε ηνπ εχξνπο δψλεο. Ζ ιχζε ήηαλ ηα θπςεισηά ζπζηήκαηα, πνπ ζπλέιαβε ν Ring ζηα εξγαζηήξηα ΑΣ&Σ Bell ην Ζ βαζηθή ηδέα ήηαλ ν ρσξηζκφο κηαο πεξηνρήο θάιπςεο ζε κηθξέο θπςέιεο, θάζε κία απφ ηηο νπνίεο επαλαρξεζηκνπνηεί δηαχινπο, ψζηε λα απμεζεί ε ρσξεηηθφηεηα ησλ ζπζηεκάησλ. Μφιηο φκσο ην 1976, φηαλ ε ηερλνινγία ήηαλ πιένλ ψξηκε θαη ηθαλή λα πξνζθέξεη ηελ απαξαίηεηε ππνδνκή, ην WARC (World Administrative Radio Conference) ελέθξηλε ηελ απφδνζε ζπρλνηήησλ γηα θπςεισηά ζπζηήκαηα ζηελ πεξηνρή ησλ 800/900MHz ζέηνληαο ηε βάζε γηα ηελ αλάπηπμε εκπνξηθψλ ζπζηεκάησλ. Ζ αλάπηπμε θαη εμέιημε ησλ δηθηχσλ αζπξκάησλ θηλεηψλ επηθνηλσληψλ ρσξίδεηαη ζε ηξεηο βαζηθέο γεληέο ζπζηεκάησλ θαη ηερλνινγηψλ. Αλάκεζα ζηηο ηξεηο γεληέο αλαπηχρζεθαλ θαη θάπνηεο 17

18 πβξηδηθέο ηερλνινγίεο νη νπνίεο ζαλ θχξην ζηφρν είραλ ηε γεθχξσζε κεηαμχ ησλ γελεψλ αιιά θαη ηελ εμαζθάιηζε ηεο δηαιεηηνπξγηθφηεηαο ησλ ζπζηεκάησλ θαηά ηε κεηάβαζε απφ ηε κηα ηερλνινγία ζηελ άιιε. Δπίζεο ζα πξέπεη λα αλαθέξνπκε φηη απηή ηε ζηηγκή βξίζθεηαη ππφ αλάπηπμε ε ηέηαξηε γεληά δηθηχσλ, ε νπνία ζα θέξεη κηα πξαγκαηηθή επαλάζηαζε ζην ρψξν ησλ αζπξκάησλ επηθνηλσληψλ αθνχ ζα γίλεη πξάμε ε ζχδεπμε ησλ αζπξκάησλ ηερλνινγηψλ θαη πξνηχπσλ θάησ απφ κία εληαία βάζε. ην ζρήκα 1.1, εκθαλίδεηαη ε εμέιημε ησλ ηερλνινγηψλ θηλεηψλ επηθνηλσληψλ: ρήκα 1.1: Ζ εμέιημε ησλ δηθηχσλ θηλεηήο ηειεθσλίαο Σεχνολογίες 1 ης γενιάς (1G) Ζ πξψηε γεληά ζπζηεκάησλ θπςεισηήο θηλεηήο ηειεθσλίαο εκθαλίζηεθε ζηα ηέιε ηεο δεθαεηίαο ηνπ 1970 ζηηο Ζ.Π.Α. θαη ζηελ Ηαπσλία θαη ζηηο αξρέο ηεο δεθαεηίαο ηνπ 1980 ζηελ Δπξψπε. Σα 18

19 ζπζηήκαηα απηά βαζίδνληαλ ζηελ αλαινγηθή ηερλνινγία θαη είραλ αξθεηνχο πεξηνξηζκνχο, φπσο αλεπαξθή ρξήζε ηνπ πεξηνξηζκέλνπ θάζκαηνο ζπρλνηήησλ, έιιεηςε ή πεξηνξηζκέλε ηθαλφηεηα θξππηνγξάθεζεο θαη έιιεηςε παξνρήο ππνζηήξημεο γηα παξνρή πξνεγκέλσλ ππεξεζηψλ. Υαξαθηεξηζηηθφ παξάδεηγκα ηέηνηνπ ζπζηήκαηνο είλαη ην AMPS (Advanced Mobile Phone System). Σα αλαινγηθά ζπζηήκαηα θηλεηήο ηειεθσλίαο απνηέιεζαλ κεγάιε εκπνξηθή επηηπρία ζην ρψξν ησλ ηειεπηθνηλσληψλ ζηε δεθαεηία ηνπ 1980, κε ξπζκνχο αλάπηπμεο πνπ μεπέξαζαλ θαηά πνιχ ηηο αξρηθέο πξνβιέςεηο. Ηδηαίηεξα πςεινί ξπζκνί αλάπηπμεο παξαηεξήζεθαλ ζηηο ζθαλδηλαβηθέο ρψξεο αιιά θαη ζηε Μ. Βξεηαλία, φπνπ ν αληαγσληζκφο αλάκεζα ζηνπο θνξείο εθκεηάιιεπζεο ησλ δηθηχσλ ήηαλ έληνλνο. Ζ απφηνκε φκσο αλάπηπμε δεκηνχξγεζε ζηαδηαθά πξνβιήκαηα ζπκθφξεζεο ζηα δίθηπα ιφγσ ηεο έιιεηςεο ζπρλνηήησλ θαη ηεο κε βέιηηζηεο ρξήζεο ηνπ θάζκαηνο. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ε αλεμάξηεηε αλάπηπμε πνιιψλ θαη δηαθνξεηηθψλ ζπζηεκάησλ θηλεηήο ηειεθσλίαο δεκηνχξγεζε πξνβιήκαηα αζπκβαηφηεηαο κεηαμχ ησλ δηθηχσλ. Απηφ είρε ζαλ απνηέιεζκα ν ζπλδξνκεηήο ελφο δηθηχνπ λα κε κπνξεί λα ρξεζηκνπνηήζεη ηηο ππεξεζίεο άιισλ δηθηχσλ έμσ απφ ηε ρψξα ηνπ. Βέβαηα ε εκπεηξία απφ ηα ζπζηήκαηα απηά ήηαλ ζεηηθή θαη έδεημε ηελ αλάγθε ηεο αγνξάο γηα παξνρή ππεξεζηψλ θηλεηψλ επηθνηλσληψλ Σεχνολογίες 2 ης γενιάς (2G) Πξνθεηκέλνπ λα μεπεξαζηνχλ ηα πξνβιήκαηα ηεο πξψηεο γεληάο δηθηχσλ αλαπηχρζεθε ε ηερλνινγία ησλ ςεθηαθψλ δηθηχσλ θηλεηψλ επηθνηλσληψλ. Σα πξψηα ηέηνηα δίθηπα έγηλαλ εκπνξηθά δηαζέζηκα ζηηο 19

20 αξρέο ηεο δεθαεηίαο ηνπ Σα ςεθηαθά απηά δίθηπα είλαη γλσζηά θαη σο δίθηπα δεχηεξεο γεληάο (δίθηπα 2G). Αξρηθά απηά ζρεδηάζηεθαλ κφλν γηα ππεξεζίεο θσλεηηθήο επηθνηλσλίαο. Ωζηφζν, κε ηε ζπλερψο απμαλφκελε δεκνηηθφηεηα ησλ ππεξεζηψλ κεηαθνξάο δεδνκέλσλ, νη νπνίεο κέρξη ηφηε παξέρνληαλ απφ θιεηζηά ελζχξκαηα δίθηπα πξνζηηζέκελεο αμίαο θαη ην επίζεο ελζχξκαην δηαδίθηπν, νη δηαρεηξηζηέο δηθηχσλ θηλεηψλ επηθνηλσληψλ άξρηζαλ λα ρξεζηκνπνηνχλ ηα θαλάιηα ησλ δηθηχσλ απηψλ γηα ηελ απνζηνιή δεδνκέλσλ κέζσ ηερλνινγίαο κεηαγσγήο θπθιψκαηνο. Σα δίθηπα θηλεηψλ επηθνηλσληψλ δεχηεξεο γεληάο βαζίδνληαη ζε ηερλνινγίεο αζχξκαηεο πξφζβαζεο κε βαζηθφηεξεο ηηο TDMA θαη CDMA. Ζ ρξήζε ησλ ςεθηαθψλ ηερληθψλ πξφζβαζεο επηηξέπεη ηε κεηαθνξά κέζα απφ ην δίθηπν φρη κφλν θσλήο αιιά θαη δεδνκέλσλ. Παξάιιεια ζηα ζπζηήκαηα δεχηεξεο γεληάο γίλεηαη ρξήζε ηερληθψλ θσδηθνπνίεζεο θαη θξππηνγξάθεζεο κε ζθνπφ ηελ αχμεζε ηεο αζθάιεηαο θαη ηεο εκπηζηεπηηθφηεηαο ησλ κεηαδηδφκελσλ δεδνκέλσλ. Έηζη ηα ζπζηήκαηα δεχηεξεο γεληάο πξνζέθεξαλ θαιχηεξε πνηφηεηα επηθνηλσλίαο, θαιχηεξε αζθάιεηα θαη θαιχηεξε απφδνζε ζηε δηαρείξηζε ηνπ ξαδηνθάζκαηνο ζε ζρέζε κε ηα ζπζηήκαηα πξψηεο γεληάο. Σα ζηνηρεία απηά ζε ζπλδπαζκφ κε ηε βειηίσζε ηεο πνηφηεηαο επηθνηλσλίαο θαη ην ρακειφ ζρεηηθά θφζηνο έδσζαλ ηεξάζηηα ψζεζε ζηελ αγνξά ηεο θηλεηήο ηειεθσλίαο. Σν βαζηθφηεξν πξφηππν ζπζηεκάησλ δεχηεξεο γεληάο ην νπνίν έρεη επηθξαηήζεη ζε φιν ηνλ θφζκν είλαη ην GSM (Global System for Mobile Communications). Σν GSM μεθίλεζε λα ιεηηνπξγεί ζηε δψλε ησλ MHz ελψ ζε θάπνηεο άιιεο ρψξεο πνπ ην πηνζέηεζαλ, ιεηηνπξγεί ζηα 1.8 (DCS 1800) θαη 2 GHz. Δπηπιένλ γηα ηελ ππνζηήξημε ηεο πξφζβαζεο ζε δηαδηθηπαθφ πεξηερφκελν θαη ηηο εθαξκνγέο πάλσ ζε δίθηπα δεχηεξεο γεληάο αλαπηχρζεθε επίζεο έλα 20

21 πξσηφθνιιν αζπξκάησλ εθαξκνγψλ, πνπ είλαη γλσζηφ σο WAP (Wireless Application Protocol). ην ζρήκα 1.2 εκθαλίδεηαη ε εμέιημε ησλ ηερλνινγηψλ δηθηχσλ θηλεηήο ηειεθσλίαο κεηά ηε δεχηεξε γεληά: ρήκα 1.2: Δμέιημε ηερλνινγηψλ δηθηχσλ κεηά ηε δεχηεξε γεληά Σεχνολογίες 2.5 ης γενιάς (2.5G) Σα δίθηπα δεχηεξεο γεληάο δελ ήηαλ ηθαλά λα ηθαλνπνηήζνπλ ηε δήηεζε γηα λέεο ππεξεζίεο ζηα πξφηππα απηψλ ηνπ δηαδηθηχνπ, θαζψο ηέηνηεο ππεξεζίεο απαηηνχζαλ πςειφηεξνπο ξπζκνχο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ θαη επηπιένλ ε θχζε ηνπο βαζίδεηαη ζηελ ηερλνινγία κεηαγσγήο παθέησλ, φπνπ ε πιεξνθνξία κεηαδίδεηαη ζε παθέηα δεδνκέλσλ. Απηφ εξρφηαλ ζε αληίζεζε κε ηε ρξεζηκνπνηνχκελε ηερλνινγία κεηαγσγήο θπθιψκαηνο, φπνπ ε πιεξνθνξία κεηαθεξφηαλ νιφθιεξε ράξε ζε κηα ζχλδεζε αθηεξσκέλε απνθιεηζηηθά ζε απηή ηε 21

22 κεηαθνξά. Γηα λα ηθαλνπνηεζνχλ νη απμαλφκελεο απαηηήζεηο ησλ θηλεηψλ ζπλδξνκεηψλ δεκηνπξγήζεθε έλα κεηαβαηηθφ ζηάδην αλάκεζα ζηε δεχηεξε θαη ηε ηξίηε γεληά. Δπηπιένλ, ιφγσ ησλ αξθεηά κεγάισλ δπζθνιηψλ θαη ηνπ πςεινχ θφζηνπο αλάπηπμεο δηθηχσλ ηξίηεο γεληάο πνιινί δηαρεηξηζηέο δηθηχσλ επέιεμαλ λα δηεπθνιχλνπλ ην δξφκν κεηάβαζεο απφ ηε δεχηεξε ζηε ηξίηε γεληά θηλεηήο ηειεθσλίαο, αλαπηχζζνληαο ηε κεηαβαηηθή ηερλνινγία 2.5G ε νπνία παξέρεη ππεξεζίεο πςειήο ηαρχηεηαο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ (ηεο ηάμεο ησλ 144 Kbps) ζε δψλεο ζπρλνηήησλ πνπ ήδε ππάξρνπλ θαη ιεηηνπξγνχλ ζηα δίθηπα 2G. Ζ βαζηθή επέθηαζε ηνπ ζπζηήκαηνο GSM γηα ηελ ππνζηήξημε κεηαθνξάο δεδνκέλσλ έγηλε κε ηελ πηνζέηεζε ηνπ πξσηνθφιινπ HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) ην νπνίν επηηξέπεη ξπζκνχο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ αξθεηά πςειφηεξνπο ζε ζρέζε κε ην GSM. Μέζα απφ ην πξσηφθνιιν απηφ είρακε γηα πξψηε θνξά ηελ αλάπηπμε ηνπ θηλεηνχ δηαδηθηχνπ. Σν βαζηθφ ηνπ κεηνλέθηεκα είλαη ην γεγνλφο φηη ν κεραληζκφο ρξέσζεο πνπ ρξεζηκνπνηείηαη βαζίδεηαη ζην ρξφλν ζχλδεζεο. Γειαδή αθφκα θαη αλ δελ κεηαθέξνληαη δεδνκέλα ν ρξήζηεο ρξεψλεηαη γηα ην ρξφλν ζχλδεζεο. Ζ ηερλνινγία 2.5G πεξηιακβάλεη επίζεο πξφηππα φπσο είλαη ην CDMA x πνπ είλαη ν πξνθάηνρνο ηνπ CDMA x πνπ ρξεζηκνπνηείηαη ζηα δίθηπα ηξίηεο γεληάο θαζψο θαη ην πξφηππν GPRS (General Packet Radio Service) πνπ είλαη ν πξνθάηνρνο ηνπ W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Ζ εηζαγσγή ηνπ GPRS απνηειεί έλα ζηαζκφ ζηελ εμέιημε ηνπ ζπζηήκαηνο GSM. Με ηελ αλάπηπμε ηνπ GPRS έρνπκε ηελ εηζαγσγή ζηα ππάξρνληα δίθηπα GSM ηεο δπλαηφηεηαο κεηαθνξάο παθέησλ, ηελ επίηεπμε πςειψλ ξπζκψλ κεηαθνξάο δεδνκέλσλ θαζψο θαη ηε δπλαηφηεηα παξνρήο αδηάιεηπηεο ζχλδεζεο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ ζηα θηλεηά ηειέθσλα. Απηφ ζεκαίλεη 22

23 φηη ν ρξήζηεο κπνξεί λα είλαη ζπλερψο ζπλδεδεκέλνο ζην θηλεηφ δηαδίθηπν θαη λα ρξεψλεηαη κφλν φηαλ ζηέιλεη ή ιακβάλεη δεδνκέλα κε κνξθή παθέησλ. Έλα άιιν πξφηππν δηθηχσλ απηήο ηεο γεληάο είλαη ην EDGE (Enhanced Datarates for Global Evolution), ην νπνίν παξέρεη ηαρχηεηεο 384 Kbps. Σν πξσηφθνιιν EDGE είλαη ε ηερλνινγία πνπ δίλεη ζηα δίθηπα GSM ηελ απαηηνχκελε ρσξεηηθφηεηα θαη ηαρχηεηα ψζηε λα επηηξέπεηαη ε ρξήζε ηνπο γηα ηελ παξνρή ππεξεζηψλ ηξίηεο γεληάο. Με ηε ρξήζε ηνπ EDGE επηηπγράλνληαη ζεκαληηθέο βειηηψζεηο ζηα ρξεζηκνπνηνχκελα πξσηφθνιια θάλνληαο πην απνηειεζκαηηθή ηε ρξήζε ηνπ ξαδηνθάζκαηνο. Οπζηαζηηθά παξέρνληαη ππεξεζίεο πνιπκέζσλ παξφκνηεο κε απηέο ησλ δηθηχσλ ηξίηεο γεληάο. πγθεθξηκέλα, ε ηερλνινγία EDGE επηηξέπεη ηαρχηεηεο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ ηξεηο θνξέο κεγαιχηεξεο απφ ην GPRS, νπφηε κπνξνχλ λα εμππεξεηεζνχλ ηξεηο θνξέο πεξηζζφηεξνη ζπλδξνκεηέο αλά πεξηνρή. Με ηνλ ηξφπν απηφ, γίλεηαη εθηθηή ε παξνρή ππεξεζηψλ πνιπκέζσλ, ηειεζπλδηάζθεςεο, αλαπαξαγσγήο βίληεν, θαζψο θαη ε πινήγεζε ζην θηλεηφ δηαδίθηπν κε πςειέο ηαρχηεηεο. Σα ζεκαληηθά απηά πιενλεθηήκαηα έρνπλ θάλεη θάπνηνπο επηζηήκνλεο λα ραξαθηεξίδνπλ ηα δίθηπα απηά 2.75G. Σππηθά, φια ηα πξφηππα δηθηχσλ 2.5G ζε ζρέζε κε ηα δίθηπα 2G παξέρνπλ πςειφηεξεο ηαρχηεηεο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ, επηηξέπνληαο ζηνπο ρξήζηεο λα ρξεζηκνπνηνχλ πεξηζζφηεξα απφ έλα θσλεηηθά θαλάιηα, δπλαηφηεηα κεηαγσγήο παθέησλ γηα ηε κεηαθνξά δεδνκέλσλ θαη επηπιένλ παξέρεηαη ε δπλαηφηεηα επέιηθηεο ρξέσζεο. Φπζηθά ε εμέιημε πξνρψξεζε ζηα δίθηπα ηξίηεο γεληάο κε αθφκα κεγαιχηεξεο δπλαηφηεηεο. 23

24 1.2.4 Σεχνολογίες 3 ης γενιάς (3G) ην πιαίζην ηεο άξζεο ησλ πεξηνξηζκψλ ησλ δηθηχσλ θηλεηψλ επηθνηλσληψλ δεχηεξεο γεληάο θαη ηελ απνηειεζκαηηθφηεξε ρξήζε ηνπο απφ δηθηπαθέο εθαξκνγέο ε Γηεζλήο Έλσζε Σειεπηθνηλσληψλ (ITU) αλαθνίλσζε κηα ζεηξά πξνδηαγξαθψλ γηα ηελ επφκελε γεληά θπςεισηψλ δηθηχσλ κε ηελ νλνκαζία IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Οη πξνδηαγξαθέο απηέο πξνέβιεπαλ: πνηφηεηα θσλήο ζπγθξίζηκε κε ην δεκφζην ηειεθσληθφ δίθηπν, 144 Kbps ηαρχηεηα κεηαθνξάο δεδνκέλσλ δηαζέζηκε γηα ρξήζηεο πςειήο θηλεηηθφηεηαο (νρήκαηα), 384 Kbps ηαρχηεηα κεηαθνξάο δεδνκέλσλ δηαζέζηκε γηα ρξήζηεο κε κηθξή θηλεηηθφηεηα (πεδνχο), 2 Mbps γηα ζηαζεξνχο ρξήζηεο. Δπηπιένλ, πξνέβιεπαλ ζπκκεηξηθνχο θαη αζχκκεηξνπο ξπζκνχο εθπνκπήο, ππνζηήξημε δπλαηφηεηαο κεηαγσγήο θπθιψκαηνο θαη παθέησλ, πξνζαξκφζηκε δηαζχλδεζε κε ην δηαδίθηπν, απνηειεζκαηηθφηεξε ρξήζε ηνπ δηαζέζηκνπ εχξνπο δψλεο, ππνζηήξημε πνηθηιίαο εμνπιηζκνχ θηλεηήο ηειεθσλίαο θαη ηέινο ειαζηηθφηεηα ζηελ εηζαγσγή λέσλ ππεξεζηψλ θαη ηερλνινγηψλ. Σα δίθηπα απηά είλαη γλσζηά σο δίθηπα ηερλνινγίαο ηξίηεο γεληάο, έρνπλ ζρεδηαζηεί γηα ηελ παξνρή παγθφζκηαο επηθνηλσλίαο κε νινθιεξσκέλεο ππεξεζίεο κεηάδνζεο θσλήο θαη δεδνκέλσλ, εηθφλαο, γξαθηθψλ, βίληεν θαη γεληθά ππεξεζηψλ κε κεγάιεο απαηηήζεηο εχξνπο δψλεο φπσο νη ππεξεζίεο πνιπκέζσλ. Σα δίθηπα ηξίηεο γεληάο αμηνπνηνχλ ηα πιενλεθηήκαηα ηεο ηερλνινγίαο κεηαγσγήο παθέησλ πνπ πεξηιακβάλνπλ ηε δπλαηφηεηα γηα ζπλερή ζχλδεζε θαη ηελ εμάιεηςε ηνπ ζηαδίνπ εγθαηάζηαζεο ζχλδεζεο, ην νπνίν απαηηείηαη ζηελ πεξίπησζε δηθηχσλ κε κεηαγσγή θπθιψκαηνο. Δπηπιένλ, νη ρξήζηεο ρξεψλνληαη βάζεη ηεο πνζφηεηαο ησλ δεδνκέλσλ πνπ αληαιιάζζνπλ (νγθνρξέσζε) θαη φρη βάζεη ηεο δηάξθεηαο ζχλδεζεο (ρξνλνρξέσζε). Σν επξσπατθφ 24

25 πξφηππν ηξίηεο γεληάο είλαη γλσζηφ σο UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) θαη βαζίδεηαη ζηελ ηερλνινγία πξφζβαζεο W-CDMA. Ζ πςειή ηαρχηεηα κεηαθνξάο δεδνκέλσλ θαζηζηά ηα δίθηπα απηά θαηάιιεια γηα εθαξκνγέο πξαγκαηηθνχ ρξφλνπ θαζψο θαη γηα εθαξκνγέο πνπ ν ρξφλνο είλαη θξίζηκεο ζεκαζίαο (time-critical applications). ην ζρήκα 1.3. κπνξνχκε λα δνχκε ηελ εμέιημε ηεο ηαρχηεηαο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ κέζα απφ ηηο δηάθνξεο ηερλνινγίεο πνπ αλαθέξακε: ρήκα 1.3: Δμέιημε ηαρχηεηαο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ ζηηο θηλεηέο επηθνηλσλίεο Ζ ηερλνινγία ηξίηεο γεληάο κε ηηο πνιχ πςειέο ηαρχηεηεο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ αλακέλεηαη λα πξνζθέξεη ζεκαληηθά νθέιε φπσο: α) γξήγνξε πξφζβαζε ζην δηαδίθηπν κε ηαρχηεηεο παξφκνηεο κε απηέο ηεο ηερλνινγίαο ελζχξκαησλ επηθνηλσληψλ ΑDSL, β) εθαξκνγέο πνιπκέζσλ 25

26 ζε πξαγκαηηθφ ρξφλν φπνπ ζε απηέο πεξηιακβάλνληαη πςειήο πνηφηεηαο ήρνο, εηθφλα αθφκε θαη δπλαηφηεηα ηειεδηάζθεςεο απφ ην θηλεηφ, γ) πςειήο ηαρχηεηαο κεηάδνζε κελπκάησλ, ζπκπεξηιακβαλνκέλσλ θαη ησλ ΜΜS αιιά θαη κελπκάησλ , ηα νπνία πιένλ ζα απνζηέιινληαη θαη ζα ιακβάλνληαη ζε ειάρηζην ρξφλν θαη δ) ππεξεζίεο εχξεζεο ζέζεσο, ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ ηερλνινγία GPS. Μεηά ηελ επξεία δηείζδπζε ηεο ηερλνινγίαο 3G αλακέλεηαη λα δηαηεζνχλ αθφκε πεξηζζφηεξεο ππεξεζίεο, φπσο κεηάδνζε ηειενπηηθψλ εθπνκπψλ θαη ππεξεζίεο παγθφζκηαο πεξηαγσγήο Σεχνολογίες 4 ης γενιάς (4G) Οη ππεξεζίεο ηξίηεο γεληάο αξρίδνπλ λα επεθηείλνληαη ζηαδηαθά θαη λα θεξδίδνπλ νινέλα θαη πεξηζζφηεξνπο ρξήζηεο κε ηηο θαηλνηφκεο ππεξεζίεο ηνπο. Παξάιιεια ε επηζηεκνληθή θνηλφηεηα πξνρσξά θαη εζηηάδεη ζηελ αλάπηπμε ησλ ζπζηεκάησλ ηέηαξηεο γεληάο. Ζ ηέηαξηε γεληά (4G) είλαη ε επφκελε γεληά αζχξκαησλ δηθηχσλ ηα νπνία αλακέλεηαη λα παξέρνπλ ππεξεζίεο πςειήο ηαρχηεηαο (ηνπιάρηζηνλ 100 Mbps), πςειήο ρσξεηηθφηεηαο, κε ρακειφηεξν θφζηνο αλά bit, βαζηζκέλεο απνθιεηζηηθά ζην πξσηφθνιιν IP. Σν βαζηθφηεξν ραξαθηεξηζηηθφ ηεο γεληάο 4G κπνξεί λα δηαηππσζεί κε κία κφλν ιέμε: ελνπνίεζε. Ζ ηέηαξηε γεληά έρεη λα θάλεη κε ηελ ελνπνίεζε ηεξκαηηθψλ, δηθηχσλ θαη εθαξκνγψλ, ψζηε λα ηθαλνπνηήζεη ηηο απμαλφκελεο αλάγθεο ησλ ζπλδξνκεηψλ. Σα κειινληηθά ζπζηήκαηα επηθνηλσληψλ ζα είλαη εηεξνγελή ζηε θχζε ηνπο ζρεκαηίδνληαο έλα νινθιεξσκέλν πεξηβάιινλ ην νπνίν ζα ζπλδπάδεη δηάθνξεο αζχξκαηεο ηερλνινγίεο θαη ζπζηήκαηα πξφζβαζεο κε έλαλ 26

27 νινθιεξσκέλν ηξφπν. Απηά ηα αλεμάξηεηα δίθηπα πξφζβαζεο ζα ζπλδένληαη ζε ζηνηρεία ζηνλ ππξήλα ηνπ δηθηχνπ θαη ζα ζηεξίδνληαη ζην πξσηφθνιιν IP. Ζ ρξήζε ηνπ πξσηνθφιινπ απηνχ γίλεηαη πξνθεηκέλνπ λα εμαζθαιηζηεί κηα θνηλή βάζε θαη λα δηαζθαιηζηεί ε δηαιεηηνπξγηθφηεηα κε ηηο ππάξρνπζεο επηθνηλσληαθέο ππνδνκέο. Δπηπιένλ, ηα δίθηπα ηέηαξηεο γεληάο ζα πξνζθέξνπλ κηα πιεζψξα απφ δηαθνξεηηθέο ππεξεζίεο θαη εθαξκνγέο πνιπκέζσλ ιφγσ ησλ πςειψλ ξπζκψλ κεηαθνξάο δεδνκέλσλ ηεο ηάμεο ησλ 100 Mbps. ηα δίθηπα επηθνηλσληψλ ηέηαξηεο γεληάο ν ρξήζηεο ζα πξνζδνθά λα κπνξεί λα έρεη πξφζβαζε ζηηο ίδηεο ππεξεζίεο απφ κηα πνηθηιία ηεξκαηηθψλ κε δηαθνξεηηθά ραξαθηεξηζηηθά. Γηα λα επηηεπρζεί ε αλάπηπμε ησλ δηθηχσλ απηψλ απαηηείηαη ε εμαζθάιηζε ηεο δηαθαλνχο θηλεηηθφηεηαο ηνπ ρξήζηε αλάκεζα ζηηο δηάθνξεο ηερλνινγίεο πξφζβαζεο κε ειάρηζηε ή κεδεληθή κεζνιάβεζε ηνπ ρξήζηε. Γηα ην ιφγν απηφ, αλαπηχζζνληαη λέεο ηερληθέο θαη κεραληζκνί δηαρείξηζεο θηλεηηθφηεηαο εμαζθαιίδνληαο ηελ απνηειεζκαηηθή ιεηηνπξγία ησλ ελνπνηεκέλσλ δηθηχσλ θαη ηε δηαρείξηζε πφξσλ. Δπηπιένλ, ζηα ζπζηήκαηα απηά ε παξνρή απαηηήζεσλ πνηφηεηαο ππεξεζίαο είλαη νπζηαζηηθά ζπλδεδεκέλε κε ηελ εθαξκνγή δηαθνξεηηθψλ ζρεκάησλ ηηκνιφγεζεο θαη έθδνζεο ινγαξηαζκνχ. Σα ραξαθηεξηζηηθά πνπ πξναλαθέξακε ζα δψζνπλ κηα ζεκαληηθή ψζεζε ζηελ ηερλνινγία επηθνηλσληψλ αθνχ αλακέλεηαη λα δεκηνπξγήζνπλ λέεο ηερλνινγηθέο θαη επηρεηξεκαηηθέο επθαηξίεο γηα φινπο ηνπο εκπιεθφκελνπο. Σα δίθηπα επηθνηλσληψλ ηέηαξηεο γεληάο απνηεινχλ ινηπφλ ην επφκελν βήκα εμέιημεο θαη αλακέλεηαη λα είλαη καδηθά δηαζέζηκα γχξσ ζην

28 28

29 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 Η ΣΕΦΝΙΚΗ OFDM/OFDMA 2.1 Εισαγωγή Ζ νξζνγσληθή πνιππιεμία κε δηαίξεζε ζπρλφηεηαο (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) είλαη κηα ηερληθή δηακφξθσζεο πνιιαπιψλ θεξφλησλ πνπ έρεη εθαξκνγή ζε ζπζηήκαηα επξπεθπνκπήο Digital Video Broadcasting-Terrestrial (DVB-T) θαη Terrestrial Digital Audio Broadcasting (T-DAB), ζην HiperLAN, ζην a, g θαη ζηελ νηθνγέλεηα ησλ πξσηνθφιισλ , ελψ απνηειεί θαη ηε βάζε ησλ ζπζηεκάησλ 4εο γεληάο. Ζ επξεία ρξήζε ηνπ OFDM γηα εθαξκνγέο πςεινχ ξπζκνχ δεδνκέλσλ νθείιεηαη θπξίσο ζηνλ απνδνηηθφ ηξφπν κε ηνλ νπνίν δηαρεηξίδεηαη ηε δηάδνζε κέζσ πνιιψλ κνλνπαηηψλ. Σν κεηαδηδφκελν ζήκα αλαθιάηαη ζε θπζηθά εκπφδηα θαη νη αληαλαθιάζεηο ηνπ θηάλνπλ κε ρξνληθή δηαθνξά ζην δέθηε. Καζψο ε εμάπισζε ηεο θαζπζηέξεζεο θαλαιηνχ η γίλεηαη φιν θαη πην κεγάιν πνιιαπιάζην ηεο δηάξθεηαο ηνπ ζχκβνινπ T S, ε δηαζπκβνιηθή παξεκβνιή (InterSymbol Interference ISI) απμάλεηαη. Δμ νξηζκνχ, έλα ζχζηεκα πςεινχ ξπζκνχ κεηαθνξάο δεδνκέλσλ ζα έρεη γεληθά TS, δεδνκέλνπ φηη ν αξηζκφο ησλ ζπκβφισλ πνπ ζηέιλνληαη αλά δεπηεξφιεπην είλαη πςειφο. Δλ νιίγνηο, αζχξκαηα επξπδσληθά ζπζηήκαηα φισλ ησλ ηχπσλ ζα ππνθέξνπλ απφ κεγάιε ISI θαη σο εθ ηνχηνπ απαηηνχληαη ηερληθέο γηα ηελ αληηκεηψπηζε ηεο. Γηα λα μεπεξαζηεί ην πξφβιεκα ηεο ISI, πξέπεη ε δηάξθεηα ηνπ ζπκβφινπ T S λα είλαη πνιχ κεγαιχηεξε απφ ηε δηαζπνξά ηεο 29

30 θαζπζηέξεζεο η, πνπ πξνθαιείηαη απφ ην θαηλφκελν ηεο πνιπφδεπζεο. Γηα ηνλ ιφγν απηφ, ε θχξηα ξνή δεδνκέλσλ πςεινχ ξπζκνχ κεηάδνζεο δηαηξείηαη ζε έλαλ αξηζκφ (L) ξνψλ δεδνκέλσλ ρακειφηεξνπ ξπζκνχ, θαζεκία απφ ηηο νπνίεο έρεη T S L. Απηέο νη κεκνλσκέλεο ξνέο δηακνξθψλνληαη ζε έλα μερσξηζηφ θέξνλ (subcarrier) ε θαζεκία θαη κεηαδίδνληαη παξάιιεια ζε ζηελνχ εχξνπο ππνθαλάιηα, δηαηεξψληαο ην ζπλνιηθφ επηζπκεηφ ξπζκφ δεδνκέλσλ. 2.2 Περιγραφή της τεχνικής OFDM Σηο βάζεηο γηα ηελ αλάπηπμε ηνπ OFDM έζεζε ε εηζαγσγή ηεο ηερληθήο FDM γηα επηθνηλσλίεο δεδνκέλσλ ζηα ηέιε ηεο δεθαεηίαο ηνπ Ο Chang ήηαλ ν πξψηνο πνπ ην 1966 δεκνζίεπζε ηε δνκή ηνπ OFDM, ζχκθσλα κε ηελ αξρή ηεο ρξεζηκνπνίεζεο νξζνγψλησλ επηθαιππηφκελσλ πνιπηνληθψλ ζεκάησλ γηα επηθνηλσλίεο δεδνκέλσλ. Γηα ηελ εχθνιε πινπνίεζε ηεο παξαγσγήο θαη ιήςεο ησλ OFDM ζεκάησλ πξνηάζεθε απφ ηνλ Weinstein ην 1971 ε ρξήζε ηνπ Γηαθξηηνχ Μεηαζρεκαηηζκνχ Fourier (DFT), ελψ ην 1985 o Cimini ζεψξεζε ην OFDM θαηάιιειν γηα ηηο αζχξκαηεο επηθνηλσλίεο. Ωζηφζν, κφιηο ζηηο αξρέο ηνπ 1990 θαηέζηεζαλ νη ηερλνινγηθέο εμειίμεηο δπλαηή ηελ πξφηαζε απηή. ε έλα ζχζηεκα απινχ θέξνληνο (φπνπ νιφθιεξε ε πιεξνθνξία κεηαθέξεηαη ζε κία θαη κνλαδηθή ζπρλφηεηα), κηα απιή εμαζζέληζε ή κηα παξεκβνιή κπνξεί λα νδεγήζεη ζε απνηπρία νιφθιεξνπ ηνπ δηθηχνπ κεηάδνζεο. Αληίζεηα, ζε έλα ζχζηεκα πνιιαπιψλ θεξφλησλ (φπνπ ε πιεξνθνξία δηακνηξάδεηαη ζε πνιιέο ζπρλφηεηεο), ζα επεξεαζηεί κφλν έλα κηθξφ πνζνζηφ ησλ θνξέσλ κεηάδνζεο. ε έλα θιαζηθφ παξάιιειν 30

31 ζχζηεκα, ην εχξνο ηεο ζπρλφηεηαο ηνπ ζήκαηνο δηαηξείηαη ζε N κε επηθαιππηφκελα «θνκκάηηα» θαη ην θάζε θνκκάηη αληηζηνηρεί ζε έλα ππνθαλάιη. Απφ θάζε ππνθαλάιη κεηαδίδεηαη έλα μερσξηζηφ ζχκβνιν θαη έπεηηα ηα N ππνθαλάιηα πνιππιέθνληαη ζην πεδίν ηεο ζπρλφηεηαο. Ζ επηινγή κε επηθαιππηφκελσλ πεδίσλ θάζκαηνο, νθείιεηαη ζην φηη πξνζπαζνχκε λα απνθχγνπκε θαηλφκελα παξεκβνιήο κεηαμχ ησλ ππνθαλαιηψλ κεηάδνζεο. Ωζηφζν, ε ηερληθή απηή νδεγεί ζε κε απνδνηηθή ρξήζε ηνπ δηαζέζηκνπ θάζκαηνο. Αληίζεηα, ε βαζηθή αξρή ηεο OFDM ηερληθήο είλαη ηα ππνθαλάιηα λα επηθαιχπηνληαη θαηά ηέηνην ηξφπν ψζηε λα είλαη κελ απνδνηηθή ε ρξήζε ηνπ θάζκαηνο θαη αθεηέξνπ λα είλαη δπλαηφο ν δηαρσξηζκφο ηνπο. ην παξαθάησ ζρήκα απεηθνλίδεηαη ε δηαθνξά κεηαμχ ηεο ηερληθήο κε επηθαιππηφκελσλ θεξφλησλ θαη ηεο ηερληθήο επηθαιππηφκελσλ θεξφλησλ. Όπσο κπνξνχκε εχθνια λα παξαηεξήζνπκε, ρξεζηκνπνηψληαο ηελ ηερληθή επηθαιππηφκελσλ θεξφλησλ, κπνξνχκε λα εμνηθνλνκήζνπκε κέρξη θαη 50% ηνπ δηαζέζηκνπ εχξνπο δψλεο. ρήκα 2.1: Σερληθή (α) κε επηθαιππηφκελσλ θεξφλησλ, (β) επηθαιππηφκελσλ θεξφλησλ 31

32 Γηα ηελ πιήξε εθκεηάιιεπζε ηεο ηερληθήο επηθαιππηφκελσλ θεξφλησλ, ζα πξέπεη λα κεησζεί ε αλεπηζχκεηε παξεκβνιή κεηαμχ ησλ θνξέσλ κεηάδνζεο, θάηη πνπ απαηηεί ηελ «νξζνγσληφηεηα» κεηαμχ ηνπο. Ζ ιέμε «νξζνγσληφηεηα» ππνδειψλεη φηη ππάξρεη κηα αθξηβήο καζεκαηηθή ζρέζε κεηαμχ ησλ ζπρλνηήησλ ησλ δηαθνξεηηθψλ θνξέσλ ζην ζχζηεκα. Δθηελήο αλαθνξά ζηελ νξζνγσληφηεηα ησλ θεξφλησλ πξαγκαηνπνηείηαη ζηελ ελφηεηα Βασικές αρχές OFDM σήματος ηελ OFDM ηερληθή ην εχξνο δψλεο ΒW ππνδηαηξείηαη ζε N ππνθαλάιηα θαζέλα απφ ηα νπνία έρεη εχξνο δψλεο Γf=ΒW/N. Έηζη, αληί λα ζηαιεί ε αθνινπζία ζπκβφισλ κε ξπζκφ ζπκβφισλ R, ν πνκπφο πνιιαπιψλ θεξφλησλ δηαηξεί ηελ αθνινπζία απηή ζε N ππναθνινπζίεο ζπκβφισλ πνπ δηακνξθψλνπλ ηα N ππνθέξνληα θαη κεηαδίδνληαη παξάιιεια, νπφηε ν ρξφλνο ζπκβφινπ ζην ζρήκα απηφ γίλεηαη T s = N/R. ρήκα 2.2: ρεκαηηθή παξνπζίαζε παξάιιειεο κεηάδνζεο ρξεζηκνπνηψληαο Ν = 4 ππνθέξνληα γηα εχξνο δψλεο ΒW 32

33 Όπσο κπνξνχκε λα παξαηεξήζνπκε θαη ζην ζρήκα 2.2, ε παξάιιειε δηάδνζε δεδνκέλσλ απμάλεη ηε δηάξθεηα ζπκβφινπ θαηά ηνλ αξηζκφ ησλ θεξφλησλ κε απνηέιεζκα ηελ απμεκέλε αλζεθηηθφηεηα ζε δηαζπνξά θαζπζηέξεζεο ιφγσ πνιπφδεπζεο. Ζ δηάξθεηα ζπκβφινπ κπνξεί λα γίλεη αξθεηά κεγάιε ζπγθξηλφκελε κε ηελ δηαζπνξά θαζπζηέξεζεο ηνπ θαλαιηνχ (T s >>η delay_spread ) επηιέγνληαο ην N αξθεηά κεγάιν. Σαπηφρξνλα, απηφ ζπλεπάγεηαη φηη ην εχξνο δψλεο θαζελφο απφ ηα ππνθέξνληα ζα γίλεη πνιχ κηθξφ ζε ζρέζε κε ην εχξνο δψλεο ζπλνρήο W c (Coherence Bandwidth). Απηφ ζεκαίλεη φηη θάζε ππνθέξνλ ζα αληηκεησπίδεη ην δίαπιν σο επίπεδν θαη επνκέλσο απαηηείηαη έλαο απιφο πνιιαπιαζηαζκφο αλά ππνθέξνλ κε ηελ ζπλάξηεζε απφθξηζεο ηνπ θαλαιηνχ γηα λα ιεθζεί ην ζήκα ζην δέθηε. Απμάλνληαο ην N κεηψλεηαη ε δηαζπκβνιηθή παξεκβνιή θαη απινπνηείηαη ε δηάηαμε ιήςεο. Ωζηφζν πξέπεη λα ιάβνπκε ππφςε καο φηη ε απφδνζε ρεηξνηεξεχεη ζε θαλάιηα πνπ αιιάδνπλ κε ην ρξφλν. Δάλ ν ρξφλνο ζπλνρήο ηνπ θαλαιηνχ T coh είλαη κηθξφο ζπγθξηλφκελνο κε ηε δηάξθεηα ζπκβφινπ T s ηφηε είλαη πξνθαλέο φηη ην θαλάιη κπνξεί λα αιιάμεη ζεκαληηθά θαηά ηε κεηάδνζε ελφο OFDM ζπκβφινπ, γεγνλφο πνπ θαζηζηά ζρεδφλ αδχλαηε ηελ αμηφπηζηε ιήςε ηεο εθπεκπφκελεο πιεξνθνξίαο. Δπνκέλσο πξέπεη λα ζέζνπκε ην ρξφλν ζπλνρήο ελφο θαλαιηνχ σο έλα άλσ θξάγκα γηα ηνλ αξηζκφ ησλ ππνθεξφλησλ. Απηφ καδί κε ηελ ζπλζήθε φηη θάζε ππνθέξνλ αληηκεησπίδεη ην δίαπιν σο επίπεδν κεηαθξάδεηαη καζεκαηηθά ζηελ παξαθάησ έθθξαζε BW / W N (2.1) C T coh φπνπ BW: εχξνο δψλεο ζήκαηνο, W c : εχξνο δψλεο ζπλνρήο θαλαιηνχ, Ν: αξηζκφο θεξφλησλ θαη T coh : ρξφλνο ζπλνρήο θαλαιηνχ. 33

34 2.2.2 Ορθογωνιότητα στην OFDM Γηα λα εμαζθαιηζζεί πςειή θαζκαηηθή απφδνζε ζηελ OFDM ηερληθή, ηα ππνθαλάιηα ζα πξέπεη φπσο πξναλαθέξακε λα έρνπλ επηθαιππηφκελεο πεξηνρέο ζπρλνηήησλ. Δδψ ππεηζέξρεηαη ε έλλνηα ηεο νξζνγσληφηεηαο, πνπ ζπλεπάγεηαη φηη ηα θαζκαηηθά επηθαιππηφκελα ππνθέξνληα δηέπνληαη απφ κηα ηέηνηα καζεκαηηθή ζρέζε πνπ λα θαζηζηά απιφ ην δηαρσξηζκφ ηνπο ζην δέθηε. Ζ νξζνγσληφηεηα κεηαμχ ζεκάησλ ηζρχεη φηαλ απηά είλαη ακνηβαία αλεμάξηεηα θαη εμαζθαιίδεη ηε κεηάδνζε πνιιαπιψλ ζεκάησλ ζε έλα θνηλφ θαλάιη θαη ηελ αλίρλεπζή ηνπο ρσξίο παξεκβνιέο. Σπρφλ απψιεηά ηεο νδεγεί ζε αλεπηζχκεηε κίμε ησλ ζεκάησλ θαη ζπλεπψο ζε ππνβηβαζκφ ηεο πνηφηεηαο ηνπ ζπζηήκαηνο, γεγνλφο πνπ ηελ θαζηζηά βαζηθή επηδίσμε ζε θάζε ηερληθή κεηάδνζεο. Ζ ηερληθή ηνπ Time Division Multiplexing (TDM) δηαηεξεί απφ ηε θχζε ηεο ηελ νξζνγσληφηεηα, αθνχ επηηξέπεη ζε θάζε ρξνληθή ζρηζκή ηε κεηάδνζε απφ κία κφλν πεγή πιεξνθνξίαο. Απφ ηελ άιιε, νη ηερληθέο Frequency Division Multiplexing (FDM) επηηπγράλνπλ ηελ νξζνγσληφηεηα κε ην λα αθήλνπλ κεγάια δηαζηήκαηα αζθαιείαο κεηαμχ ησλ θαλαιηψλ (ρήκα 2.3). ρήκα 2.3: FDM κε ελλέα ππνθέξνληα Ζ δηαθνξνπνίεζε ηνπ OFDM έγθεηηαη ζην φηη ηα ππνθέξνληα θάζε ζήκαηνο ηνπνζεηνχληαη έρνληαο ηε κηθξφηεξε ζεσξεηηθά δπλαηή 34

35 απφζηαζε κεηαμχ ηνπο (ρήκα 2.4), γεγνλφο πνπ ζπληειεί ζηελ απνδνηηθφηεξε αμηνπνίεζε ηνπ θάζκαηνο ελψ ηαπηφρξνλα δηαηεξείηαη ε νξζνγσληφηεηα. Γηα λα επηηεπρζεί απηφ φκσο, πξέπεη λα πιεξνχληαη νη παξαθάησ πξνυπνζέζεηο Κάζε ππνθέξνλ λα έρεη αθέξαην αξηζκφ πεξηφδσλ (θχθισλ) ζηε δηάξθεηα ζπκβφινπ T s θαη ν αξηζκφο ησλ θχθισλ κεηαμχ γεηηνληθψλ ππνθεξφλησλ λα δηαθέξεη αθξηβψο θαηά έλα. Σν κέγηζην ζην θάζκα ηνπ θάζε ππνθέξνληνο λα ζπκπίπηεη κε ηα θαζκαηηθά κεδεληθά ησλ ππνινίπσλ. ρήκα 2.4: OFDM κε ελλέα ππνθέξνληα Πην αλαιπηηθά, θάζε OFDM ζχκβνιν απνηειείηαη απφ έλα ζχλνιν εκίηνλσλ, θάζε έλα απφ ηα νπνία αληηζηνηρεί ζε έλα ππνθέξνλ, ηνπ νπνίνπ ε ζπρλφηεηα βαζηθήο δψλεο επηιέγεηαη έηζη, ψζηε λα είλαη αθέξαην πνιιαπιάζην ηνπ αληηζηξφθνπ ηεο δηάξθεηαο ζπκβφινπ (f n =n/t s ). Με απηφλ ηνλ ηξφπν εμαζθαιίδεηαη γηα θάζε ππνθέξνλ ν αθέξαηνο αξηζκφο πεξηφδσλ ζην δηάζηεκα T s, ν νπνίνο απμάλεηαη ζχκθσλα κε ην n (ρήκα 2.5) 35

36 ρήκα 2.5: Σξία ππνθέξνληα εληφο ελφο OFDMA ζπκβφινπ Αληίζηνηρα, ζην πεδίν ηεο ζπρλφηεηαο, ην θάζκα ελφο ζπκβφινπ είλαη ε ζπλέιημε Dirac παικψλ ηνπνζεηεκέλσλ ζηηο ζέζεηο f n κε ην θάζκα ελφο ηεηξαγσληθνχ παικνχ, πνπ είλαη έλα ζηε δηάξθεηα ζπκβφινπ θαη κεδέλ αιινχ. Ωο γλσζηφ ην θάζκα ηεηξαγσληθνχ παικνχ είλαη ε ζπλάξηεζε sinc(πft s ), πνπ είλαη κεδεληθή ζηηο ζπρλφηεηεο f n, γεγνλφο πνπ εμεγεί ηελ εκθάληζε ηνπ κεγίζηνπ θάζε θάζκαηνο ζηηο ζέζεηο κεδεληζκνχ φισλ ησλ ππνινίπσλ (ρήκα 2.6). Πξέπεη λα ζεκεησζεί σζηφζν, φηη γηα ηελ ηθαλνπνίεζε ησλ δχν πξνυπνζέζεσλ ηεο νξζνγσληφηεηαο ηφζν ην πιάηνο φζν θαη ε θάζε ησλ ππνθεξφλησλ πξέπεη λα παξακέλνπλ ζπλερή ζηε δηάξθεηα ζπκβφινπ. ε δηαθνξεηηθή πεξίπησζε ην ζρήκα ηνπ θάζκαηφο ηνπο δε ζα έρεη ηελ επηζπκεηή κνξθή θαη θαη επέθηαζε ηα κεδεληθά δελ ζα βξίζθνληαη ζηηο ζσζηέο ζπρλφηεηεο πξνθαιψληαο εμαζζέληζε ηεο νξζνγσληφηεηαο ησλ θεξφλησλ (InterCarrier Interference - ICI). Όζν δηαηεξείηαη ε νξζνγσληφηεηα ινηπφλ, ν δέθηεο δελ αληηκεησπίδεη πξφβιεκα ζην λα απνδηακνξθψζεη θάζε έλα απφ ηα ππνθέξνληα ρσξίο παξεκβνιή απφ ηα ππφινηπα, παξά ηε 36

37 θαζκαηηθή ηνπο επηθάιπςε, εθφζνλ ρξεζηκνπνηνχληαη ηα ζεκεία κεγηζηνπνίεζεο. ρήκα 2.6: Φάζκα OFDM ζήκαηνο κε 3 ππνθέξνληα 2.3 Παραγωγή και λήψη σημάτων OFDM Σα ζήκαηα OFDM παξάγνληαη σο επί ην πιείζηνλ ςεθηαθά, εμαηηίαο ηεο πνιππινθφηεηαο πνπ ζα εηζήγαγε ε ηνπνζέηεζε πνιιαπιψλ ηνπηθψλ ηαιαλησηψλ ζηελ αλαινγηθή ηερλνινγία. ην δηάγξακκα πνπ αθνινπζεί παξνπζηάδνληαη αλαιπηηθά ηα ζηάδηα επεμεξγαζίαο ηνπ ζήκαηνο ζηνλ πνκπφ θαη ζην δέθηε. 37

38 ρήκα 2.7: Μπινθ δηάγξακκα πνκπνδέθηε OFDM Μετατροπή από σειριακή σε παράλληλη μορφή Σα πξνο κεηάδνζε δεδνκέλα εηζάγνληαη ζηνλ πνκπφ ζε ζεηξηαθή κνξθή κε θάζε ζχκβνιν λα θέξεη bits, γεγνλφο πνπ θαζηζηά απαξαίηεηε ηε κεηαηξνπή ησλ ζεηξηαθψλ δεδνκέλσλ ζε παξάιιειε κνξθή. Ο αξηζκφο ησλ bits αλά ζχκβνιν εμαξηάηαη απφ ηνλ ηχπν δηακφξθσζεο θαη ηνλ αξηζκφ ησλ ππνθεξφλησλ. ην δέθηε γίλεηαη ε αληίζηξνθε δηαδηθαζία κεηαηξνπήο ησλ δεδνκέλσλ ζηε ζεηξηαθή ηνπο κνξθή. 38

39 ε κηα κεηάδνζε OFDM ζε πνιχνδν πεξηβάιινλ, ππάξρεη ην θαηλφκελν ηεο επηιεθηηθήο δηάιεηςεο ζπρλφηεηαο κε απνηέιεζκα θάπνηεο νκάδεο ππνθεξφλησλ λα εμαζζελνχλ ζεκαληηθά θαη λα δεκηνπξγνχληαη ιάζε. Οη κεδεληζκνί δειαδή πνπ παξνπζηάδεη ην θαλάιη ζε νξηζκέλεο πεξηνρέο ζπρλνηήησλ θαηαζηξέθνπλ ηε ρξήζηκε πιεξνθνξία θαη δεκηνπξγνχληαη ζπζηάδεο ιαζψλ. Οη πεξηζζφηεξνη θψδηθεο δηφξζσζεο ζθαικάησλ επαξθνχλ γηα ηε δηφξζσζε ιαζψλ πνπ παξνπζηάδνληαη ζπνξαδηθά, ελψ δελ κπνξνχλ λα ρεηξηζηνχλ θαιά ιάζε πνπ ζπκβαίλνπλ θαηά ζπζηάδεο χήμα Διαμόρφωσης Απφ ηε ζηηγκή πνπ θάζε ππνθέξνλ ηξνθνδνηεζεί κε ηα bit πιεξνθνξίαο πνπ ζα κεηαδψζεη, απηά αληηζηνηρίδνληαη κε βάζε ην εθάζηνηε ζρήκα δηακφξθσζεο ζε ζπγθεθξηκέλν πιάηνο θαη θάζε ηνπ ππνθέξνληνο, πνπ απεηθνλίδνληαη απφ έλα κηγαδηθφ δηάλπζκα. Καηά ηε κεηάδνζε πξνζηίζεληαη ζην ζήκα ζφξπβνο θαη παξεκβνιή θάζε είδνπο ιφγσ ηνπ πεξηβάιινληνο δηάδνζεο, κε απνηέιεζκα ηε δηαζηξέβισζε ηεο εηθφλαο ησλ αθξηβψλ ζέζεσλ ησλ δηαλπζκάησλ. Έηζη, γηα λα γίλεη ε απνδηακφξθσζε ζην δέθηε, απαηηείηαη ε εθηίκεζε ηνπ πην πηζαλνχ αξρηθά εθπεκπφκελνπ δηαλχζκαηνο, δειαδή εθείλνπ πνπ βξίζθεηαη πην θνληά ζην ιακβαλφκελν. Ζ δηαδηθαζία απηή παξνπζηάδεη ιάζε φηαλ ν ζφξπβνο μεπεξλά ην κηζφ ηεο απφζηαζεο κεηαμχ ησλ ζεκείσλ ηνπ αζηεξηζκνχ, παξαπνηψληαο ην θξηηήξην νξζήο ιήςεο ηεο απφθαζεο γηα ην εθπεκπφκελν ζήκα ζην δέθηε. ε έλα ζχζηεκα OFDM κπνξεί λα εθαξκνζηεί κεγάινο αξηζκφο ζρεκάησλ δηακφξθσζεο, ζηα νπνία ζπγθαηαιέγνληαη ε BPSK, ε QPSK, 39

40 ε 16-QAM θαη ε 64-QAM. Ο αξηζκφο ησλ bits πνπ κπνξνχλ λα κεηαδνζνχλ απφ έλα ζχκβνιν πξνθχπηεη απφ ηνλ ηχπν log2m, φπνπ Μ ν αξηζκφο ησλ ζεκείσλ ζηνλ αζηεξηζκφ. ε γεληθέο γξακκέο ε αχμεζε ηνπ κεγέζνπο ηνπ αζηεξηζκνχ δελ πξνθαιεί ηελ αιιαγή ηνπ εχξνπο δψλεο κεηάδνζεο, επνκέλσο έλα πςειφ ζρήκα δηακφξθσζεο επηηξέπεη ηε βειηησκέλε θαζκαηηθή απφδνζε. πγθεθξηκέλα, ε 64-QAM έρεη θαζκαηηθή απφδνζε 4b/s/Hz, ελψ ε BPSK έρεη κφιηο 1b/s/Hz. Ωζηφζν, ν κεγαιχηεξνο αξηζκφο ζεκείσλ ζηνλ αζηεξηζκφ δπζρεξαίλεη ηε δηαδηθαζία αλάθηεζήο ηνπο ζην δέθηε, θαζψο ζπλεπάγεηαη φηη νη ζέζεηο ησλ δηαλπζκάησλ βξίζθνληαη πην θνληά κεηαμχ ηνπο, νπφηε αθφκε θαη ειάρηζηνο ζφξπβνο πξνθαιεί ιάζε θαηά ηε κεηάδνζε. ην ζχζηεκα ινηπφλ ελππάξρεη ε αλάγθε γηα ζπκβηβαζκφ κεηαμχ ηεο αλνρήο ζην ζφξπβν θαη ηεο αμηνπνίεζεο ηνπ θάζκαηνο απφ ην ζρήκα δηακφξθσζεο Μετατροπή από το πεδίο της συχνότητας στο πεδίο του χρόνου Μεηά ην ζηάδην ηεο δηακφξθσζεο, θάζε ππνθέξνλ έρεη θαζνξηζκέλν πιάηνο θαη θάζε αλάινγα κε ηε πιεξνθνξία πνπ κεηαθέξεη θαη ηνλ ηχπν ηεο δηακφξθσζεο. Σν ζχλνιν ησλ δηακνξθσκέλσλ ππνθεξφλησλ απνηειεί ην ζήκα OFDM ζην πεδίν ηεο ζπρλφηεηαο. ηε ζπλέρεηα, ρξεζηκνπνηείηαη αληίζηξνθνο κεηαζρεκαηηζκφο Fourier (Inverse Fast Fourier Transform IFFT), ψζηε λα επηηεπρζεί ε κεηαηξνπή απηνχ ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ. Ο IFFT δέρεηαη σο είζνδν έλαλ αξηζκφ κηγαδηθψλ ζεκείσλ δεδνκέλσλ, θάζε έλα απφ ηα νπνία αληηζηνηρεί ζε έλα κεκνλσκέλν ππνθέξνλ. ην δέθηε εθαξκφδεηαη ν 40

41 επζχο κεηαζρεκαηηζκφο Fourier (Fast Fourier Transform FFT) γηα ηελ απεηθφληζε ηνπ ιεθζέληνο ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ ζήκαηνο ζην αληίζηνηρφ ηνπ ζπρλνηηθφ θάζκα. Ζ εθαξκνγή ησλ κεηαζρεκαηηζκψλ Fourier ζπληζηά κηα νηθνλνκηθή θαη εχθνιε πινπνίεζε γηα ηελ κεηαηξνπή ηνπ πξντφληνο ηεο δηακφξθσζεο απφ ην πεδίν ηεο ζπρλφηεηαο ζην πεδίν ηνπ ρξφλνπ θαη αληηζηξφθσο, ε νπνία δηαηεξεί ηαπηφρξνλα ηελ νξζνγσληφηεηα ησλ θεξφλησλ ησλ OFDM ζεκάησλ. ε αληίζεζε κε ηελ αλαινγηθή πινπνίεζε ηνπ OFDM, πνπ ζα απαηηνχζε πνιιαπινχο ηνπηθνχο ηαιαλησηέο, θάζε έλαο απφ ηνπο νπνίνπο ζα έπξεπε λα ιεηηνπξγεί κε κηθξφ πνζνζηφ ζνξχβνπ θαη νιίζζεζεο γηα ηε δηαηήξεζε ηεο νξζνγσληφηεηαο, νη κεηαζρεκαηηζκνί Fourier παξέρνπλ κηα ηαρεία θαη νηθνλνκηθή ςεθηαθή πινπνίεζε Φρόνος Προστασίας Όπσο είδακε, ε βαζηθή αξρή ησλ OFDM ζπζηεκάησλ είλαη ν δηαρσξηζκφο ελφο πςεινχ ξπζκνχ κεηάδνζεο δεδνκέλσλ ζε ηαπηφρξνλε κεηάδνζε ησλ δεδνκέλσλ κέζσ ππνθαλαιηψλ κε ρακειφηεξε ξνή. Γηα θάζε έλαλ απφ ηνπο παξάιιεινπο θνξείο κεηάδνζεο απμάλεηαη ε δηάξθεηα ηνπ ζπκβφινπ (απφ Σ ζε ΝΣ, φπνπ Ν ην ζχλνιν ησλ ππνθεξφλησλ) κε απνηέιεζκα λα γίλεηαη πνιχ κεγαιχηεξε απφ ηελ εμάπισζε θαζπζηέξεζεο. Έηζη, ιχλεηαη ζε κεγάιν βαζκφ ην πξφβιεκα ηεο δηαζπκβνιηθήο παξεκβνιήο. Πξνθεηκέλνπ λα εμαιεηθζεί πιήξσο ην θαηλφκελν ηεο δηαζπκβνιηθήο παξεκβνιήο, πξνζηίζεηαη ζηελ αξρή θάζε ζπκβφινπ έλαο ρξφλνο πξνζηαζίαο (guard time), ν νπνίνο κπνξεί λα αληηκεησπίζεη απνηειεζκαηηθά ηε δηαζπκβνιηθή παξεκβνιή. Ο ρξφλνο απηφο επηιέγεηαη λα είλαη κεγαιχηεξνο απφ ηελ αλακελφκελε εμάπισζε 41

42 θαζπζηέξεζεο ιφγσ πνιπφδεπζεο, ψζηε νη ζπληζηψζεο ησλ πνιιαπιψλ δηαδξνκψλ λα κελ παξεκβάιινληαη ζην επφκελν ζχκβνιν. Αξρηθά είρε πξνηαζεί ν ρξφλνο πξνζηαζίαο είηε λα κε θέξεη πιεξνθνξία είηε λα είλαη ν κηζφο κεδεληθφο θαη ν ππφινηπνο θπθιηθή επέθηαζε ηνπ ζήκαηνο, θάηη πνπ ζα βνεζνχζε πηζαλψο ζηελ αλάθηεζε ηνπ ζπγρξνληζκνχ κεηαμχ ησλ ζπκβφισλ κε απιή εθαξκνγή θψξαζεο πεξηβάιινπζαο. Σν κεηνλέθηεκα φκσο ηεο ρξήζεο κεδεληθψλ δηαζηεκάησλ θχιαμεο έγθεηηαη ζην φηη δελ πξνζθέξνπλ αλνρή ζε πνιπδηαδξνκηθή δηάδνζε θαη εγείξνπλ ην πξφβιεκα ηεο παξεκβνιήο κεηαμχ ησλ ππνθεξφλησλ (ICI), αθνχ ράλεηαη ε νξζνγσληφηεηά ηνπο, φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα πνπ αθνινπζεί. ην ζπγθεθξηκέλν παξάδεηγκα έρνπκε δπν θέξνληα εθ ησλ νπνίσλ ην δεχηεξν παξνπζηάδεη θαζπζηέξεζε. Έηζη, ν δέθηεο θαηά ηελ απνδηακφξθσζε ηνπ πξψηνπ ππνθέξνληνο αληηκεησπίδεη ηελ παξεκβνιή ηεο θαζπζηεξεκέλεο έθδνζεο ηνπ δεχηεξνπ, θαζψο εληφο ηνπ δηαζηήκαηνο ηνπ FFT ε δηαθνξά ησλ πεξηφδσλ ησλ δχν ππνθεξφλησλ δελ είλαη αθέξαηνο αξηζκφο. Σαπηφρξνλα, ην πξψην ππνθέξνλ παξεκβάιιεηαη ζηελ απνδηακφξθσζε ηνπ δεχηεξνπ κε ηνλ ίδην ηξφπν. ρήκα 2.8: Δπίδξαζε ηεο πνιχνδεο δηάδνζεο κε κεδεληθφ ζήκα σο ρξφλν πξνζηαζίαο 42

43 Γηα ηελ απνθπγή ηεο παξεκβνιήο κεηαμχ ησλ θεξφλησλ ICI, ην OFDM ζχκβνιν επεθηείλεηαη θπθιηθά φπσο θαίλεηαη ζην ρήκα 2.9. Ζ ηερληθή απηή εμαζθαιίδεη φηη νη θαζπζηεξεκέλεο εθδφζεηο ηνπ OFDM ζπκβφινπ ζα έρνπλ πάληνηε αθέξαην αξηζκφ πεξηφδσλ ζην δηάζηεκα ηνπ FFT, αξθεί βέβαηα ε θαζπζηέξεζε λα είλαη κηθξφηεξε ηνπ ρξφλνπ πξνζηαζίαο. Πην αλαιπηηθά, ε ηνπνζέηεζε ελφο αληηγξάθνπ απφ ην ηέινο ζηελ αξρή ηνπ ζπκβφινπ, επεθηείλεη απνηειεζκαηηθά ην κήθνο ηνπ δίρσο αζπλέρεηεο ζηα ζεκεία ελψζεσλ, δηαηεξψληαο αθέξαην ηνλ αξηζκφ ησλ πεξηφδσλ. ρήκα 2.9: OFDM ζχκβνιν κε θπθιηθή επέθηαζε σο ρξφλν πξνζηαζίαο Με ηελ εθαξκνγή ηνπ θπθιηθνχ πξνζέκαηνο ην ζπλνιηθφ κήθνο ηνπ ζπκβφινπ γίλεηαη T S = T G + T FFT, φπνπ T G ε δηάξθεηα ηνπ ρξφλνπ πξνζηαζίαο θαη T FFT ην κέγεζνο ηνπ IFFT γηα ηελ παξαγσγή ηνπ ζήκαηνο. 43

44 2.4 Επιλογή παραμέτρων κατά τον σχεδιασμό OFDM συστήματος Καηά ηνλ ζρεδηαζκφ ελφο OFDM ζπζηήκαηνο είλαη απαξαίηεηε ε επηινγή κηαο ζεηξάο παξακέηξσλ γηα ηελ βέιηηζηε δπλαηή ιεηηνπξγία ηνπ. πλήζσο ππάξρνπλ ηξεηο βαζηθέο επηινγέο: ην εχξνο δψλεο, ν ξπζκφο κεηάδνζεο δεδνκέλσλ θαη ε δηαζπνξά θαζπζηέξεζεο ηνπ θαλαιηνχ. Ζ δηαζπνξά θαζπζηέξεζεο θαζνξίδεη ηε δηάξθεηα ηνπ ρξφλνπ πξνζηαζίαο. Όπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί, ν ρξφλνο πξνζηαζίαο πνπ πξνζηίζεηαη ζηελ αξρή θάζε ζπκβφινπ απνηειεί θπθιηθή επέθηαζε απηνχ θαη ζηφρνο ηνπ είλαη λα πξνζδψζεη ζην ζχζηεκα απμεκέλε αλνρή ζε δηαζπνξά θαζπζηέξεζεο ιφγσ πνιχνδεο δηάδνζεο. Παξφιν πνπ πξέπεη ν ρξφλνο πξνζηαζίαο λα παξακέλεη κεγαιχηεξνο απφ ηε δηαζπνξά θαζπζηέξεζεο έηζη, ψζηε λα δηαηεξείηαη ε νξζνγσληφηεηα ησλ ππνθεξφλησλ, δελ κπνξεί λα είλαη απζαίξεηα κεγάινο, θαζψο θάηη ηέηνην ζα νδεγνχζε ζηε ζεκαληηθή κείσζε ηνπ ζεκαηνζνξπβηθνχ ιφγνπ θαη ηεο θαζκαηηθήο απφδνζεο. Γηα ην ιφγν απηφ ε ηηκή ηνπ είλαη θαηά θαλφλα δχν κε ηέζζεξηο θνξέο ε rms ηηκή ηεο δηαζπνξάο θαζπζηέξεζεο θαη απνηειεί ζπλήζσο ην 10% ηεο δηάξθεηαο ζπκβφινπ, γεγνλφο πνπ επηθέξεη αλεθηέο απψιεηεο. Αλ έρεη θαζνξηζηεί ν ρξφλνο πξνζηαζίαο, κπνξεί λα νξηζηεί θαη ε δηάξθεηα ηνπ ζπκβφινπ. Γηα ηελ ειαρηζηνπνίεζε ησλ απσιεηψλ ζε SNR πνπ πξνθαινχληαη απφ ηνλ ρξφλν πξνζηαζίαο, είλαη επηζπκεηφ λα έρνπκε δηάξθεηα ζπκβφινπ πνιχ κεγαιχηεξε απφ ηνλ ρξφλν πξνζηαζίαο. Ωζηφζν, ε ηηκή απηή δελ κπνξεί λα επηιεγεί απζαίξεηα κεγάιε δηφηη απηφ ζπλεπάγεηαη νινέλα κεγαιχηεξν αξηζκφ ππνθεξφλησλ κε κηθξφηεξε κεηαμχ ηνπο απφζηαζε. Κάηη ηέηνην δελ είλαη επηζπκεηφ, θαζψο επηθέξεη 44

45 ζεκαληηθή πνιππινθφηεηα ζηελ πινπνίεζε ηνπ ζπζηήκαηνο θαη επαηζζεζία ζε ζφξπβν θάζεο θαη ζέηεη ζε θίλδπλν ηελ επζηάζεηα ηεο ζπρλφηεηάο ηνπ. Έλαο πξαθηηθφο ηξφπνο είλαη λα επηιέγεηαη ε δηάξθεηα ζπκβφινπ ηνπιάρηζηνλ πέληε θνξέο κεγαιχηεξε απφ ην ρξφλν πξνζηαζίαο, θάηη πνπ επηθέξεη απψιεηα SNR ηεο ηάμεο ηνπ 1-dB ιφγσ ηνπ ρξφλνπ πξνζηαζίαο. Αθνχ θαζνξηζηεί θαη ε δηάξθεηα ηνπ ζπκβφινπ, αθνινπζεί ν αξηζκφο ησλ θεξφλησλ ν νπνίνο πξνθχπηεη απεπζείαο απφ ηε δηαίξεζε ηνπ απαηηνχκελνπ εχξνπο δψλεο κε ηελ απφζηαζε κεηαμχ ησλ θεξφλησλ. Ζ απφζηαζε απηή είλαη ην αληίζηξνθν ηεο αθαίξεζεο κεηαμχ ηεο δηάξθεηαο ζπκβφινπ θαη ηνπ ρξφλνπ πξνζηαζίαο. Με άιιν ηξφπν ν αξηζκφο ησλ θεξφλησλ κπνξεί λα θαζνξηζηεί δηαηξψληαο ην ζπλνιηθφ ξπζκφ κεηάδνζεο κε ην ξπζκφ κεηάδνζεο αλά ππνθέξνλ. Ο ξπζκφο κεηάδνζεο αλά ππνθέξνλ εμαξηάηαη κε ηε ζεηξά ηνπ απφ ηνλ ηχπν δηακφξθσζεο, ην ξπζκφ θσδηθνπνίεζεο θαη ην ξπζκφ ζπκβφισλ. 2.5 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της OFDM τεχνικής Ζ ηερληθή OFDM παξνπζηάδεη ηα εμήο ζεκαληηθά πιενλεθηήκαηα: Γηα δεδνκέλε εμάπισζε ρξνλνθαζπζηέξεζεο ε πνιππινθφηεηα πινπνίεζεο είλαη αξθεηά κηθξφηεξε ζε ζρέζε κε έλα ζχζηεκα απινχ θέξνληνο κε εμηζνξξνπεηή (equalizer). ε ζρεηηθά αξγφ ρξνληθά κεηαβαιιφκελν θαλάιη, είλαη δπλαηφλ λα εληζρχζεη ζεκαληηθά ηε ρσξεηηθφηεηα πξνζαξκφδνληαο ην ξπζκφ 45

46 κεηάδνζεο θάζε ππνθέξνληνο αλάινγα κε ην ζεκαηνζνξπβηθφ ηνπ ιφγν (SNR). Σν OFDM ζήκα είλαη αλζεθηηθφ ζηηο παξεκβνιέο ζηελήο δψλεο, δηφηη ηέηνηνπ ηχπνπ παξεκβνιέο επεξεάδνπλ κφλν έλα κηθξφ πνζνζηφ ησλ ππνθνξέσλ. Αληηκεησπίδεη απνηειεζκαηηθά ηε δηαζπκβνιηθή παξεκβνιή (ISI) πνπ πξνθαιείηαη απφ δηαιείςεηο πνιπδηαδξνκηθήο δηάδνζεο. Καζηζηά εθηθηή ηελ πινπνίεζε δηθηχσλ κνλαδηθήο ζπρλφηεηαο, θάηη πνπ είλαη ειθπζηηθφ γηα εθαξκνγέο επξπεθπνκπήο. Ωζηφζν ε ηερληθή OFDM παξνπζηάδεη θαη θάπνηεο αδπλακίεο πνπ νθείινληαη ηελ κεγάιε επαηζζεζία ελφο OFDM ζήκαηνο ζε ζθάικαηα ζπγρξνληζκνχ, ηα νπνία κπνξεί λα νδεγήζνπλ ζε απψιεηα ηεο νξζνγσληφηεηαο θαη ζε δεκηνπξγία παξεκβνιψλ κεηαμχ γεηηνληθψλ ππνθεξφλησλ. ηηο πνιχ πςειέο ηηκέο ηνπ ιφγνπ κέγηζηεο πξνο κέζε ηζρχνο PARP (Peak-To-Average Power Ratio), κε απνηέιεζκα ηε κεησκέλε απφδνζε εληζρπηψλ θαη ADCs (Analog to Digital Converters). Παξνπζηάδεη κεγάιε πνιππινθφηεηα θαη θφζηνο εθαξκνγήο. 46

47 2.6 Εισαγωγή στην τεχνική πολλαπλής πρόσβασης OFDMA Οη ηερληθέο πνιιαπιήο πξφζβαζεο θαζνξίδνπλ ηνλ ηξφπν κε ηνλ νπνίν νη ρξήζηεο ελφο δηθηχνπ ζα έρνπλ πξφζβαζε ζηνπο πφξνπο ηνπ. Οη θιαζζηθέο κέζνδνη πνιιαπιήο πξφζβαζεο ζηεξίδνληαη ζηελ αλεμαξηεζία πνπ πξνζθέξεη είηε ν ρξφλνο (TDMA), είηε ην θάζκα (FDMA), είηε νη ηερληθέο δηαζπνξάο θάζκαηνο (CDMA). Παιαηφηεξα ζπζηήκαηα OFDM, φπσο ην DSL, ην a/g θαη νη πξνεγνχκελεο εθδφζεηο ηνπ /WiMAX, ρξεζηκνπνηνχλ ηε ηερληθή OFDM ελφο κφλν ρξήζηε (single user OFDM). πγθεθξηκέλα, ζηε πεξίπησζε απηή, φινη νη ππνθνξείο ρξεζηκνπνηνχληαη απφ έλα κφλν ρξήζηε θάζε θνξά. Γηα παξάδεηγκα, ζην a/g, νη ρξήζηεο κνηξάδνληαη ην εχξνο δψλεο ησλ 20MHz κεηαδίδνληαο ζε δηαθνξεηηθέο ρξνληθέο ζηηγκέο, αθνχ πξψηα αληαγσληζηνχλ γηα ην δηαζέζηκν θαλάιη. ην WiMAX (802.16e-2005) εηζάγεηαη κηα λέα θηινζνθία πνιππιεμίαο ε νπνία αθνινπζεί ηελ αξρή ηνπ ζρήκαηνο Ζ ηερληθή απηή θαιείηαη Orthogνnal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) θαη πξνυπνζέηεη ηελ αλάζεζε ζηνπο ρξήζηεο ηνπ δηθηχνπ ηφζν αλεμάξηεησλ θεξφλησλ φζν θαη ρξνλνζρηζκψλ. Με απηφλ ηνλ ηξφπν ε δηαθνξνπνίεζε ησλ ρξεζηψλ κπνξεί λα πξαγκαηνπνηείηαη είηε ζην ρξφλν είηε ζηε ζπρλφηεηα είηε θαη ζηα δπν, παξέρνληαο πεξηζζφηεξνπο βαζκνχο ειεπζεξίαο ζηνλ αιγφξηζκν δηαρείξηζεο ξαδηνπφξσλ ηνπ δηθηχνπ. H νκνηφηεηα ηεο OFDMA ηερληθήο πνιιαπιήο πξνζπέιαζεο κε ηελ OFDM ηερληθή πνιππιεμίαο έγθεηηαη ζην φηη ε πνιιαπιή πξφζβαζε ρξεζηψλ επηηπγράλεηαη δηαηξψληαο ην δηαζέζηκν εχξνο δψλεο ζε πνιιά θαλάιηα, ηα νπνία έπεηηα θαηαλέκνληαη ζηνπο ρξήζηεο. Απνδεηθλχεηαη δε φηη ε 47

48 ηερληθή OFDMA απνηειεί ηε βέιηηζηε επηινγή γηα ηελ πνιππιεμία ρξεζηψλ ζε έλα δίθηπν πνιιαπιψλ θεξφλησλ Οι θεμελιώδεις αρχές του OFDMA Βαζηθή αξρή ηνπ OFDMA είλαη ν δηαρσξηζκφο ηνπ ρξφλνπ θαη ηεο ζπρλφηεηαο ζε OFDM ζχκβνια θαη OFDM ππνθέξνληα αληίζηνηρα. ρεκαηηθά θαίλεηαη παξαθάησ: ρήκα 2.10: Ζ ηερληθή πξφζβαζεο OFDMA Όπσο θαίλεηαη θαη απφ ην ζρήκα 2.10, θαζέλα απφ ηα OFDM ζχκβνια ή θέξνληα κπνξνχλ λα απνδνζνχλ ζε δηαθνξεηηθνχο ρξήζηεο. Γηαθνξεηηθνί ρξήζηεο κπνξνχλ αθφκα λα ιακβάλνπλ δηαθνξεηηθφ 48

49 πιήζνο ζπκβφισλ θαη θεξφλησλ ελψ επηπιένλ παξέρεηαη ε δπλαηφηεηα δηαθνξεηηθψλ δηακνξθψζεσλ θαη ξπζκψλ θσδηθνπνίεζεο γηα θαζέλα απφ ηα θέξνληα Καη απηφ ηνλ ηξφπν κπνξνχλ λα εμππεξεηεζνχλ δηαθνξεηηθά επίπεδα QoS (Quality of Service). ην παξαθάησ ζρήκα θαίλεηαη ε αλάζεζε ησλ ππνθεξφλησλ ζηνπο ρξήζηεο ζε αζχξκαην ζχζηεκα θάησ δεχμεο: ρήκα 2.11: ΟFDMA κεηάδνζε θάησ δεχμεο αλαζέηνληαο ζε δηαθνξεηηθνχο ρξήζηεο δηαθνξεηηθά ππνθέξνληα Όπσο θαίλεηαη απφ ην παξαπάλσ ζρήκα, ζε θάζε ρξήζηε εθρσξείηαη ζπγθεθξηκέλνο αξηζκφο ππνθεξφλησλ αλάινγα κε ηηο αλάγθεο ηνπ ζε ξπζκφ κεηάδνζεο. Σν πνην ππνθέξνλ ζα απνδνζεί ζε πνην ρξήζηε είλαη ζέκα πνπ αθνξά ηε δηαρείξηζε ησλ ξαδηνπφξσλ ηνπ ζπζηήκαηνο, ε νπνία εμεηάδεηαη ζηα επφκελα. 49

50 2.6.2 Πλεονεκτήματα / Μειονεκτήματα OFDMA Σν ΟFDMA θιεξνλνκεί φια ηα ππέξ θαη ηα θαηά ηνπ ΟFDM φπσο απηά αλαθέξζεθαλ ζε πξνεγνχκελε ελφηεηα. Δπηπιένλ, ηα λέα πιενλεθηήκαηα ηνπ ΟFDMA είλαη: Δθκεηαιιεχεηαη ηε δηαθνξηθφηεηα ησλ πνιιψλ ρξεζηψλ (multiuser diversity) : Έλα ππνθέξνλ ρακειήο πνηφηεηαο γηα έλα ρξήζηε κπνξεί λα κελ είλαη γηα ηνπο άιινπο ρξήζηεο θαη επνκέλσο ζα πξέπεη λα δηαρεηξηζζεί θαηάιιεια. Πξνζθέξεη επειημία : Σα ππνθέξνληα κνηξάδνληαη ζηνπο ρξήζηεο κε βάζε ηελ ηζρχ θαη κπνξνχλ λα εθαξκνζηνχλ δηαθνξεηηθά επίπεδα δηακφξθσζεο αλά ππνθέξνλ. Μεηψλεη ηνλ ιφγν ηεο κέγηζηεο ηζρχνο πξνο ηελ κέζε (PAPR: peak-to-average-power ratio), θαηλφκελν πνπ απνηειεί ζπρλφ πξφβιεκα ζην OFDM. Απηφ νθείιεηαη ζην γεγνλφο φηη γηα ηελ εθπνκπή ηνπ ζήκαηνο απαηηείηαη έλα κέξνο (κεξηθά ππνθέξνληα) θαη φρη νιφθιεξν ην εχξνο δψλεο ηεο δεχμεο. Σν βαζηθφ κεηνλέθηεκα ηνπ ΟFDMA είλαη νη δηαθαλαιηθέο παξεκβνιέο, νη νπνίεο είλαη αλαπφθεπθηεο ζην πνιπρξεζηηθφ πεξηβάιινλ. πλεπψο απαηηείηαη ε αλαδήηεζε ηερληθψλ γηα ηελ θαηάιιειε δηαρείξηζε ησλ ξαδηνπφξσλ κε ζθνπφ ηελ ειαρηζηνπνίεζε ηεο επίδξαζεο κεηαμχ ησλ ρξεζηψλ. ηα πιαίζηα ηνπ ΟFDMA, ε δηαρείξηζε ξαδηνπφξσλ απαηηεί ηελ ζσζηή αλάζεζε ππνθεξφλησλ ζηνπο ρξήζηεο, θαηάιιειν επίπεδν δηακφξθσζεο (bit loading) ζηα ππνθέξνληα θαη έιεγρν ηεο ηζρχνο αλά ππνθέξνλ. 50

51 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 3 ΑΠΟΔΟΣΙΚΗ ΦΡΗΗ ΑΤΡΜΑΣΨΝ ΠΟΡΨΝ 3.1 Εισαγωγή Οη δηαζέζηκνη πφξνη ησλ θηλεηψλ αζχξκαησλ δηθηχσλ, φπσο θαη νη πεξηζζφηεξνη θπζηθνί πφξνη είλαη πεπεξαζκέλνη. Δάλ ζα κπνξνχζε λα ππάξμεη έλα δίθηπν κε άπεηξε ρσξεηηθφηεηα θαη εχξνο δψλεο, δελ ζα ππήξρε αλάγθε γηα δηαρείξηζε ησλ πφξσλ ηνπ. Γπζηπρψο, απηφ δελ είλαη εθηθηφ θαη επνκέλσο ε αλάγθε απηή ππάξρεη θαη ζεσξείηαη αλαπφθεπθηε νχησο ψζηε λα απνηξαπνχλ ηα πξνβιήκαηα πνπ κπνξνχλ λα εκθαληζηνχλ σο ζπλέπεηα ηεο θαηάρξεζεο ησλ πφξσλ. Δπηπιένλ, νη πφξνη ησλ δηθηχσλ έρνπλ δπν ραξαθηεξηζηηθά πνπ έρνπλ επηηξέςεη ηελ αλάπηπμε δηάθνξσλ κεραληζκψλ θαη ζηξαηεγηθψλ γηα ηε ζπζηεκαηηθή δηαρείξηζε ηνπο. Απηά είλαη φηη είλαη ζπγθεθξηκέλνη θαη φηη κπνξνχλ λα επαλαρξεζηκνπνηεζνχλ. πλεπψο, ζηα θηλεηά αζχξκαηα δίθηπα φινη νη δηαζέζηκνη ξαδηνπφξνη πξέπεη λα ρξεζηκνπνηεζνχλ κε ηνλ απνδνηηθφηεξν ηξφπν πξνθεηκέλνπ λα ρξεζηκνπνηεζεί θαιχηεξα ην πεπεξαζκέλν ξαδηνθάζκα. 3.2 Παράγοντες που καθορίζουν την αποδοτική διαχείριση ασύρματων πόρων Σξεηο είλαη νη θχξηνη παξάγνληεο πνπ θαζνξίδνπλ ηε ρξήζε θαη αμηνπνίεζε ησλ δηαζεζίκσλ πφξσλ ελφο αζχξκαηνπ ζπζηήκαηνο. 51

52 Πξψηνλ, ην ζρήκα πνιιαπιήο πξφζβαζεο πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί ψζηε λα εμππεξεηεζνχλ θαηά ην δπλαηφ πεξηζζφηεξνη ρξήζηεο πνπ αηηνχληαη ησλ ππεξεζηψλ ηνπ ζπζηήκαηνο. Γεχηεξνλ, ε εμαζθάιηζε ηεο πνηφηεηαο ππεξεζίαο (QoS) πνπ πξνζθέξεηαη απφ ην ζχζηεκα θαη ηέινο ν ηξφπνο κε ηνλ νπνίν ζα θαηαλεκεζνχλ νη δηαζέζηκνη πφξνη ζηνπο ρξήζηεο ηνπ ζπζηήκαηνο, αλάινγα κε ην ξπζκφ θαη ηελ πνηφηεηα ππεξεζίαο πνπ δεηνχλ. Σν ηειεπηαίν απηφ θνκκάηη απνηειεί ην κεγάιν θεθάιαην ηεο δηαρείξηζεο ησλ αζπξκάησλ πφξσλ ζηα αζχξκαηα ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα χήμα πολλαπλής πρόσβασης Ζ πνιιαπιή πξφζβαζε ζε ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα αλαθέξεηαη ζε ηερληθέο πνπ επηηξέπνπλ ζε πνιινχο ρξήζηεο λα κνηξάδνληαη ηνπο πεπεξαζκέλνπο πφξνπο ηνπ ζπζηήκαηνο (εχξνο δψλεο, εθπεκπφκελε ηζρχο) απνηειεζκαηηθά. πγθεθξηκέλα, φηαλ έρνπκε πεξηζζφηεξνπο απφ έλα ρξήζηε πνπ επηζπκνχλ λα έρνπλ πξφζβαζε ζηνπο πφξνπο ηνπ ζπζηήκαηνο, έλα ζρήκα πνιιαπιήο πξφζβαζεο αλαιακβάλεη ηνλ έιεγρν λα κνηξάζεη ηνπο δηαζέζηκνπο πφξνπο κεηαμχ ησλ ρξεζηψλ, έηζη ψζηε φινη λα κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηνχλ ηηο ππεξεζίεο πνπ παξέρνληαη απφ ην δίθηπν θαη γηα λα εμαζθαιηζηεί φηη θαλέλαο ρξήζηεο δελ δαπαλά φινπο ηνπο δηαζέζηκνπο πφξνπο. Απηφο ν δηακνηξαζκφο πεξηιακβάλεη ηε δεκηνπξγία δηαθνξεηηθψλ δεχμεσλ γηα ηηο δηάθνξεο επηθνηλσλίεο αιιά θαη επαλαρξεζηκνπνίεζε ησλ δηαζέζηκσλ πφξσλ κε ζθνπφ λα απμεζεί ε ρξεζηκνπνίεζή ηνπο. έλα ζχζηεκα, ε επαλαρξεζηκνπνίεζε πφξσλ έρεη θαη ζεηηθά θαη αξλεηηθά απνηειέζκαηα. Απφ ηε κία, πξνθαιεί θαηλφκελα παξεκβνιψλ θαζψο ν ίδηνο πφξνο είλαη 52

53 δπλαηφλ λα ρξεζηκνπνηεζεί ηελ ίδηα ρξνληθή ζηηγκή απφ πεξηζζφηεξνπο ηνπ ελφο ρξήζηεο. Ωζηφζν, ζπληειεί ζηε βειηίσζε ηεο απφδνζεο ηνπ ζπζηήκαηνο φηαλ γηα παξάδεηγκα δεδνκέλα δηαθνξεηηθψλ ρξεζηψλ ζπλδπάδνληαη ζε έλαλ αζηεξηζκφ γηα κεηάδνζε. ε θάζε πεξίπησζε, απηή ε ακνηβαία επηξξνή κεηαμχ ησλ ρξεζηψλ ζα πξέπεη λα είλαη γλσζηή θαη ειεγρφκελε Εξασφάλιση της ποιότητας υπηρεσίας ε κηα επνρή φπνπ ζεκεηψλεηαη ξαγδαία εμέιημε θαη αλάπηπμε ζην ηνκέα ησλ ηειεπηθνηλσληψλ θαη εηδηθφηεξα ησλ δηθηχσλ θηλεηήο ηειεθσλίαο θαη ησλ ππεξεζηψλ πνπ απηά ππνζηεξίδνπλ, νη ρξήζηεο απαηηνχλ κηα ζπλερψο απμαλφκελε αιιά θαη εγγπεκέλε πνηφηεηα ππεξεζηψλ θαη εμππεξέηεζεο. Ζ δηαθνξνπνίεζε κεηαμχ ησλ απαηηήζεσλ ησλ ρξεζηψλ επηηξέπεη ηελ εθρψξεζε αθξηβψο φζσλ πφξσλ ρξεηάδεηαη ν θάζε ρξήζηεο, ρσξίο λα αλαιίζθνληαη ζε κηα πξνζέγγηζε ρεηξφηεξεο πεξίπησζεο (worst-case). Δπνκέλσο, ε ππνζηήξημε δηαθνξεηηθψλ πξνθίι θίλεζεο, γλσζηή θαη ππνζηήξημε πνηφηεηαο ππεξεζίαο (QoS) είλαη πξψηηζηεο ζεκαζίαο γηα ην ζρεδηαζκφ ησλ κειινληηθψλ ζρεκάησλ πνιιαπιήο πξφζβαζεο. Ζ πνηφηεηα ππεξεζίαο ζα πξέπεη λα παξέρεηαη ζπλνιηθά, απφ άθξν ζε άθξν (-to-) απφ ην ζχζηεκα. Απηφ ζεκαίλεη φηη ζα πξέπεη λα ππνζηεξίδεηαη απφ φια ηα ζηνηρεία ηνπ ζπζηήκαηνο πνπ ζπληζηνχλ ην κνλνπάηη αλάκεζα ζηα επηθνηλσλνχληα κέξε. πρλά, ε αζχξκαηε δεχμε είλαη ην πην αδχλακν θνκκάηη ζην ηειεπηθνηλσληαθφ κνλνπάηη εμαηηίαο ηεο κεηαβιεηήο θαη απξφβιεπηεο ζπκπεξηθνξάο ηεο. Μία απφ ηηο πηζαλέο ιχζεηο γηα ηελ παξνρή -to- QoS ππεξεζηψλ είλαη κε ηε 53

54 δηαπξαγκάηεπζε ησλ παξακέηξσλ ηεο πνηφηεηαο ππεξεζίαο, ηε ζπκθσλία ζε ζπγθεθξηκέλεο παξακέηξνπο θαη ηε ζχλαςε ζπκθσληψλ ζε επίπεδν ππεξεζίαο (service level agreements SLAs) κεηαμχ ησλ δηαθνξεηηθψλ ζηνηρείσλ ηνπ ζπζηήκαηνο. Έλα ζχζηεκα πνπ παξέρεη πνηφηεηα ππεξεζηψλ ζα πξέπεη λα είλαη δίθαην. Απηφ ζεκαίλεη φηη ε εμαζθάιηζε πνηφηεηαο γηα έλα ρξήζηε δελ ζα πξέπεη λα γίλεηαη ζε βάξνο ηεο πνηφηεηαο ελφο άιινπ ρξήζηε, αλ ππνζέζνπκε φηη φινη νη ρξήζηεο έρνπλ ηελ ίδηα πξνηεξαηφηεηα, αιιά νχηε θαη κε έμνδα άιισλ ρξεζηψλ τρατηγικές κατανομής καναλιών Μηα απφ ηηο βαζηθφηεξεο ιεηηνπξγίεο ηεο δηαρείξηζεο πφξσλ ζηα αζχξκαηα δίθηπα είλαη ε θαηαλνκή πφξσλ. Ζ ζεκαζία ηεο θαζίζηαηαη αθφκα πην κεγάιε δεδνκέλεο ηεο πεξηνξηζκέλεο ρσξεηηθφηεηαο ησλ αζχξκαησλ δηθηχσλ πνπ νθείιεηαη ζηελ έιιεηςε πφξσλ, φπσο ην θάζκα, ην νπνίν ζα πξέπεη λα εθρσξείηαη θαηά ηξφπν δίθαην αιιά θαη απνδνηηθφ. Σα βαζηθφηεξα ζρήκαηα θαηαλνκήο θαλαιηψλ (φπνπ σο θαλάιηα ζεσξνχκε ζπρλνηηθά θαλάιηα ή ρξνλνζπξίδεο) ρσξίδνληαη ζε ηξεηο βαζηθέο θαηεγνξίεο τατική κατανομή καναλιών (Fixed Channel Allocation) Ζ ζηαηηθή θαηαλνκή θαλαιηψλ είλαη ε ηζηνξηθά παιαηφηεξε πξνζέγγηζε ζην πξφβιεκα ηεο δηαρείξηζεο πφξσλ. Δδψ, ζπγθεθξηκέλα 54

55 θαλάιηα απνδίδνληαη κφληκα ζε ζπγθεθξηκέλεο θπςέιεο. Απηή ε αλάζεζε είλαη ζηαηηθή θαη δελ κπνξεί λα αιιάμεη. Ζ θαηαλνκή ησλ θαλαιηψλ ζηηο θπςέιεο γίλεηαη βάζεη θάπνηνπ ζπγθεθξηκέλνπ ζρεδίνπ επαλαρξεζηκνπνίεζεο κε ζηφρν ηελ απνθπγή ηεο νκνθαλαιηθήο παξεκβνιήο φηαλ γεηηνληθέο θπςέιεο ρξεζηκνπνηνχλ ην ίδην θαλάιη. Καη απηφλ ηνλ ηξφπν, ζηελ ζηαηηθή θαηαλνκή ε απφζηαζε κεηαμχ ησλ νκνδηαπιηθψλ θπςειψλ απνηειεί ηελ απφζηαζε επαλαρξεζηκνπνίεζεο (reuse distance) γηα ην ζχζηεκα απηφ, δειαδή είλαη ε ειάρηζηε δπλαηή ψζηε λα κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηνχλ ηελ ίδηα ζπρλφηεηα κε απνδεθηά επίπεδα παξεκβνιήο (ρήκα 3.1). ρήκα 3.1: Απφζηαζε επαλαρξεζηκνπνίεζεο γηα ην ζχζηεκα ζηαηηθήο θαηαλνκήο θαλαιηψλ Σν πξφβιεκα ηεο ζηαηηθήο θαηαλνκήο εκθαλίδεηαη ζηε πεξίπησζε πνπ ε ηειεπηθνηλσληαθή θίλεζε ζην δίθηπν ησλ ζηαζκψλ βάζεο δελ είλαη νκνηφκνξθε. Γηα παξάδεηγκα, ζηελ πεξίπησζε φπνπ δπν γεηηνληθέο θπςέιεο έρνπλ γηα ρξήζε Ν θαλάιηα ε θάζε κία, ηφηε ζηε πεξίπησζε πνπ απαηηνχληαη ζηελ κία θπςέιε Ν+k θαλάιηα ελψ ζηε γεηηνληθή Ν-m θαλάιηα, εκθαλίδεηαη πξφβιεκα ζηελ εμππεξέηεζε ησλ k ρξεζηψλ ζηελ πξψηε ελψ ζηε δεχηεξε m θαλάιηα κέλνπλ αρξεζηκνπνίεηα. Δίλαη ινηπφλ θαλεξφ φηη ζε κηα ηέηνηα πεξίπησζε (κε νκνηφκνξθε θίλεζε) ηα δηαζέζηκα θαλάιηα δελ ρξεζηκνπνηνχληαη απνηειεζκαηηθά. Απηή είλαη ε πεξίπησζε ζρεδηαζκνχ ρείξηζηεο πεξίπησζεο, ε νπνία ζηνρεχεη λα 55

56 παξάζρεη έλα ειάρηζην ιφγν ζήκαηνο πξνο παξεκβνιή ζην κεγαιχηεξν κέξνο ηνπ ζπζηήκαηνο. πλεπψο, ε ζηαηηθή θαηαλνκή θαλαιηψλ, αλ θαη απιή θαη δελ απαηηεί γλψζε ησλ πεξηβαιινληηθψλ ζπλζεθψλ, νδεγεί ζε ζπαηάιε πφξσλ ην κεγαιχηεξν ρξνληθφ δηάζηεκα, φηαλ ε ππφζεζε γηα ην ζελάξην ρεηξφηεξεο πεξίπησζεο είλαη ηδηαίηεξα απζηεξή Δυναμική κατανομή καναλιών (Dynamic channel allocation) ηε δπλακηθή θαηαλνκή πφξσλ, ν δηαρεηξηζηήο πφξσλ ηνπ ζπζηήκαηνο, βαζηζκέλνο ζηελ ιεπηνκεξή γλψζε ηνπ πεξηβάιινληνο αιιά θαη ησλ απαηηήζεσλ ησλ ρξεζηψλ, ιακβάλεη απνθάζεηο ζρεηηθά κε ηνπο πφξνπο πνπ ζα πξέπεη λα εθρσξεζνχλ ζε θάζε ρξήζηε. Καζ' απηφλ ηνλ ηξφπν, νη πφξνη εθρσξνχληαη ζχκθσλα κε ηελ πνηφηεηά ηνπο θαη ηηο αλάγθεο ησλ ρξεζηψλ. πγθεθξηκέλα, αλαηίζεηαη θαλάιη φηαλ δεηεζεί απφ ηνλ ρξήζηε θαη ππφ ηελ πξνυπφζεζε πνπ πιεξνί ηνπο πεξηνξηζκνχο παξεκβνιψλ ηε δεδνκέλε ζηηγκή πνπ δεηείηαη (απηφ κπνξεί λα πξνθχςεη απφ ηε κεηξνχκελε ηηκή SNIR). Σα ζρήκαηα απηά έρνπλ ηε δπλαηφηεηα λα πξνζαξκφδνληαη ζηηο κεηαβαιιφκελεο ζπλζήθεο ηεο θίλεζεο θαιχηεξα απφ ηε ζηαηηθή θαηαλνκή. Μεηνλέθηεκα ησλ κεζφδσλ απηψλ είλαη ε αλάγθε γηα απφθηεζε ιεπηνκεξνχο πιεξνθνξίαο ζρεηηθά κε ηηο πεξηβαιινληηθέο ζπλζήθεο, ε πνιππινθφηεηα ηνπο θαη ην γεγνλφο φηη αδπλαηνχλ λα αληαπεμέιζνπλ ζε πςειά θνξηία θίλεζεο. 56

57 Τβριδική κατανομή καναλιών (Hybrid channel allocation) Με ηελ ηερληθή απηή, επηρεηξείηαη λα μεπεξαζηνχλ ηα κεηνλεθηήκαηα ησλ δπν παξαπάλσ ζρεκάησλ. ην ζρήκα ηεο πβξηδηθήο θαηαλνκήο πφξσλ, ηα θαλάιηα ρσξίδνληαη ζε δπν νκάδεο αλάινγα κε ηνλ ηξφπν θαηαλνκήο ηνπο: ζηαηηθήο θαη δπλακηθήο. Σα θαλάιηα ηεο ζηαηηθήο θαηαλνκήο ρξεζηκνπνηνχληαη ππφ θαλνληθέο ζπλζήθεο θίλεζεο θαη ηα θαλάιηα ηεο δπλακηθήο θαηαλνκήο ρξεζηκνπνηνχληαη απφ ην δίθηπν γηα ηελ πξνζαξκνγή ηνπ ζε πεξηπηψζεηο δηαθπκάλζεσλ ηεο θίλεζεο. Ο δαλεηζκφο θαλαιηνχ (channel borrowing) απνηειεί κηα δηαδεδνκέλε πβξηδηθή κέζνδνο. ε απηή ηελ κέζνδν, ηα θαλάιηα εθρσξνχληαη φπσο αθξηβψο θαη ζηελ πεξίπησζε ηεο ζηαηηθήο θαηαλνκήο πφξσλ. Αλ κηα θπςέιε ρξεηάδεηαη έλα θαλάιη ππεξβαίλνληαο ηα θαλάιηα ηα νπνία ηεο έρνπλ εθρσξεζεί ηφηε απηή ε θπςέιε κπνξεί λα δαλεηζηεί έλα θαλάιη απφ κηα γεηηνληθή ηεο θπςέιε ππφ ηελ πξνυπφζεζε φηη απηφ ην θαλάιη είλαη δηαζέζηκν θαη δελ παξαβηάδεη ηελ αξρή ηεο επαλαρξεζηκνπνίεζεο. Ζ κέζνδνο ηνπ δαλεηζκνχ θαλαιηνχ ζεσξείηαη ζπρλά σο ππνθαηεγνξία ηεο ζηαηηθήο κεζφδνπ θαζψο θάζε θαλάιη έρεη κηα πξνθαζνξηζκέλε ζέζε ζε κηα ζπγθεθξηκέλε θπςέιε. ηελ παξνχζα δηπισκαηηθή εξγαζία, ε κειέηε επηθεληξψλεηαη ζηηο ηερληθέο δπλακηθήο θαηαλνκήο πφξσλ, αμηνπνηψληαο ηε γλψζε ηνπ πεξηβάιινληνο ιεηηνπξγίαο ηνπ ζπζηήκαηνο. 57

58 58

59 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 4 ΑΝΑΘΕΗ ΡΑΔΙΟΠΟΡΨΝ Ε ΠΟΛΤΚΤΧΕΛΨΣΑ ΤΣΗΜΑΣΑ OFDMA 4.1 Μοντελοποίηση προβλήματος Θεσξνχκε έλα πνιπθπςεισηφ OFDMA ζχζηεκα Κ θπςειψλ, εχξνπο δψλεο BW ην νπνίν ρσξίδεηαη ζε Ν OFDM θέξνληα. Ζ πεξηνρή θάζε θπςέιεο εμππεξεηείηαη απφ έλαλ ζηαζκφ βάζεο πνπ ηνπνζεηείηαη ζην θέληξν ηεο, ν νπνίνο δηαζέηεη παλθαηεπζπληηθή θεξαία θαη κπνξεί λα εθπέκςεη κέγηζηε ηζρχ P max. Ο κέγηζηνο αξηζκφο ελεξγψλ ρξεζηψλ ηνπ ζπζηήκαηνο είλαη U, θαζέλαο εθ ησλ νπνίσλ είλαη εμνπιηζκέλνο κε κία θαηεπζπληηθή θεξαία πνπ ζηνρεχεη πξνο ην ζηαζκφ βάζεο απφ ηνλ νπνίν εμππεξεηείηαη. Ζ κειέηε εζηηάδεηαη ζηελ θάησ δεχμε ηνπ ζπζηήκαηνο θαη ζεσξνχκε φηη επηηξέπεηαη ε επαλαρξεζηκνπνίεζε θεξφλησλ κεηαμχ ησλ δηαθνξεηηθψλ θπςειψλ ηνπ ζπζηήκαηνο, φρη φκσο εληφο ηεο ίδηαο θπςέιεο. Απηφ ζπλεπάγεηαη φηη θάζε θπςέιε κπνξεί λα επσθειεζεί απφ ηε δηαζεζηκφηεηα ηνπ ζπλνιηθνχ θάζκαηνο BW, δειαδή ην θπςεισηφ ζχζηεκα έρεη ζπληειεζηή επαλαρξεζηκνπνίεζεο έλα. Σν ζεκαληηθφ κεηνλέθηεκα είλαη ε νκνδηαπιηθή παξεκβνιή πνπ πθίζηαληαη νη ρξήζηεο θαζψο ρξεζηκνπνηνχλ ίδηεο ζπρλφηεηεο κε ρξήζηεο γεηηνληθψλ θπςειψλ. Δπηπιένλ, ππνηίζεηαη φηη νη ρξήζηεο βξίζθνληαη αθίλεηνη ζην ζχζηεκα νπφηε ην θαηλφκελν Doppler κπνξεί λα αγλνεζεί. 59

60 Γηα ηελ πεξηγξαθή ηνπ OFDMA ζπζηήκαηνο ζα πξέπεη λα νξηζηνχλ δηάθνξα κεγέζε: Ζ κήηξα G=[G u,n,k ]: Παξηζηάλεη ην θέξδνο ηνπ θαλαιηνχ κεηαμχ ηνπ ζηαζκνχ βάζεο k θαη ηνπ ρξήζηε u, νη νπνίνη επηθνηλσλνχλ ρξεζηκνπνηψληαο ην θέξνλ n θαη πεξηιακβάλεη ηηο απψιεηεο δηαδξνκήο θαη ηελ επίδξαζε ηεο ζθίαζεο. Ζ κήηξα P=[P u,n,k ]: Παξηζηάλεη ηε ηηκή ηεο εθπεκπφκελεο ηζρχνο ε νπνία εθπέκπεηαη απφ ην ζηαζκφ βάζεο k ζην θέξνλ n ψζηε λα εμππεξεηεζεί ν ρξήζηεο u. Ζ κήηξα I=[I u,n,k ]: Πεξηγξάθεη ηελ ζπλνιηθή ηζρχ ηεο νκνδηαπιηθήο παξεκβνιήο πνπ πθίζηαηαη ν ρξήζηεο u, ν νπνίνο εμππεξεηείηαη απφ ηνλ ζηαζκφ βάζεο k ρξεζηκνπνηψληαο ην θέξνλ n. Ζ ηζρχο I u,n,k ππνινγίδεηαη ζχκθσλα κε ηε ζρέζε Iu, n, k Gu, n, ipv, n, i, u 1,..., U (4.1) i k, v u φπνπ G u,n,i ην θέξδνο αλάκεζα ζηνλ i-νζηφ παξεκβάιινληα ζηαζκφ βάζεο θαη ην ρξήζηε u θαη P v,n,i ε εθπεκπφκελε ηζρχο ηνπ ζηαζκνχ βάζεο i ζην θέξνλ n πνπ εμππεξεηεί ην ρξήζηε v u. Θα πξέπεη λα ιεθζεί ππφςε φηη ην ζήκα ησλ ρξεζηψλ ππνθέξεη θαη απφ ιεπθφ Γθανπζζηαλφ ζφξπβν, ν νπνίνο ζεσξείηαη κεδεληθήο κέζεο ηηκήο κε δηαζπνξά ζ 2. Σα G=[G u,n,k ], I=[I u,n,k ] θαη ζ 2 απνηεινχλ ηηο πιεξνθνξίεο ηεο θαηάζηαζεο ηνπ θαλαιηνχ (Channel State Information CSI).. Θεσξνχκε φηη ν ζηαζκφο βάζεο έρεη ζηε δηάζεζή ηνπ ηέιεηα γλψζε ηνπ θαλαιηνχ πνπ ηνλ ζπλδέεη κε θάζε ρξήζηε κέζσ θαλαιηψλ αλάδξαζεο. 60

61 Ζ κήηξα B=[b u,n,k ]: Παξηζηάλεη ηνλ αξηζκφ ησλ bits αλά ζχκβνιν πνπ ζα θνξησζνχλ ζην θέξνλ n, ην νπνίν έρεη εθρσξεζεί ζην ρξήζηε u θαη εμππεξεηείηαη απφ ηνλ ζηαζκφ βάζεο k. Υξεζηκνπνηείηαη γηα ηνλ νξηζκφ ηνπ επηπέδνπ δηακφξθσζεο M κέζσ ηεο ζρέζεο b=log 2 M. Ζ κήηξα C=[C u,n,k ]: Απεηθνλίδεη ηελ εθρψξεζε θαλαιηψλ ζηνπο ρξήζηεο ηνπ ζπζηήκαηνο. Οη δπλαηέο ηηκέο πνπ κπνξεί λα πάξεη ε κήηξα είλαη 0 ή 1. πγθεθξηκέλα, εάλ C u,n,k =0 ζεκαίλεη φηη ην θέξνλ n δελ έρεη εθρσξεζεί ζηνλ ρξήζηε u ν νπνίνο εμππεξεηείηαη απφ ηνλ ζηαζκφ βάζεο k, ελψ αλ C u,n,k =1 ην θέξνλ έρεη εθρσξεζεί ζην ρξήζηε u. Ζ κήηξα Α=[Α u,k ]: Απεηθνλίδεη ηελ εθρψξεζε ρξεζηψλ ζε ζηαζκνχο βάζεο. Κη εδψ νη δπλαηέο ηηκέο πνπ κπνξεί λα πάξεη ε κήηξα είλαη 0 ή 1. πγθεθξηκέλα, εάλ φπνπ A u,k =0 ζεκαίλεη φηη ν ρξήζηεο u δελ εμππεξεηείηαη απφ ηελ θπςέιε k ελψ αλ A u,k =1 ζεκαίλεη φηη εμππεξεηείηαη. 4.2 Έλεγχος ισχύος Γηα λα είλαη δπλαηή ε επίηεπμε επηθνηλσλίαο κε έλα πξνθαζνξηζκέλν ξπζκφ εζθαικέλσλ bit γηα θάζε ρξήζηε u ηνπ ζπζηήκαηνο πνπ επηθνηλσλεί κε ην ζηαζκφ βάζεο k ρξεζηκνπνηψληαο ην θέξνλ n, ζα πξέπεη λα ηζρχεη ε παξαθάησ ζρέζε SNIR G P u, n, k u, n, k u, n, k 2 u, n, k Iu, n, k (4.2) 61

62 Γειαδή, ν ιφγνο ζήκαηνο πξνο παξεκβνιή θαη ζφξπβν (SNIR u,n,k ) γηα θάζε ρξήζηε ζα πξέπεη λα κελ είλαη κηθξφηεξνο απφ κία ειάρηζηε ηηκή (γ u,n,k ), ε νπνία εμαξηάηαη απφ ηνλ ηχπν δηακφξθσζεο πνπ εθαξκφδεηαη θαη ηνλ απαηηνχκελν ξπζκφ εζθαικέλσλ bit θαη ππνινγίδεηαη απφ ηε ζρέζε πνπ αθνινπζεί: b,,,,,, (2 u n k u n k u n k 1) (4.3) ηε ζρέζε απηή ην κέγεζνο b u,n,k, ην νπνίν φπσο αλαθέξζεθε ζηε πξνεγνχκελε ελφηεηα ζπκβνιίδεη ην πιήζνο ησλ bit αλά ζχκβνιν πνπ θνξηψλνληαη ζην θέξνλ n, θαζνξίδεη ηνλ ηχπν ηεο εθαξκνδφκελεο δηακφξθσζεο (b=log 2 M). Σν κέγεζνο Γ u,n,k θαιείηαη SNR gap θαη δείρλεη πφζεο θνξέο θάησ απφ ην ζεσξεηηθά κέγηζην είλαη ην SNR πνπ επηηπγράλεηαη κε ην θάζε είδνο δηακφξθσζεο. Γηα ηελ πεξίπησζε ηεο ηεηξαγσληθήο M-QAM ην SNR gap νξίδεηαη σο 1 Pe u u, n, k Q 2 (4.4) θαη σο Pe u ζπκβνιίδεηαη ε πηζαλφηεηα εζθαικέλνπ bit πνπ απαηηεί ν ρξήζηεο u. πλδπάδνληαο ηηο ζρέζεηο (4.1) θαη (4.2), πξνθχπηεη έλα ζχλνιν απφ γξακκηθέο αληζφηεηεο, 2 Gu, n, kpu, n, k u, n, k Gu, n, ipv, n, i u, n, k (4.5) i k, v u 62

63 Αλ ππνζέζνπκε φηη ην θέξνλ n ρξεζηκνπνηείηαη απφ θ ζε πιήζνο ρξήζηεο (u m, m=1,...,θ) νη νπνίνη εμππεξεηνχληαη ζπλνιηθά απφ θ νκνδηαπιηθέο θπςέιεο (k m, m=1,...,θ ), ε παξαπάλσ ζρέζε κπνξεί λα γξαθεί ζε κεηξηθή κνξθή σο εμήο φπνπ 2 H( n) p( n) ( n), n 1,..., N (4.6) Gu 1, n, k 1 u1, n, k G 1 u1, n, k 2 u1, n, k G 1 u1, n, k u2, n, k G 2 u2, n, k G 1 u2, n, k2 ( n) u2, n, k Gu, n, k G 1 u, n, k (4.7) p( n) [ p ( n) p ( n) p ( n)] [ P P P ] (4.8) T T k1 k2 k u1, n, k1 u2, n, k2 u, n, k ( n) [ ] T (4.9) u1, n, k1 u2, n, k2 u, n, k Ζ κήηξα H γξάθεηαη ζε πην ζπκπαγή κνξθή σο εμήο G ό m l H ( n), m 1,...,, l 1,..., ml um, n, kl (4.10) um, n, k G m um, n, k ό m l l Γηα ηελ επίιπζε ηνπ παξαπάλσ ζπλφινπ ησλ γξακκηθψλ αληζνηήησλ, αξθεί λα επηιχζνπκε ην αληίζηνηρν γξακκηθφ ζχζηεκα εμηζψζεσλ ρξεζηκνπνηψληαο θάπνηα κέζνδν επίιπζεο γξακκηθψλ ζπζηεκάησλ, φπσο γηα παξάδεηγκα ηελ απαινηθή Gauss (Hp=ζ 2 γ). Ζ ιχζε ηνπ ζπζηήκαηνο ραξαθηεξίδεηαη σο εθηθηή κφλν γηα πιήξσο ζεηηθά δηαλχζκαηα p ηεο εθπεκπφκελεο ηζρχνο. ε αληίζεηε πεξίπησζε, δελ ππάξρεη εθηθηή ιχζε, ην νπνίν ζεκαίλεη φηη νη νκνδηαπιηθνί ρξήζηεο δελ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηήζνπλ ην θέξνλ n, επεηδή ε νκνδηαπιηθή 63

64 παξεκβνιή ζα είλαη ππεξβνιηθά κεγάιε θαη ην SNIR ηνπο ζα βξίζθεηαη θάησ απφ ην επηζπκεηφ επίπεδν. 4.3 Πρόβλημα διαχείρισης πόρων Ζ θαηαλνκή ησλ δηαζέζηκσλ πφξσλ ελφο θπςεισηνχ OFDMA ζπζηήκαηνο ζπλήζσο δηαηππψλεηαη σο πξφβιεκα βειηηζηνπνίεζεο κε πεξηνξηζκνχο, είηε ειαρηζηνπνίεζε ηεο ζπλνιηθήο εθπεκπφκελεο ηζρχνο κε πεξηνξηζκφ ζην ξπζκφ κεηάδνζεο δεδνκέλσλ ζην ρξήζηε, είηε κεγηζηνπνίεζε ηνπ ζπλνιηθνχ ξπζκνχ κεηάδνζεο δεδνκέλσλ κε πεξηνξηζκφ ζηελ ζπλνιηθή εθπεκπφκελε ηζρχ Σο πρόβλημα της ελαχιστοποίησης της εκπεμπόμενης ισχύος Γηα ηελ επίιπζε ηνπ πξνβιήκαηνο ειάρηζηεο ηζρχνο, ν αιγφξηζκνο εθρψξεζεο πφξσλ απνζθνπεί ζηελ εχξεζε ηεο θαηάιιειεο θαηαλνκήο θαλαιηψλ (θεξφλησλ) ζηνπο ρξήζηεο θαη ηνπ θαηάιιεινπ επηπέδνπ δηακφξθσζεο (bit loading) γηα ην θάζε απνδνζέλ θαλάιη έηζη ψζηε λα ειαρηζηνπνηείηαη ε εθπεκπφκελε ηζρχο, ππφ ηελ πξνυπφζεζε φηη θαιχπηνληαη νη απαηηήζεηο ησλ ρξεζηψλ ζε ξπζκφ δεδνκέλσλ. Οη ζπκβνιηζκνί ησλ κεγεζψλ γηα ηηο ζρέζεηο πνπ αθνινπζνχλ αλαθέξνληαη ζηελ ελφηεηα

65 Σν πξφβιεκα ειάρηζηεο ηζρχνο δηαηππψλεηαη σο εμήο min U N K Cu, n, k Pu, n, k (4.11) u 1 n 1 k 1 θαη ζα πξέπεη λα ηεξνχληαη νη παξαθάησ πξνυπνζέζεηο: 1. Ο ξπζκφο δεδνκέλσλ πνπ απαηηείηαη απφ ηνλ ρξήζηε (R u ) ζα πξέπεη λα είλαη κηθξφηεξνο ή ίζνο ζε ζρέζε κε ηνλ πξνζθεξφκελν (νr u ), N K u u u, n, k u, n, k T (4.12) e n 1 k 1 1 R or C b, u 1,..., U φπνπ T e ε αμηνπνηήζηκε ρξνληθή δηάξθεηα ηνπ OFDM ζπκβφινπ 1 1 N Te. f BW / N BW (4.13) 2. Ζ κέγηζηε εθπεκπφκελε ηζρχο (P max ) ζα πξέπεη λα είλαη κεγαιχηεξε ή ίζε ζε ζρέζε κε ηελ ζπλνιηθή εθπεκπφκελε ηζρχ θάζε θπςέιεο ( op ), total k (4.14) U N total max k u, n, k u, n, k P op C P, k 1,..., K u 1 n 1 3. Κάζε θαλάιη κπνξεί λα εθρσξεζεί κφλνλ ζε έλα ρξήζηε κέζα ζηελ ίδηα θπςέιε, U Cu, n, k 1, n 1,..., N, k 1,..., K (4.15) u 1 Σν παξαπάλσ πξφβιεκα βειηηζηνπνίεζεο απνηειεί έλα ηξηζδηάζηαην κε γξακκηθφ θαη ζπλδπαζηηθφ πξφβιεκα εθρψξεζεο. Σν πξφβιεκα απηφ δελ είλαη δπλαηφλ λα ιπζεί ζε απηή ηε κνξθή θαζψο νη ηηκέο ηζρχνο ηεο κήηξαο P=[P u,n,k ] είλαη ακνηβαία εμαξηψκελεο εμαηηίαο ηεο νκνδηαπιηθήο παξεκβνιήο 65

66 4.3.2 Σο πρόβλημα της μεγιστοποίησης του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων Σν πξφβιεκα θαη ζηελ πεξίπησζε απηή δηαηππψλεηαη σο ε εχξεζε ηνπ θαηάιιεινπ ηξφπνπ εθρψξεζεο αζχξκαησλ πφξσλ ζηνπο ρξήζηεο ηνπ ζπζηήκαηνο. Σν θξηηήξην σζηφζν πνπ ρξεζηκνπνηείηαη εδψ είλαη ε κεγηζηνπνίεζε ηνπ ζπλνιηθνχ ξπζκνχ κεηάδνζεο πνπ ζα επηηεπρζεί ζε νιφθιεξν ην ζχζηεκα, ππφ ηελ πξνυπφζεζε φηη θαλέλαο ζηαζκφο βάζεο δελ ζα εθπέκςεη κε ηζρχ κεγαιχηεξε ηεο δηαζέζηκεο. Σν πξφβιεκα κέγηζηνπ ξπζκνχ κεηάδνζεο δηαηππψλεηαη σο εμήο max U N K Cu, n, kbu, n, k (4.16) u 1 n 1 k 1 Κη εδψ ζα πξέπεη λα ηεξνχληαη νη ίδηεο πξνυπνζέζεηο: N K u u u, n, k u, n, k T (4.17) e n 1 k 1 1 R or C b, u 1,..., U (4.18) U N total max k u, n, k u, n, k P op C P, k 1,..., K u 1 n 1 U Cu, n, k 1, n 1,..., N, k 1,..., K (4.19) u 1 ηε ζπλέρεηα εμεηάδεηαη ην πξφβιεκα ηεο ειαρηζηνπνίεζεο ηεο εθπεκπφκελεο ηζρχνο ηεο θάησ δεχμεο ελφο πνιπθπςεισηνχ OFDMA ζπζηήκαηνο θαη επηρεηξείηαη ε επίιπζε ηνπ κε ρξήζε ππνβέιηηζησλ επξηζηηθψλ αιγνξίζκσλ. 66

67 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 5 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΔΙΑΦΕΙΡΙΗ ΡΑΔΙΟΠΟΡΨΝ Ε ΤΣΗΜΑΣΑ OFDMA ην θεθάιαην απηφ παξνπζηάδεηαη έλα ζχλνιν αιγνξίζκσλ πνπ επηιχνπλ ην πξφβιεκα ηεο δηαρείξηζεο αζπξκάησλ πφξσλ γηα έλα πνιπθπςεισηφ OFDMA ζχζηεκα, φπσο απηφ παξνπζηάζηεθε ζην πξνεγνχκελν θεθάιαην. 5.1 Σεχνική προσαρμοστικής απόδοσης καναλιών με προτεραιότητα στους χρήστες (adaptive) θνπφο ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ αιγνξίζκνπ είλαη ε ηθαλνπνίεζε ησλ απαηηήζεσλ ησλ ρξεζηψλ θαη ε δηαηήξεζε ηεο πνηφηεηαο ππεξεζίαο αλεμάξηεηα απφ ην πιήζνο ησλ ρξεζηψλ ηνπ ζπζηήκαηνο κε θξηηήξην ηελ ειαρηζηνπνίεζε ηεο απαηηνχκελεο ηζρχνο. Ηδηαίηεξν ραξαθηεξηζηηθφ ηνπ αιγνξίζκνπ είλαη ε αλαδηαλνκή κέξνο ησλ πφξσλ ηνπ ζπζηήκαηνο κε ηελ είζνδν θάζε λένπ ρξήζηε. πγθεθξηκέλα, ε είζνδνο θάζε λένπ ρξήζηε έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηελ επαλεθρψξεζε ησλ πφξσλ ηεο θπςέιεο ε νπνία ζα ηνλ εμππεξεηήζεη. Γεδνκέλνπ φηη ε βέιηηζηε ζεψξεζε ζα ήηαλ ε αλαθαηαλνκή ησλ πφξσλ νιφθιεξνπ ηνπ ζπζηήκαηνο κε ηελ είζνδν θάζε λένπ ρξήζηε, ελψ ε ρείξηζηε ζα ήηαλ ε αλάζεζε πφξσλ απνθιεηζηηθά ζην λέν ρξήζηε, ε ελ ιφγσ εθδνρή απνηειεί κηα ελδηάκεζε θαηάζηαζε. Ζ πξνηεηλφκελε ιχζε ρσξίδεηαη ζε ηξία βήκαηα: 67

68 Βήμα 1: Επιλογή κατάλληλης κυψέλης για την εξυπηρέτηση του χρήστη ηφρνο ηνπ πξψηνπ βήκαηνο ηνπ αιγνξίζκνπ είλαη λα επηιέμεη ηνλ ζηαζκφ βάζεο πνπ ζα πξέπεη λα εμππεξεηήζεη ην λέν ρξήζηε. Ο αιγφξηζκνο εθρψξεζεο ηνπ ρξήζηε ζε ζηαζκφ βάζεο βξίζθεη κηα ππνςήθηα θπςέιε γηα ηνλ ρξήζηε. Απηφ επηηπγράλεηαη δεκηνπξγψληαο κηα ιίζηα πξνηηκεηέσλ θπςειψλ, φπνπ νη θπςέιεο ζηε ιίζηα απηή ηαμηλνκνχληαη ζε θζίλνπζα ζεηξά κε θξηηήξην ηελ πνηφηεηα ηνπ ζήκαηνο πνπ ιακβάλεη ν λένο ρξήζηεο απφ θάζε κία απφ απηέο, φπνπ ε πξψηε θπςέιε ζηε ιίζηα είλαη ε θαιχηεξε ππνςήθηα ελψ ε ηειεπηαία ε ρεηξφηεξε. Ζ ιίζηα ησλ πξνηηκψκελσλ θπςειψλ κπνξεί λα δνζεί σο F j arg sort T k uk, (5.1) φπνπ T uk, είλαη ην κέζν (σο πξνο ηα θέξνληα) θαλνληθνπνηεκέλν θέξδνο θαλαιηνχ γηα ην ρξήζηε u ζηελ θπςέιε k θαη νξίδεηαη σο 1 N uk, Tu, n, k N n 1 (5.2) ηε παξαπάλσ ζρέζε, T u,n,k είλαη ην θαλνληθνπνηεκέλν θέξδνο θαλαιηνχ, ην νπνίν κε ηελ ζεηξά ηνπ νξίδεηαη σο T G u, n, k u, n, k 2 ( Iu, n, k ) u, n, k (5.3) 68

69 φπνπ G u,n,k είλαη ην θέξδνο θαλαιηνχ, I u,n,k ε νκνδηαπιηθή παξεκβνιή πνπ πθίζηαηαη ν ρξήζηεο, ζ 2 ε δηαζπνξά ηνπ AWGN ζνξχβνπ θαη Γ u,n,k είλαη ην κέγεζνο πνπ δείρλεη πφζεο θνξέο θάησ απφ ην ζεσξεηηθά κέγηζην είλαη ην SNR πνπ επηηπγράλεηαη κε ην θάζε είδνο δηακφξθσζεο. Γίλεηαη θαηαλνεηφ φηη ην θαλνληθνπνηεκέλν θέξδνο θαλαιηνχ ιακβάλεη ππφςε φρη κφλν ην θέξδνο ηνπ θαλαιηνχ αιιά θαη ηελ παξεκβνιή θαη έηζη είλαη θαηάιιειν γηα ρξήζε ζε θπςεισηά ζπζηήκαηα, παξνπζία νκνδηαπιηθήο παξεκβνιήο. Δπίζεο, ζην βήκα απηφ ειέγρεηαη ε αλαγθαία ζπλζήθε γηα ηελ απνδνρή ηνπ ρξήζηε ζηελ εμεηαδφκελε θπςέιε. Ζ αλαγθαία απηή ζπλζήθε είλαη απιά ε εμαθξίβσζε γηα ηνλ εάλ ν ζπλνιηθφο αηηνχκελνο ξπζκφο δεδνκέλσλ, ν νπνίνο εμαξηάηαη αθελφο απφ ηνλ λενεηζεξρφκελν ρξήζηε αθεηέξνπ απφ ηνπο ήδε ππάξρνληεο ρξήζηεο ζηελ θπςέιε, δελ ππεξβαίλεη ην ζπλνιηθφ ξπζκφ πνπ κπνξεί λα πξνζθεξζεί, ρξεζηκνπνηψληαο ηα Ν θέξνληα πνπ έρεη ζηε δηάζεζή ηεο ε ελ ιφγσ θπςέιε. Αλ ε αλαγθαία απηή ζπλζήθε δελ πιεξείηαη, ν αιγφξηζκνο πξνρσξά ζηελ επφκελε θπςέιε ηεο ιίζηαο έσο φηνπ ειεγρζνχλ ζπλνιηθά max checked θπςέιεο, κηα πνζφηεηα πνπ νξίδεη ν δηαρεηξηζηήο ηνπ ζπζηήκαηνο. Δάλ δε βξεζεί θακία θπςέιε πνπ λα πιεξνί ηελ αλαγθαία ζπλζήθε, ηφηε ν ρξήζηεο απνξξίπηεηαη. Ζ πξνζέγγηζε απηή αλαθέξεηαη σο πξνζαξκνζηηθή επηινγή θπςέιεο (Adaptive Cell Selection ACS). Δμαηηίαο ηεο ACS, εάλ κηα ππνςήθηα θπςέιε δελ είλαη ζε ζέζε λα εμππεξεηήζεη έλα ρξήζηε, ηφηε γίλεηαη πξνζπάζεηα λα εμππεξεηεζεί απφ θάπνηα άιιε θπςέιε ηεο ιίζηαο ησλ πξνηηκψκελσλ θπςειψλ. Καη' απηφ ηνλ ηξφπν απμάλνληαη νη πηζαλφηεηεο απνδνρήο ηνπ λένπ απηνχ ρξήζηε. 69

70 Βήμα 2: Απόδοση καναλιών στους χρήστες της κυψέλης Έρνληαο βξεη ηελ θαιχηεξε θπςέιε k γηα ην ρξήζηε u, κπνξνχκε λα πεξάζνπκε ζην δεχηεξν βήκα, φπνπ γίλεηαη ε επηινγή ησλ θαλαιηψλ πνπ ζα εμππεξεηήζνπλ ηνλ ρξήζηε u. Ο αιγφξηζκνο εθρψξεζεο θεξφλησλ ζην ρξήζηε εθρσξεί θέξνληα ζην ρξήζηε εληφο ηεο θπςέιεο ελψ ηαπηφρξνλα πξαγκαηνπνηείηαη θαη αλαθαηαλνκή ησλ θεξφλησλ ζε φινπο ηνπο ήδε ελεξγνχο ρξήζηεο ηεο θπςέιεο. Απηή ε αλαθαηαλνκή ηνπ ζπλφινπ ησλ θεξφλησλ (δεδνκέλνπ φηη έρνπκε ζπληειεζηή επαλαρξεζηκνπνίεζεο έλα) ζην ζχλνιν ησλ ρξεζηψλ κηαο θπςέιεο επηηξέπεη ζηνλ αιγφξηζκν λα εθκεηαιιεπηεί ην δηαθνξεηηθφ θαλνληθνπνηεκέλν θέξδνο ελφο θέξνληνο γηα ηνπο δηάθνξνπο ρξήζηεο ηεο θπςέιεο, γεγνλφο πνπ νδεγεί ζε απνδνηηθφηεξε δηαλνκή ησλ πφξσλ ηνπ ζπζηήκαηνο. Ζ δηαθνξεηηθή απηή αληίιεςε ησλ ρξεζηψλ σο πξνο ηελ πνηφηεηα ηνπ θαλαιηνχ νθείιεηαη ζηα δηάθνξα θαηλφκελα δηάδνζεο. Ζ έμνδνο απηνχ ηνπ δεχηεξνπ βήκαηνο ηνπ αιγνξίζκνπ είλαη ε temp κήηξα εθρψξεζεο θαλαιηψλ [ C u, n, k ], ε νπνία ραξαθηεξίδεηαη σο πξνζσξηλή (temp) θαη ζα αληηθαηαζηήζεη ηελ πθηζηάκελε κήηξα εθρψξεζεο θαλαιηψλ, ππφ ηελ πξνυπφζεζε φηη ν λένο απηφο ρξήζηεο ζα εηζαρζεί ηειηθψο ζην ζχζηεκα. Σν βήκα απηφ επηηειείηαη ζε δχν θάζεηο: Καηά ηελ πξψηε θάζε ηνπ αιγνξίζκνπ εθρψξεζεο θεξφλησλ, θαζνξίδεηαη ην πιήζνο ησλ θεξφλησλ πνπ ζα εθρσξεζνχλ ζηνπο ρξήζηεο ηεο εμεηαδφκελεο θπςέιεο. ε θάζε ρξήζηε εθρσξείηαη ν ειάρηζηνο αξηζκφο θαλαιηψλ ν νπνίνο ζα κπνξνχζε λα θαιχςεη ηηο αλάγθεο ηνπ ζε ξπζκφ δεδνκέλσλ ελψ ηα ελαπνκείλαληα θέξνληα ηνπ ζπζηήκαηνο δηαλέκνληαη κε θξηηήξην ηελ ειάρηζηε εθπεκπφκελε ηζρχ. πγθεθξηκέλα, εάλ R u είλαη νη απαηηήζεηο ηνπ ρξήζηε u ζε ξπζκφ δεδνκέλσλ θαη T e ε 70

71 αμηνπνηήζηκε ρξνληθή δηάξθεηα ηνπ OFDM ζπκβφινπ ηφηε ν ειάρηζηνο αξηζκφο θεξφλησλ πνπ πξέπεη λα ηνπ αλαηεζεί είλαη s ceil( T R / b ) min u e u ρξεζηκνπνηψληαο ην πςειφηεξν επίπεδν δηακφξθσζεο. Σαπηφρξνλα ζα πξέπεη λα ππάξρεη πξφλνηα ψζηε ην πιήζνο ησλ θεξφλησλ λα είλαη κηθξφηεξν απφ ην κέγηζην πιήζνο θεξφλησλ πνπ ζα απαηηνχληαλ, ζηελ πεξίπησζε πνπ ρξεζηκνπνηνχληαλ ην ειάρηζην επίπεδν δηακφξθσζεο s ceil( T R / b ). Έηζη, αλ s u ην πιήζνο ησλ θαλαιηψλ πνπ ηειηθψο max u e u min min max απνδίδεηαη ζην ρξήζηε ζα ηζρχεη φηη s s s. Μηα δηαθνξεηηθή u u u πξνζέγγηζε ζα ήηαλ ε εθαξκνγή ελφο αιγνξίζκνπ πνπ ζα δηέλεηκε φια ηα θέξνληα ηεο θπςέιεο ζηνπο ρξήζηεο, ρσξίο λα ηίζεηαη έλα άλσ φξην ζην πιήζνο ησλ θαλαιηψλ πνπ ζα κπνξνχζε λα ρξεζηκνπνηήζεη θάζε ρξήζηεο. Μηα ηέηνηα πξνζέγγηζε φκσο δελ είλαη απνδνηηθή ζηελ πεξίπησζε ελφο πνιπθπςεισηνχ ζπζηήκαηνο, αθνχ θάπνηα θέξνληα ζα ρξεζηκνπνηνχληαλ ρσξίο απηφ λα είλαη απαξαίηεην, πξνθαιψληαο έηζη αχμεζε ηεο νκνδηαπιηθήο παξεκβνιήο ζηηο ππφινηπεο θπςέιεο ηνπ ζπζηήκαηνο. Σν ζθεπηηθφ καο είλαη πάληα λα εμππεξεηήζνπκε ην λέν ρξήζηε αιιά φρη εηο βάξνο ηεο απφδνζεο ηνπ ππφινηπνπ ζπζηήκαηνο. Έρνληαο σο δεδνκέλν φηη ν ρξήζηεο πξέπεη λα πάξεη ηνπιάρηζηνλ ηνλ ειάρηζην αξηζκφ θαλαιηψλ πνπ απαηηεί ν ξπζκφο δεδνκέλσλ ηνπ, ζηε ζπλέρεηα, αλ ππάξρνπλ δηαζέζηκα θέξνληα ζηελ θπςέιε θαη εθφζνλ ν ρξήζηεο δελ έρεη μεπεξάζεη ην κέγηζην πιήζνο ησλ θεξφλησλ ηνπ, ηφηε ν αιγφξηζκνο απνδίδεη έλα αθφκα θέξνλ ζ' εθείλν ην ρξήζηε πνπ ζα παξνπζηάζεη ηε κεγαιχηεξε κείσζε ζηελ απαηηνχκελε ηζρχ κε ηε ρξήζε ηνπ. Ζ κείσζε απηή ηεο ηζρχνο απφ ηελ εθρψξεζε ελφο αθφκα θαλαιηνχ ζην ρξήζηε u νξίδεηαη σο εμήο max s Pu T / /( 1) (2 Te Ru su 1) ( 1)(2 Te Ru su u su 1) T u, k u, k (5.4) 71

72 φπνπ T u, k είλαη ην κέζν θαλνληθνπνηεκέλν θέξδνο θαλαιηνχ γηα ην ρξήζηε u ζηελ θπςέιε k. Αθνχ έρνπκε νξίζεη ην πιήζνο ησλ θεξφλησλ γηα θάζε ρξήζηε ηεο θπςέιεο, ν αιγφξηζκνο πεξλάεη ζηε δεχηεξε θάζε, φπνπ επηιέγνληαη ζπγθεθξηκέλα θέξνληα γηα λα απνδνζνχλ ζηνπο ρξήζηεο. Ζ επηινγή γίλεηαη ζχκθσλα κε ην θαλνληθνπνηεκέλν θέξδνο ηνπ θαλαιηνχ, φπνπ θάζε ρξήζηεο επηιέγεη λα πάξεη ην βέιηηζην σο πξνο ην θαλνληθνπνηεκέλν θέξδνο θέξνλ. Σν ζθεπηηθφ απηφ βαζίδεηαη ζην φηη νη ρξήζηεο πνπ αληηκεησπίδνπλ θαιχηεξεο ζπλζήθεο θαλαιηνχ απαηηνχλ ρακειφηεξε ηζρχ εθπνκπήο θαη επίζεο πξνθαινχλ ρακειφηεξε νκνδηαπιηθή παξεκβνιή. Μεηά ηελ εθαξκνγή ηνπ δεχηεξνπ απηνχ βήκαηνο, είλαη γλσζηνί νη πίλαθεο C temp θαη A temp. Όπσο έρεη ήδε εηπσζεί, ραξαθηεξίδνληαη σο πξνζσξηλνί (temp) έσο φηνπ ιεθζεί ε απφθαζε γηα ηελ εθαξκνγή (ή κε) ηνπο αλάινγα κε ην αλ ν ρξήζηεο γίλεη απνδεθηφο ζην ζχζηεκα. Βήμα 3: Επιλογή του επιπέδου διαμόρφωσης και έλεγχος ισχύος ην ζεκείν απηφ, φπνπ πιένλ νη ρξήζηεο έρνπλ πξνζσξηλά εθρσξεζεί ζε θπςέιεο (Α temp ) θαη ηα θαλάιηα έρνπλ, επίζεο πξνζσξηλά, εθρσξεζεί ζηνπο ρξήζηεο (C temp ), ν αιγφξηζκνο κπνξεί λα εθηειέζεη ηελ ηειεπηαία ιεηηνπξγία εθρψξεζεο πφξσλ γηα έλα δεδνκέλν ρξήζηε u, ε νπνία ζπλίζηαηαη ζηελ επηινγή ηνπ επηπέδνπ δηακφξθσζεο θαη ηελ πξνζαξκνγή ηεο εθπεκπφκελεο ηζρχνο γηα θάζε έλα απφ ηα θέξνληα πνπ έρνπλ εθρσξεζεί ζηνλ ελ ιφγσ ρξήζηε. Ζ ηειεπηαία απηή ιεηηνπξγία πξαγκαηνπνηείηαη κε ηαπηφρξνλε δηφξζσζε ηεο εθπεκπφκελεο ηζρχνο 72

73 φισλ ησλ νκνδηαπιηθψλ ρξεζηψλ, νη νπνίνη ήδε έρνπλ εηζαρζεί ζην ζχζηεκα, κε ζθνπφ λα δηαηεξεζεί ε πνηφηεηα ππεξεζίαο ησλ πθηζηάκελσλ δεχμεσλ. Σν ηειεπηαίν απηφ βήκα ηνπ αιγνξίζκνπ ζηελ πξαγκαηηθφηεηα εθηειείηαη γηα θάζε ρξήζηε ηεο εμεηαδφκελεο θπςέιεο μερσξηζηά. Γηα θάζε ρξήζηε, ν αιγφξηζκνο πξνζπαζεί λα απμήζεη ην επίπεδν δηακφξθσζεο θαηά κία ηάμε ζε εθείλν ην θέξνλ (απφ ην ζχλνιν ησλ θεξφλησλ πνπ ηνπ έρνπλ εθρσξεζεί) ην νπνίν ζα πξνθαιέζεη ηε κηθξφηεξε αχμεζε γηα ηε ζπλνιηθή εθπεκπφκελε ηζρχ ηνπ ζπζηήκαηνο. Αχμεζε ηνπ επηπέδνπ δηακφξθσζεο ηζνδπλακεί κε αχμεζε ηνπ αξηζκνχ new ησλ bits απφ b ζε b u, n, k,, u n k. Όηαλ βξεζεί έλα ηέηνην ειαρίζηνπ θφζηνπο θέξνλ, ην νπνίν ππνδεηθλχεηαη κε n=m, ν αξηζκφο ησλ bits απμάλεηαη ζε b new u, m, k θαη ε θαηάιιειε εθπεκπφκελε ηζρχο απνδίδεηαη ζε απηφ ην θέξνλ new ζχκθσλα κε ηελ ηηκή ηνπ P αιιά θαη ζε φιεο ηηο νκνδηαπιηθέο u, m, k θπςέιεο, νη νπνίεο ρξεζηκνπνηνχλ ην θέξνλ m ψζηε λα κελ επηβαξχλνληαη κε παξεκβνιέο ηα θαλάιηα ησλ νκνδηαπιηθψλ ρξεζηψλ θαη κε ηνλ ηξφπν απηφ λα πξνζηαηεπζεί ην QoS ησλ δεχμεσλ. Όηαλ δελ είλαη πιένλ δπλαηφ λα απμεζεί ν αξηζκφο ησλ bits πνπ θνξηψλνληαη ζε έλα θέξνλ n, ιφγσ ηνπ φηη, γηα παξάδεηγκα, έρνπκε θηάζεη ζην κέγηζην επίπεδν δηακφξθσζεο b max, είηε δηφηη δελ ππάξρεη εθηθηφ δηάλπζκα εθπεκπφκελεο ηζρχνο p(n) πνπ λα ηθαλνπνηεί ην QoS φισλ ησλ νκνδηαπιηθψλ ζην θέξνλ n δεχμεσλ, ηφηε ε ζπγθεθξηκέλε ηξηάδα ( u, n, k ) ραξαθηεξίδεηαη σο κε εθηθηή θαη δελ ινγίδεηαη σο ππνςήθηα γηα ηελ ηειηθή απφδνζε ησλ δηακνξθψζεσλ. Αλ φιεο νη ηξηάδεο ( u, n, k ) (δειαδή φια ηα θέξνληα n πνπ έρνπλ απνδνζεί ζην ρξήζηε u ζηελ θπςέιε k ) δελ είλαη εθηθηέο, ηφηε ην ζχζηεκα ραξαθηεξίδεηαη σο θνξεζκέλν, ην νπνίν νδεγεί ζε ηεξκαηηζκφ ηνπ αιγνξίζκνπ γηα ηελ εχξεζε ηνπ θαηάιιεινπ επηπέδνπ δηακφξθσζεο θαη ππνδεηθλχεη φηη είηε νη QoS απαηηήζεηο ηνπ λένπ ρξήζηε δε κπνξνχλ λα ηθαλνπνηεζνχλ είηε φηη ην QoS ησλ 73

74 C temp. Ο έιεγρνο ζρεηηθά κε ην αλ πιεξνχληαη νη πξνυπνζέζεηο ηνπ QoS ππαξρφλησλ ρξεζηψλ ζα πξέπεη λα ππνβαζκηζηεί γηα λα εμππεξεηεζεί ν λένο ρξήζηεο. Απηφ έρεη ζαλ απνηέιεζκα ν λένο απηφο ρξήζηεο λα απνθιείεηαη απφ ην ζχζηεκα. ε πεξίπησζε πνπ ην ζχζηεκα δελ είλαη θνξεζκέλν, ν βξφρνο απφδνζεο επηπέδσλ δηακφξθσζεο θαη ειέγρνπ ηζρχνο επαλαιακβάλεηαη έσο φηνπ εθπιεξσζνχλ νη απαηηήζεηο ζε ξπζκφ δεδνκέλσλ φισλ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο k ρσξίο λα παξαβηάδεηαη ην QoS ησλ ρξεζηψλ πνπ εμππεξεηνχληαη απφ νκνδηαπιηθέο θπςέιεο. Αλ γηα θάπνην ζπγθεθξηκέλν ρξήζηε δε θνξησζνχλ φια ηα θέξνληα πνπ ηνπ έρνπλ απνδνζεί απφ ην βήκα 2, ηφηε απηά ραξαθηεξίδνληαη σο κε ρξεζηκνπνηνχκελα θαη ελεκεξψλεηαη ν πίλαθαο πνπ έρνπλ ζέζεη νη ρξήζηεο ηνπ ζπζηήκαηνο είλαη απαξαίηεηνο θαζψο απνηειεί ηελ ηθαλή ζπλζήθε απνδνρήο ηνπ ρξήζηε ζην ζχζηεκα. Αλ ε ηθαλή ζπλζήθε πιεξείηαη, ηφηε ν ρξήζηεο εηζάγεηαη ζην ζχζηεκα θαη πξαγκαηνπνηείηαη ε αλαθαηαλνκή ησλ πφξσλ. ηε πεξίπησζε απηή, ελεκεξψλνληαη νη πίλαθεο εθρψξεζεο ηνπ ζπζηήκαηνο, νη νπνίνη ηψξα θαηαδεηθλχνπλ ηε ζπλνιηθή εηθφλα ηνπ ζπζηήκαηνο πνπ πεξηιακβάλεη πιένλ έλαλ αθφκα λέν ρξήζηε. Γηαθνξεηηθά, ν αιγφξηζκνο δίλεη ηελ επθαηξία ζε θάπνηα άιιε θπςέιε απφ ηε ιίζηα ησλ ππνςεθίσλ θπςειψλ λα πξνζπαζήζεη λα εμππεξεηήζεη ην λέν απηφ ρξήζηε, εθηειψληαο εθ λένπ ηα ηξία παξαπάλσ βήκαηα. Αλ ε ηθαλή ζπλζήθε δελ κπνξέζεη λα ηθαλνπνηεζεί, ηφηε ν ρξήζηεο απνξξίπηεηαη θαη δελ πξαγκαηνπνηείηαη αλαθαηαλνκή πφξσλ ζην ζχζηεκα, δειαδή δηαηεξείηαη ε εθρψξεζε ησλ πφξσλ πνπ πξνυπήξρε ηεο πξνζπάζεηαο εηζαγσγήο ηνπ ρξήζηε κε απνηέιεζκα νη πίλαθεο εθρψξεζεο λα παξακέλνπλ αλέπαθνη, αθνχ θακία κεηαβνιή δελ ζα επέιζεη ζην ζχζηεκα. Με ηελ νινθιήξσζε ηνπ βήκαηνο 3, νη πίλαθεο B temp, P temp θαη C temp έρνπλ ιάβεη ηελ ηειηθή ηνπο κνξθή. 74

75 ην ζρήκα πνπ αθνινπζεί δίλεηαη κηα δηαγξακκαηηθή απεηθφληζε ηνπ πξνζαξκνζηηθνχ αιγνξίζκνπ (ρήκα 5.1). ρήκα 5.1: Πξνζαξκνζηηθφο Αιγφξηζκνο 75

76 5.2 Σεχνική σειριακής απόδοσης καναλιών (sequential) Ζ ηερληθή απηή βαζίδεηαη ζε κηα απιή θαη εχθνια εθαξκνδφκελε αξρή. Σν ζχζηεκα αλαζέηεη θέξνληα ζηνπο ρξήζηεο κε ζεηξηαθφ ηξφπν ρσξίο λα ρξεζηκνπνηεί πιεξνθνξίεο γηα ην θάζε θαλάιη. Ζ ηερληθή απηή είλαη θαηάιιειε ζε πεξηπηψζεηο φπνπ ν ζηαζκφο βάζεο δελ κπνξεί λα απνθηήζεη πιεξνθνξίεο SINR γηα ηα πξνζθεξφκελα θαλάιηα. Κάζε θνξά πνπ έλαο ρξήζηεο επηζπκεί λα εηζέιζεη ζην ζχζηεκα, επηιέγεη ηνλ ζηαζκφ βάζεο πνπ ζα ηνλ εμππεξεηήζεη κε ηνλ ηξφπν πνπ πεξηγξάθεθε ζηελ πξνεγνχκελε ελφηεηα θαη ζηε ζπλέρεηα ην ζχζηεκα αλαζέηεη ζην λέν ρξήζηε ηα επφκελα ειεχζεξα θαλάιηα ηεο θπςέιεο ζηελ νπνία εηζέξρεηαη. εκεηψλεηαη φηη ζε απηή ηελ ηερληθή δελ πξαγκαηνπνηείηαη ε επαλεθρψξεζε πφξσλ πνπ πξαγκαηνπνηήζεθε ζηνλ πξνζαξκνζηηθφ αιγφξηζκν θαη νη πφξνη αλαηίζεληαη απνθιεηζηηθά ζην λέν ρξήζηε ηνπ ζπζηήκαηνο. Όπσο θαη πξνεγνχκελα, ν αιγφξηζκνο κπνξεί λα ρσξηζηεί ζε ηξία δηαθξηηά κεηαμχ ηνπο βήκαηα, ηα νπνία αζρνινχληαη κε ηελ εθρψξεζε δηαθνξεηηθνχ είδνπο πφξσλ ηνπ ζπζηήκαηνο. Βήμα 1: Επιλογή κατάλληλης κυψέλης για την εξυπηρέτηση του χρήστη ην βήκα απηφ γίλεηαη ε επηινγή ηεο θπςέιεο ζηαζκνχ βάζεο πνπ ζα εμππεξεηήζεη ην ρξήζηε. Ζ επηινγή ηεο θπςέιεο γίλεηαη θαζνξίδνληαο πνηά είλαη ε θαιχηεξε θπςέιε γηα λα εμππεξεηήζεη ην λενεηζεξρφκελν ζην ζχζηεκα ρξήζηε. Ωο βέιηηζηε θπςέιε ζεσξείηαη ε 76

77 θπςέιε εθείλε πνπ εκθαλίδεη γηα ηνλ ελ ιφγσ ρξήζηε ην κέγηζην κέζν (σο πξνο ηα θέξνληα) θέξδνο θαλαιηνχ. Ηζρχεη δειαδή φηη k arg max k G uk, (5.5) φπνπ G uk, είλαη ην κέζν σο πξνο ηα θέξνληα θέξδνο θαλαιηνχ γηα ην ρξήζηε u ζηελ θπςέιε k, ην νπνίν νξίδεηαη σο, G 1 N uk, Gu, n, k N n 1 (5.6) ην ζεκείν απηφ αμίδεη λα ζεκεησζεί φηη σο θξηηήξην γηα ηελ επηινγή ηεο θπςέιεο ζεσξήζεθε ην θέξδνο θαλαιηνχ G u,n,k θαη φρη ην θαλνληθνπνηεκέλν θέξδνο θαλαιηνχ T G u, n, k u, n, k 2 ( Iu, n, k ) u, n, k, φπσο είρε ζεσξεζεί ζηελ πεξίπησζε ηνπ πξνζαξκνζηηθνχ αιγνξίζκνπ (φπνπ I u,n,k ε νκνδηαπιηθή παξεκβνιή πνπ πθίζηαηαη ν ρξήζηεο πνπ εμεηάδεηαη ζε νπνηνδήπνηε θαλάιη θαη ζε νπνηαδήπνηε θπςέιε, ζ 2 ε δηαζπνξά ηνπ AWGN ζνξχβνπ θαη Γ u,n,k είλαη ην κέγεζνο πνπ δείρλεη πφζεο θνξέο θάησ απφ ην ζεσξεηηθά κέγηζην είλαη ην SNR πνπ επηηπγράλεηαη κε ην θάζε είδνο δηακφξθσζεο). Ζ επηινγή απηή έγηλε κε γλψκνλα ηελ απνθπγή ηνπ ππνινγηζκνχ ηεο ηζρχνο παξεκβνιψλ I u,n,k. Καηφπηλ ειέγρεηαη αλ ε θπςέιε ε νπνία επηιέρζεθε δηαζέηεη ην απαηηνχκελν πιήζνο ειεχζεξσλ θεξφλησλ, ψζηε, κε ηελ πθηζηάκελε δηακφξθσζε, λα θαιπθζνχλ νη αλάγθεο ηνπ ρξήζηε ζε ξπζκφ δεδνκέλσλ. Ο έιεγρνο απηφο ηεο αλαγθαίαο ζπλζήθεο γίλεηαη αζξνίδνληαο ην πιήζνο ησλ θεξφλησλ πνπ απαηηεί ν αηηνχκελνο ξπζκφο δεδνκέλσλ ηνπ ρξήζηε κε ηα ήδε ρξεζηκνπνηνχκελα θέξνληα ηεο ελ ιφγσ θπςέιεο. Αλ ην ζπλνιηθφ πιήζνο ησλ θεξφλησλ είλαη κεγαιχηεξν απφ ηνλ αξηζκφ 77

78 θεξφλησλ N πνπ ε θπςέιε έρεη ζηε δηάζεζή ηεο, ηφηε ν ρξήζηεο απνξξίπηεηαη, ρσξίο λα ππάξμεη πεξαηηέξσ ελαζρφιεζε ηνπ ζπζηήκαηνο κε απηφλ. Βήμα 2: Απόδοση καναλιών στον χρήστη Έρνληαο πιένλ νξίζεη ηελ θπςέιε k πνπ ζα εμππεξεηήζεη ην λενεηζεξρφκελν ρξήζηε u, πξαγκαηνπνηείηαη ε εθρψξεζε ησλ απαηηνχκελσλ θεξφλησλ ζην ρξήζηε. Απφ ηε ζηηγκή πνπ ε αλαγθαία ζπλζήθε έρεη ήδε εμεηαζηεί ζην πξψην βήκα ηνπ αιγνξίζκνπ, γλσξίδνπκε φηη ε θπςέιε απηή δηαζέηεη s ην πιήζνο θαλάιηα, ηα νπνία κπνξνχλ λα θαιχςνπλ ηηο αλάγθεο ηνπ ρξήζηε ζε ξπζκφ δεδνκέλσλ, ζπλεπψο εθρσξνχληαη ηα πξψηα s ειεχζεξα θαλάιηα ηεο θπςέιεο k ζην ρξήζηε u ζεηξηαθά, ρσξίο λα γίλεηαη αλαθαηαλνκή θεξφλησλ ζηελ θπςέιε πνπ πξφθεηηαη λα ηνλ εμππεξεηήζεη. Απφ ην γεγνλφο ηεο ζεηξηαθήο εθρψξεζεο θεξφλησλ ζην ρξήζηε ιακβάλεη θαη ηελ νλνκαζία ηνπ ν πεξηγξαθφκελνο αιγφξηζκνο. Βήμα 3: Επιλογή του επιπέδου διαμόρφωσης και έλεγχος ισχύος ην ηειεπηαίν απηφ βήκα ηνπ ζεηξηαθνχ αιγνξίζκνπ, νπζηαζηηθά ειέγρεηαη αλ φια ηα θέξνληα πνπ απνδφζεθαλ ζην ρξήζηε ζην πξνεγνχκελν βήκα κπνξνχλ λα θνξησζνχλ κε ηνλ πξνεπηιεγκέλν ηχπν δηακφξθσζεο. Αλ, γηα φια ηα θέξνληα s, ε επίιπζε ηνπ γξακκηθνχ ζπζηήκαηνο πνπ πεξηγξάθεθε ζην πξνεγνχκελν θεθάιαην δίλεη σο ιχζε έλα δηάλπζκα p, ηα ζηνηρεία ηνπ νπνίνπ είλαη γλήζηα ζεηηθά (εθηθηή ιχζε), ηφηε πιεξείηαη απηφκαηα θαη ε ηθαλή ζπλζήθε απνδνρήο. 78

79 Σαπηφρξνλα κε ηε θφξησζε ησλ θεξφλησλ γίλεηαη θαη ν νξηζκφο ηεο εθπεκπφκελεο ηζρχνο γηα ηνλ ελ ιφγσ ρξήζηε αιιά θαη ε δηφξζσζε ηεο ηζρχνο φισλ ησλ νκνδηαπιηθψλ θπςειψλ ζχκθσλα κε ην δηάλπζκα p. ηελ πεξίπησζε πνπ έζησ θαη έλα θέξνλ δε κπνξεί λα θνξησζεί ιφγσ ηνπ φηη ην ζχζηεκα δελ κπνξεί λα επηιπζεί, ηφηε ν ρξήζηεο απηφο ζα απνξξηθζεί. Δίλαη ζεκαληηθφ λα επηζεκαλζεί φηη γηα ηε δηαρείξηζε ησλ πφξσλ ηνπ ζπζηήκαηνο, ν αιγφξηζκνο δελ απαηηεί ηελ εθ ησλ πξνηέξσλ γλψζε ησλ ζπλζεθψλ πνπ επηθξαηνχλ ζην αζχξκαην θαλάιη επηθνηλσλίαο (παξάκεηξνη CSI Channel State Information). Απηφ ηειηθψο έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηελ εμνηθνλφκεζε εχξνπο δψλεο, αθνχ, ζε κηα πξαγκαηηθή εθαξκνγή ηνπ αιγνξίζκνπ, δελ απαηηείηαη ε ρξήζε θαλαιηψλ-πηιφησλ γηα ηελ εθηίκεζε ησλ CSI. Παξαθάησ δίλεηαη κηα δηαγξακκαηηθή απεηθφληζε (ρήκα 5.2) ηνπ ζεηξηαθνχ αιγνξίζκνπ πνπ πεξηγξάθεθε. 79

80 ρήκα 5.2: εηξηαθφο Αιγφξηζκνο 80

81 5.3 Σεχνική απλής συντονισμένης απόδοσης καναλιών (coordinated) Ο ζπληεηαγκέλνο (coordinated) αιγφξηζκνο απνηειεί κηα ηξνπνπνίεζε ηνπ ζεηξηαθνχ αιγνξίζκνπ, φπσο απηφο πεξηγξάθεθε ζηελ πξνεγνχκελε παξάγξαθν. Ζ ηξνπνπνίεζε απηή ζπλίζηαηαη ζηελ δηαδηθαζία εθρψξεζεο θεξφλησλ, φπνπ ηα θέξνληα δελ εθρσξνχληαη κε ηνλ απιφ ζεηξηαθφ ηξφπν ηνπ ζεηξηαθνχ αιγνξίζκνπ αιιά ζπληεηαγκέλα, φπσο πεξηγξάθεηαη παξαθάησ. Με απηφ ηνλ ηξφπν κεηψλνληαη ηα επίπεδα παξεκβνιψλ ζπλνιηθά ζην ζχζηεκα. Ζ ζπληεηαγκέλε εθρψξεζε θεξφλησλ ζηνπο ρξήζηεο πξαγκαηνπνηείηαη ζχκθσλα κε ηελ δηαδηθαζία πνπ αθνινπζεί: Θεσξψληαο φηη ε θάζε θπςέιε έρεη έλα δηαθξηηηθφ θσδηθφ πνπ ηε δηαθνξνπνηεί απφ ηηο ππφινηπεο θπςέιεο ηνπ δηθηχνπ (cell_id), νη θπςέιεο ρσξίδνληαη ζε δπν νκάδεο. Με ζθνπφ ηε κείσζε ηνπ πιήζνπο ησλ θνηλψλ θεξφλησλ πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη απφ γεηηνληθέο (νκνδηαπιηθέο) θπςέιεο, ε πξψηε νκάδα ηνπ ζπζηήκαηνο (κε άξηην cell_id) απνδίδεη ηα δηαζέζηκα θέξνληα ζεηξηαθά ζην ζχλνιν {1,2,..,Ν} ελψ ε δεχηεξε νκάδα (κε πεξηηηφ cell_id) απνδίδεη ηα θέξνληα ζεηξηαθά κελ αιιά κε αληίζηξνθε ζεηξά, δειαδή ζην ζχλνιν {Ν,Ν-1,..,1}. Καη' απηφ ηνλ ηξφπν, κεηψλεηαη ε πηζαλφηεηα δχν γεηηνληθέο θπςέιεο λα ρξεζηκνπνηνχλ ην απηφ θέξνλ ελψ ηαπηφρξνλα δελ απνθιείεηαη θαλέλα θέξνλ απφ ηελ εθρψξεζε. Σν ζχζηεκα εμαθνινπζεί λα έρεη ζπληειεζηή επαλαρξεζηκνπνίεζεο 1, αθνχ θάζε θπςέιε έρεη ζηε δηάζεζή ηεο Ν θέξνληα, ηα νπνία φκσο εθρσξεί κε ηνλ πξναλαθεξζέληα ηξφπν ζηνπο ρξήζηεο πνπ ηα αηηνχληαη. Γηα ηελ πινπνίεζε ηνπ ζπληεηαγκέλνπ αιγνξίζκνπ, ηξνπνπνηήζεθε κνλάρα ην δεχηεξν βήκα ηνπ ζεηξηαθνχ αιγνξίζκνπ. Ζ 81

82 ηξνπνπνίεζε ζπλίζηαηαη ζην φηη νη κηζέο θπςέιεο (mod(k,2)=1) εθρσξνχλ ηα δηαζέζηκα θέξνληα απφ 1 έσο Ν, ελψ νη ππφινηπεο (mod(k,2)=0) απφ Ν έσο 1. Όπσο θαη ζην ζεηξηαθφ αιγφξηζκν, αμίδεη λα ζεκεησζεί φηη ε δηαρείξηζε πφξσλ δελ απαηηεί ηε γλψζε ησλ ζπλζεθψλ θαλαιηνχ. 5.4 Σεχνική τυχαίας απόδοσης καναλιών (random) Ζ ηερληθή ηπραίαο απφδνζεο θαλαιηψλ είλαη ε πην ζπρλά εκθαληδφκελε ηερληθή ζηα ζπζηήκαηα δεχηεξεο γεληάο θαη ε πην εχθνια εθαξκφζηκε. Ηδηαίηεξν ραξαθηεξηζηηθφ ηεο ηερληθήο είλαη ε ηζνζηάζκηζε ησλ παξεκβνιψλ (interference averaging) πνπ πξαγκαηνπνηείηαη κε ηελ εθαξκνγή ηεο. Σν ζχζηεκα αλαζέηεη ζην λέν ρξήζηε ηπραία θαλάιηα απφ ηα δηαζέζηκα ηεο θπςέιεο πνπ ηνλ εμππεξεηεί. Παξφκνηα θη εδψ ε δηαρείξηζε πφξσλ δελ απαηηεί ηε γλψζε ησλ ζπλζεθψλ θαλαιηνχ. 5.5 υνδυαστική τεχνική τυχαίας και συντονισμένης απόδοσης καναλιών (random-coordinated) Ζ ηερληθή απηή ζπλδπάδεη ηελ ηπραία θαη ηε ζπληνληζκέλε απφδνζε θαλαιηψλ πνπ πεξηγξάθεθαλ πξνεγνχκελα ρσξίδνληαο ηε θπςέιε ζε πεξηνρέο. πγθεθξηκέλα, ν ρψξνο θάζε θπςέιεο ρσξίδεηαη ζε εζσηεξηθφ θαη εμσηεξηθφ θαη θάζε πεξηνρή ρξεζηκνπνηεί δηαθνξεηηθφ αιγφξηζκν θαηαλνκήο θαλαιηψλ. Ζ εζσηεξηθή πεξηνρή ρξεζηκνπνηεί ηνλ αιγφξηζκν random ελψ ε εμσηεξηθή ηνλ αιγφξηζκν coordinated. Σα 82

83 θαλάιηα επίζεο ρσξίδνληαη ζε δχν νκάδεο, ην ζχλνιν {1,,Ν 1 } απνδίδεηαη ζηελ εζσηεξηθή πεξηνρή ελψ ην ζχλνιν { Ν 1 +1,,Ν} ζηελ εμσηεξηθή. Ζ ηερληθή δηαηεξεί βαζκφ επαλαρξεζηκνπνίεζεο θάζκαηνο ίζν πξνο ηε κνλάδα, γεγνλφο πνπ νδεγεί ζε κεηαβιεηή απφζηαζε επαλαρξεζηκνπνίεζεο γηα ην θάζε ζχλνιν θαλαιηψλ. ην ρήκα 5.3 εκθαλίδνληαη νη πεξηνρέο γηα δχν γεηηνληθέο θπςέιεο φπνπ ν αιγφξηζκνο coordinated απνδίδεη θαλάιηα κε αληίζηξνθε θνξά ζηελ εμσηεξηθή πεξηνρή. ρήκα 5.3: Υσξηζκφο θπςέιεο ζε ππνπεξηνρέο ζηελ πεξίπησζε ηνπ random-coordinated αιγνξίζκνπ Σν θξηηήξην γηα ηελ απφθαζε ηεο ζέζεο ηνπ ρξήζηε (εζσηεξηθφο ή εμσηεξηθφο) ιακβάλεηαη κε βάζε ην θέξδνο θαλαιηνχ γηα ηελ θεληξηθή ζπρλφηεηα ηνπ ζπζηήκαηνο. Δάλ ην θέξδνο είλαη κεγαιχηεξν απφ έλα πξνθαζνξηζκέλν θαηψθιη, ηφηε ν ρξήζηεο ηνπνζεηείηαη ζηελ εζσηεξηθή πεξηνρή αιιηψο ηνπνζεηείηαη ζηελ εμσηεξηθή. ε πεξίπησζε πνπ θάπνηα πεξηνρή κείλεη ρσξίο θαλάιηα ηφηε έρεη ην δηθαίσκα λα ρξεζηκνπνηήζεη ηα θαλάιηα ηεο άιιεο πεξηνρήο. 83

84 Ζ ζπλδπαζηηθή ηερληθή «θιεξνλνκεί» ηα πιενλεθηήκαηα θαη ησλ δχν αιγνξίζκσλ, φπσο ηελ θαιή απφδνζε ηεο ηερληθήο ηεο ζπληνληζκέλεο απφδνζεο θαλαιηψλ γηα ρξήζηεο πνπ απαηηνχλ πςειφ ξπζκφ δεδνκέλσλ θαη ηελ θαιή απφδνζε ηεο ηερληθήο ηεο ηπραίαο απφδνζεο θαλαιηψλ γηα πεξηβάιινληα πνπ πθίζηαληαη αζζελείο παξεκβνιέο. 84

85 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 6 ΠΡΟΟΜΟΙΨΗ ΣΨΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΨΝ ΔΙΑΦΕΙΡΙΗ ΡΑΔΙΟΠΟΡΨΝ ην πξνεγνχκελν θεθάιαην παξνπζηάζηεθαλ θαη αλαιχζεθαλ δηάθνξεο ηερληθέο γηα ηελ επίιπζε ηνπ πξνβιήκαηνο ηεο δηαρείξηζεο αζπξκάησλ πφξσλ γηα έλα πνιπθπςεισηφ OFDMA ζχζηεκα. ην παξφλ θεθάιαην, επηιέγνπκε δπν απφ απηέο ηηο ηερληθέο (coordinated θαη random) κε βάζε ηηο νπνίεο πεξηγξάθνπκε θάπνηα ζηαηηθά ζρήκαηα θαηαλνκήο πφξσλ (SFR, PFR γηα ηε πξψηε θαη Reuse-1 γηα ηε δεχηεξε ηερληθή αληίζηνηρα) ελψ παξαζέηνπκε θαη έλα δπλακηθφ ζρήκα (Prop.Alg.). ηε ζπλέρεηα, πξαγκαηνπνηείηαη πξνζνκνίσζε ησλ ζρεκάησλ απηψλ κε κηα ηαπηφρξνλε αλάιπζε θαη ζρνιηαζκφ ησλ φζσλ πξνέθπςαλ απφ ηηο πξνζνκνηψζεηο απηέο. 6.1 τατικά σχήματα συντονισμένης επαναχρη- σιμοποίησης πόρων Ζ παξεκβνιή δηαδξακαηίδεη θαζνξηζηηθφ ξφιν ζηελ απφδνζε ελφο πνιπθπςεισηνχ OFDMA ζπζηήκαηνο. Σν πξφβιεκα ηεο παξεκβνιήο δελ είλαη λέν θαζψο απαληάηαη θαη ζηα παξαδνζηαθά δίθηπα 2 εο γεληάο, GSM. Γηα ηελ αληηκεηψπηζή ηνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ε πξνζέγγηζε ηνπ ζηαηηθνχ ζρεδηαζκνχ (network planning), ζχκθσλα κε ηελ νπνία ην δηαζέζηκν θάζκα δηαρσξίδεηαη ζε επηκέξνπο δψλεο, νη νπνίεο αλαηίζεληαη 85

86 ζηηο γεηηνληθέο θπςέιεο κε έλα ζπγθεθξηκέλν πιάλν επαλαρξεζηκνπνίεζεο (reuse scheme). ε έλα πιάλν φπνπ νη γεηηνληθέο θπςέιεο ρξεζηκνπνηνχλ νξζνγψληνπο ξαδηνπφξνπο, ηα ιακβαλφκελα επίπεδα SINR εληζρχνληαη ζεκαληηθά. Σν θφζηνο φκσο απφ απηή ηε πνιηηηθή αληηθαηνπηξίδεηαη ζην ζεκαληηθφ πεξηνξηζκφ ηνπ εχξνπο δψλεο αλά θπςέιε θαη ζπλεπψο ζηε κείσζε ησλ επηηεχμηκσλ επηπέδσλ θαζκαηηθήο απφδνζεο. Γηα ην ιφγν απηφ, ζηα ζχγρξνλα ζπζηήκαηα αθνινπζείηαη ε ηάζε ηεο νιηθήο ή πιεζίνλ ηεο νιηθήο (ζην κέηξν ηνπ δπλαηνχ) επαλαρξεζηκνπνίεζεο ησλ πφξσλ (Reuse-1). Απνηειεί επνκέλσο ζεκαληηθή πξφθιεζε ε επηηπρήο αληηκεηψπηζε ηεο παξεκβνιήο ππφ απηέο ηηο ζπλζήθεο. Λχζε ζην πξφβιεκα απηφ δίλεη ε εθαξκνγή ηνπ ζπληνληζκνχ ηεο παξεκβνιήο κεηαμχ ησλ θπςειψλ (Interference Coordination). Έλα πιάλν ζπληνληζκνχ βαζίδεηαη: ην δηαρσξηζκφ ηνπ θάζκαηνο (Frequency Partitioning) ζε επηκέξνπο δψλεο (π.ρ. 3 ή 4) απφ ηηο νπνίεο επηιέγνληαη θέξνληα πξνο αλάζεζε ζηνπο δηάθνξνπο ρξήζηεο κε δηαθνξεηηθφ βαζκφ πξνηεξαηφηεηαο, ν νπνίνο κε ηε ζεηξά ηνπ εμαξηάηαη απφ ηε ζέζε θαη ηε ζεκαηνπαξεκβνιηθή θαηάζηαζε ηνπ εθάζηνηε ρξήζηε. ηελ πξνζαξκνγή ησλ επηπέδσλ ηζρχνο κεηάδνζεο ζηηο δηάθνξεο θαζκαηηθέο δψλεο εληφο ηεο θάζε θπςέιεο (Power Planning), κε ζθνπφ ηνλ πεξηνξηζκφ ηεο ηζρχνο (άξα θαη ηεο παξεκβνιήο) πνπ παξάγεηαη απφ κία ή πεξηζζφηεξεο γεηηνληθέο θπςέιεο πξνο ηηο θαζκαηηθέο δψλεο πνπ έρνπλ αλαηεζεί ζε ρξήζηεο πνπ βξίζθνληαη ζην άθξν ηεο θπςέιεο. ηνλ ζπλδπαζκφ ησλ παξαπάλσ ππν-δηαδηθαζηψλ πνπ έρεη σο απνηέιεζκα ηνλ πιήξε θαζνξηζκφ ησλ θαζκαηηθψλ ππνδσλψλ θαη ησλ επηπέδσλ ηζρχνο γηα θάζε θπςέιε ηνπ ξαδηνζπζηήκαηνο. Πξνθαλψο, ην ηειεπηαίν ζελάξην εθθπιίδεηαη ζε έλα απφ ηα δπν πξνεγνχκελα. 86

87 6.1.1 Θεμελιώδη σχήματα επαναχρησιμοποίησης Έζησ ε θαηεχζπλζε downlink ελφο ηππηθνχ πνιπθπςεισηνχ ζπζηήκαηνο πξφζβαζεο πνιιαπιψλ θεξφλησλ, γηα ην νπνίν δηαηίζεηαη θάζκα BW απνηεινχκελν απφ Ν νξζνγσληθά θέξνληα. Τπνζέηνπκε φηη νη κεηαδφζεηο αλά ζηαζκφ βάζεο πεξηνξίδνληαη απφ κηα κέγηζηε ηζρχ P max, ε νπνία ζεσξνχκε φηη είλαη θνηλή γηα φιν ην ζχζηεκα. Δπηπιένλ, νξίδεηαη κηα νκάδα θπςειψλ (cluster), εχξνπο L c γηα ηελ νπνία θαηαζηξψλεηαη επαθξηβψο ην πιάλν επαλαρξεζηκνπνίεζεο ησλ πφξσλ. Σν ζπγθεθξηκέλν πιάλν επαλαιακβάλεηαη επνκέλσο ζε φιν ην πιέγκα ηνπ ζπζηήκαηνο αλά cluster, ην νπνίν ζεσξνχκε φηη έρεη κέγεζνο 3. Οη ρξήζηεο ζε θάζε θπςέιε δηαθξίλνληαη ζε απηνχο πνπ βξίζθνληαη ζην εζσηεξηθφ ηεο θπςέιεο (cell-interior) θαη ζε απηνχο πνπ βξίζθνληαη ζην άθξν ηεο θπςέιεο (cell-edge). Γηα ηελ θαηεγνξηνπνίεζή ηνπο ιακβάλνπκε ππφςε ηελ απφζηαζε ηνπ ρξήζηε απφ ηνλ ζηαζκφ βάζεο πνπ ηνλ εμππεξεηεί, ρξεζηκνπνηψληαο σο θαηψθιη κηα απφζηαζε D th πέξα απφ ηελ νπνία ν ρξήζηεο ιακβάλεηαη σο cell-edge. Ζ ICI παξεκβνιή πξνθαιεί ζεκαληηθή ππνβάζκηζε ζηε πνηφηεηα ππεξεζηψλ πνπ ιακβάλνπλ νη ρξήζηεο θαη ηδηαίηεξα εθείλνη πνπ βξίζθνληαη ζην άθξν ηεο θπςέιεο. Λακβάλνληαο ππφςε ηνπο παξεκβάιινληεο γεηηνληθνχο ζηαζκνχο βάζεο ηα επίπεδα ζεκαηνζνξπβηθνχ ιφγνπ είλαη ηδηαίηεξα δπζκελή ζην άθξν ηεο θπςέιεο κε απνηέιεζκα ε ηζρχο κεηάδνζεο ηνπ ζηαζκνχ βάζεο λα κελ επαξθεί γηα ηε δηαηήξεζε ηνπ ειάρηζηνπ απαηηνχκελνπ επηπέδνπ BER ζηα θέξνληα πνπ ηνπ έρνπλ απνδνζεί. πλεπψο, γηα ηελ επίηεπμε πςειήο απφδνζεο ζην ζχζηεκα ζηφρνο ησλ ζρεκάησλ θαηαλνκήο πφξσλ είλαη ε θαηαπνιέκεζε ηεο ICI παξεκβνιήο θαη ε βειηίσζε ηεο πνηφηεηαο ππεξεζίαο ζηνπο cell-edge ρξήζηεο. 87

88 Σν ζρήκα νιηθήο επαλαρξεζηκνπνίεζεο (Reuse-1) ην νπνίν δίλεηαη ζην ζρήκα 6.1α απνηειεί ην απινχζηεξν ζρήκα επαλαρξεζηκνπνίεζεο πφξσλ. ην ζρήκα απηφ κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηεζνχλ φιεο νη ζπρλφηεηεο ηνπ θάζκαηνο ζε θάζε θπςέιε νη νπνίεο ηίζεληαη ζε κηα θνηλή ζηάζκε ηζρχνο. Σν ζχζηεκα παξνπζηάδεη πςειή θαζκαηηθή απφδνζε θαζψο είλαη δηαζέζηκν νιφθιεξν ην εχξνο δψλεο. Σν ζεκαληηθφ κεηνλέθηεκα είλαη φηη νη ρξήζηεο πνπ βξίζθνληαη ζην άθξν ηεο θπςέιεο ππνθέξνπλ απφ πςειή ICI παξεκβνιή θαζψο ρξεζηκνπνηνχλ ίδηεο ζπρλφηεηεο κε ρξήζηεο γεηηνληθψλ θπςειψλ. πλεπψο ην θχξην πξφβιεκα πνπ αληηκεησπίδεη ε ζπγθεθξηκέλε πνιηηηθή είλαη ε παξεκβνιή ιφγσ ηεο έιιεηςεο ζπληνληζκνχ ζηε θαηαλνκή ησλ πφξσλ (θάζκαηνο θαη ηζρχνο). Σν δεχηεξν ζρήκα παξνπζηάδεηαη ζην ζρήκα 6.1β (Reuse-3) θαη απνηειεί επέθηαζε ηεο ηερληθήο frequency partitioning πνπ εθαξκφδεηαη ζηα ζπζηήκαηα GSM. χκθσλα κε απηφ, ην θάζκα δηαρσξίδεηαη ζε 3 (L c γεληθά) ηζνκεγέζεηο θαη νξζνγσληθέο ππνδψλεο εχξνπο Ν/3 θεξφλησλ. Τπνζηεξίδεη ηα βέιηηζηα επίπεδα SINR γηα ηνπο cell-edge ρξήζηεο ζε ζρέζε κε νπνηνδήπνηε άιιν ζηαηηθφ ζρήκα, ιφγσ ηεο ζπρλνηηθήο νξζνγσληφηεηαο. Κάζε θπςέιε ινηπφλ κπνξεί λα ιεηηνπξγήζεη αλεμάξηεηα ησλ γεηηνληθψλ ηεο θαζψο δελ δέρεηαη θαη δελ πξνθαιεί παξεκβνιή ζε απηέο. Ζ ελίζρπζε ησλ ιακβαλφκελσλ επηπέδσλ SINR αληαλαθιάηαη απεπζείαο ζε έλα θέξδνο φζνλ αθνξά ζηνπο επηηεχμηκνπο ξπζκνχο κεηάδνζεο γηα θάζε ρξήζηε. Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ην ηίκεκα απφ ηελ πνιηηηθή απηή είλαη ε ζεκαληηθή κείσζε ηνπ δηαζέζηκνπ εχξνπο δψλεο κεηάδνζεο. Ο αξλεηηθφο αληίθηππνο ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ πεξηνξηζκνχ είλαη δηηηφο: (α) αθελφο κεηψλνληαη ηα κέγηζηα επίπεδα κέζσλ θαη ζηηγκηαίσλ ξπζκψλ κεηάδνζεο ζε επίπεδν θπςέιεο, ηα νπνία εμαξηψληαη επζέσο απφ ην δηαζέζηκν θάζκα, νδεγψληαο ζε πηζαλή κε ηθαλνπνίεζε ησλ ειάρηζησλ πξνδηαγξαθψλ θαη (β) αθεηέξνπ ην θέξδνο 88

89 ζηελ απφδνζε πνπ πξνθχπηεη απφ ηελ εθκεηάιιεπζε ηνπ θαηλνκέλνπ ηεο ζπρλνεπηιεθηηθήο δηαθνξηθφηεηαο πνιιαπιψλ ρξεζηψλ κεηψλεηαη ζεκαληηθά θαζψο ε επειημία ζηελ αλάζεζε πφξσλ πεξηνξίδεηαη. Καη ηα δπν θαηλφκελα εθθξάδνληαη ινηπφλ κέζσ απσιεηψλ ζηελ θαζκαηηθή απφδνζε ζε επίπεδν θπςέιεο θαη ζπζηήκαηνο. πκπεξαζκαηηθά, πξνθεηκέλνπ ε ρξήζε ηνπ ζρήκαηνο Reuse-3 λα είλαη δηθαηνινγεκέλε ζα πξέπεη ην θέξδνο απφ ηελ ελίζρπζε ησλ επηπέδσλ SINR λα ππεξβαίλεη ηηο απψιεηεο πνπ ζπλνδεχνπλ ηε κείσζε ηνπ εχξνπο δψλεο. Έλα ζελάξην ρακειήο θφξηηζεο ηνπ ξαδηνδηθηχνπ (ηζνδχλακα κηθξνχ αξηζκνχ ρξεζηψλ θαη δεηνχκελσλ θεξφλησλ αλά ρξήζηε) ζπληζηά κηα ηέηνηα πεξίπησζε. Καζψο φκσο ην θνξηίν απμάλεη ε πξνζέγγηζε απηήο ηεο πνιηηηθήο απνηπγράλεη θαη ππάξρεη αλάγθε γηα επαλαρξεζηκνπνίεζε ηεο πιεηνλφηεηαο ησλ πφξσλ. ρήκα 6.1. Βαζηθά ζρήκαηα επαλαρξεζηκνπνίεζεο πφξσλ ζε πνιπθπςεισηά ζπζηήκαηα 89

90 6.1.2 ύνθετα σχήματα επαναχρησιμοποίησης Καζψο θαλέλα απφ ηα βαζηθά ζρήκαηα επαλαρξεζηκνπνίεζεο (Reuse-1, Reuse-3) δελ κπνξεί λα παξέρεη θαζνιηθά ηα απαηηνχκελα επίπεδα QoS ζηε πεξηνρή θάιπςεο, θαηέζηε ζαθήο ε αλάγθε γηα αλάπηπμε ζχλζεησλ ζρεκάησλ ζπληνληζκέλεο θαηάηκεζεο πφξσλ, φπσο ην Soft Frequency Reuse (SFR) θαη ην Partial Frequency Reuse (PFR). ην ζρήκα 6.1δ παξαηίζεηαη ην πιάλν Soft Frequency Reuse, φπνπ δηαθξίλεηαη ν δηαρσξηζκφο ηνπ θάζκαηνο ζε 3 ππνδψλεο. Ζ δηαρείξηζε ηεο παξεκβνιήο πξαγκαηνπνηείηαη κέζσ ηεο ζπληνληζκέλεο πξνζαξκνγήο ηνπ πξνθίι ηζρχνο κεηάδνζεο. πγθεθξηκέλα, γηα ξαδηνπφξνπο πνπ απνδίδνληαη ζε ρξήζηεο ηχπνπ cell-edge, δεζκεχεηαη κηα ππνδψλε θάζκαηνο θαη πξνθαζνξίδεηαη κηα πςειή ζηάζκε ηζρχνο εθπνκπήο P x, ελψ ηαπηφρξνλα γηα ηηο παξεκβάιινπζεο θπςέιεο (εληφο ηνπ cluster) ε ζπγθεθξηκέλε ππνδψλε ηίζεηαη ζε κηα ρακειή ζηάζκε ηζρχνο ε*p x, φπνπ 0 1. Σππηθέο ηηκέο γηα ηελ παξάκεηξν ε είλαη ½, 1/4 ή 1/10 (ππνβάζκηζε 3, 6, 10 db). πλεπψο, ζηνπο ρξήζηεο ηχπνπ cellinterior, νη νπνίνη ρξεζηκνπνηνχλ ηηο ππφινηπεο ππνδψλεο θάζκαηνο, ζα απνδίδνληαη αζζελέζηεξα επίπεδα ηζρχνο. πκπεξαζκαηηθά, ζε θάζε θπςέιε είλαη δηαζέζηκν νιφθιεξν ην εχξνο δψλεο BW. Οη γεηηνληθέο θπςέιεο ζπληνλίδνληαη έηζη ψζηε λα δηαζθαιίδεηαη φηη δελ ζα ππάξρεη επηθάιπςε κεηαμχ ησλ ππνδσλψλ θάζκαηνο πνπ δεζκεχνληαη γηα ηνπο cell-edge ρξήζηεο, δειαδή ρξεζηκνπνηνχληαη νξζνγσληθέο ππνδψλεο θάζκαηνο γη απηή ηε θαηεγνξία ρξεζηψλ. Αληίζεηα, ππάξρεη κεξηθή επηθάιπςε κεηαμχ ησλ ππνδσλψλ πνπ δεζκεχνπλ νη cell-interior ρξήζηεο θαη νη cell-edge ρξήζηεο γεηηνληθψλ θπςειψλ. Σν SFR ζρήκα έρεη ινηπφλ πιενλεθηήκαηα θαη κεηνλεθηήκαηα. Σν βαζηθφ πιενλέθηεκα είλαη ε πςειή θαζκαηηθή απφδνζε ελψ ην κεηνλέθηεκα είλαη φηη νη ρξήζηεο αληηκεησπίδνπλ ICI παξεκβνιή επεηδή ε νξζνγσληφηεηα κεηαμχ ησλ 90

91 ππνδσλψλ πνπ δεζκεχνπλ νη cell-interior ρξήζηεο θαη νη cell-edge ρξήζηεο γεηηνληθψλ θπςειψλ δελ είλαη εγγπεκέλε. ην πιάλν Partial Frequency Reuse (ζρήκα 6.1γ), ην εχξνο δψλεο ηνπ ζπζηήκαηνο ρσξίδεηαη ζε δπν δψλεο ζπρλνηήησλ: ηελ cell-interior θαη ηελ cell-edge. Οη ρξήζηεο πνπ βξίζθνληαη ζην εζσηεξηθφ ηεο θπςέιεο ρξεζηκνπνηνχλ ηελ cell-interior δψλε ε νπνία είλαη θνηλή ζε φιεο ηηο θπςέιεο θαη ηίζεηαη ζε ρακειή ζηάζκε εθπνκπήο ελψ νη ρξήζηεο πνπ βξίζθνληαη ζην άθξν ηεο θπςέιεο ρξεζηκνπνηνχλ κηα απφ ηηο νξζνγψληεο ππνδψλεο ζηηο νπνίεο ρσξίδεηαη ε cell-edge δψλε θαη ηίζεηαη ζε κηα πςειή ζηάζκε εθπνκπήο P x. πκπεξαζκαηηθά, ζε θάζε θπςέιε ην εχξνο δψλεο πνπ είλαη δηαζέζηκν είλαη κηθξφηεξν απφ BW. Σν ζπγθεθξηκέλν πιάλν αλακέλεηαη λα πιενλεθηεί έλαληη ηνπ SFR φζνλ αθνξά ζηα ιακβαλφκελα επίπεδα SINR εμαηηίαο ηεο πιήξεο απνκφλσζεο ησλ πφξσλ εχξνπο δψλεο ζηηο πεξηνρέο cell-interior. πγθεθξηκέλα εμαιείθεηαη ε ICI παξεκβνιή γηα ηνπο cell-edge ρξήζηεο κε θφζηνο φκσο ηελ απνδνηηθφηεηα ηνπ θάζκαηνο. 6.2 χήμα κατανομής πόρων με δυναμικό συντονισμό της παρεμβολής μεταξύ των κυψελών (Prop.Alg.) Σν Prop.Alg. ζρήκα θαηαλνκήο πφξσλ δηαθνξνπνηείηαη απφ ηα παξαπάλσ θαζψο δελ δεζκεχνληαη ζπγθεθξηκέλεο δψλεο ζπρλνηήησλ γηα ηα δπν είδε ρξεζηψλ (cell-interior θαη cell-edge) αιιά ε θαηαλνκή ησλ ππνθαλαιηψλ ζηνπο ρξήζηεο γίλεηαη δπλακηθά. πγθεθξηκέλα, ν αιγφξηζκνο βξίζθεη αξρηθά εθείλν ην ππνθαλάιη πνπ δελ ρξεζηκνπνηείηαη απφ θάπνην ρξήζηε ζε γεηηνληθή θπςέιε θαη ην αλαζέηεη ζηνλ ρξήζηε πνπ βξίζθεηαη ζην άθξν ηεο θπςέιεο θαη δίλεη ηελ θαιχηεξε ηηκή 91

92 θέξδνπο θαλαιηνχ. Ζ αλάζεζε ηνπ ππνθαλαιηνχ γίλεηαη κε ηελ πξνυπφζεζε ην ππνθαλάιη λα κελ αλήθεη ζηε δψλε cell-edge γεηηνληθήο θπςέιεο. Ζ δηαδηθαζία απηή επαλαιακβάλεηαη κέρξηο φηνπ αλαηεζεί ζε φινπο ηνπο cell-edge ρξήζηεο θάπνην ππνθαλάιη ή δελ ππάξρνπλ άιια δηαζέζηκα ππνθαλάιηα. ηε πεξίπησζε πνπ δελ ππάξρνπλ δηαζέζηκα ππνθαλάιηα πνπ δελ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε γεηηνληθά θειηά, ν αιγφξηζκνο βξίζθεη ην ππνθαλάιη πνπ πθίζηαηαη ηε κηθξφηεξε παξεκβνιή απφ γεηηνληθνχο ζηαζκνχο βάζεο θαη ην αλαζέηεη ζηνλ cell-edge ρξήζηε κε ην κεγαιχηεξν θέξδνο θαλαιηνχ. Ο αιγφξηζκνο απαηηεί ζπληνληζκφ κεηαμχ ησλ ζηαζκψλ βάζεο ψζηε νη δψλεο cell-edge ησλ γεηηνληθψλ θειηψλ λα είλαη νξζνγσληθέο θαη ε θαηάζηαζε θάζε θπςέιεο σο πξνο ηα ππνθαλάιηα πνπ ρξεζηκνπνηεί ζα πξέπεη λα είλαη γλσζηή ζηηο γεηηνληθέο ηεο θπςέιεο. ηφρνο ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ αιγνξίζκνπ είλαη λα κεγηζηνπνηήζεη ηελ ξπζκαπφδνζε ησλ cell-edge ρξεζηψλ πνπ είλαη ε θαηεγνξία ησλ ρξεζηψλ πνπ ππνθέξεη πεξηζζφηεξν απφ ICI παξεκβνιή. Γηα ηνλ ιφγν απηφ, εθρσξεί πξψηα ζ απηνχο ηα ππνθαλάιηα κε ην κεγαιχηεξν θέξδνο θαη ζηε ζπλέρεηα θαηαλέκεη ππνθαλάιηα ζηνπο ρξήζηεο πνπ βξίζθνληαη ζην εζσηεξηθφ ηεο θπςέιεο κε θξηηήξην ηε πνηφηεηα ηνπ θαλαιηνχ. 6.3 Προσομοίωση ηελ ελφηεηα απηή πξαγκαηνπνηείηαη εθηίκεζε ηεο απφδνζεο ησλ ζρεκάησλ θαηαλνκήο Reuse-1, SFR, PFR θαη Prop.Alg κε ηε ρξήζε πξνζνκνίσζεο. Σν πνιπθπςεισηφ OFDMA ζχζηεκα πνπ εμεηάδεηαη απνηειείηαη απφ 3 εμαγσληθέο θπςέιεο αθηίλαο 750 m. ην θέληξν θάζε θπςέιεο 92

93 είλαη ηνπνζεηεκέλνο έλαο ζηαζκφο βάζεο ν νπνίνο δηαζέηεη παλθαηεπζπληηθή θεξαία θαη κπνξεί λα εθπέκςεη ηζρχ P max = 43 dbm. Θεσξνχκε φηη ε cell-edge πεξηνρή απνηειεί ην έλα ηξίην ηεο θπςέιεο θαη θαηαιακβάλεη ην εμσηεξηθφ ηεο ηκήκα, ζπλεπψο ην θαηψθιη D th ηζνχηαη κε 500 m. Σν δηαζέζηκν εχξνο δψλεο είλαη Β=20 MHz ην νπνίν δηαηξείηαη ζε Ν=100 OFDMA θέξνληα. Σν θαζκαηηθφ εχξνο ελφο εθάζηνπ OFDMA θέξνληνο είλαη W n =B/N=200 khz θαη ν αμηνπνηήζηκνο ρξφλνο ζπκβφινπ είλαη T e =1/W n = 5κsec. Οη ρξήζηεο κπνξνχλ λα εκθαληζηνχλ ζε δηάθνξεο ζέζεηο ζε θάζε θπςέιε θαη ε πνηφηεηα ππεξεζίαο πνπ δεηνχλ ζπκπιεξψλεηαη απφ ηελ απαίηεζε ν ξπζκφο εζθαικέλσλ bit (Bit Error Rate) λα κελ μεπεξλά ην Σν ζρήκα 6.2 παξηζηάλεη ηελ ξπζκαπφδνζε ησλ ρξεζηψλ ζην άθξν ηεο θπςέιεο γηα δηαθνξεηηθφ αξηζκφ ρξεζηψλ. Σν δπλακηθφ ζρήκα Prop.Alg. παξνπζηάδεη θαιχηεξε απφδνζε απφ ηα ππφινηπα ζρήκαηα θαζψο επηηπγράλεη κεγαιχηεξν άζξνηζκα ξπζκψλ δεδνκέλσλ ησλ celledge ρξεζηψλ ζε ζρέζε κε ηηο άιιεο πξνζεγγίζεηο. Απηφ ήηαλ αλακελφκελν αλ αλαινγηζηνχκε φηη ν Prop.Alg. επηθεληξψλεηαη ζηελ βειηίσζε ηεο πνηφηεηαο ππεξεζίαο πνπ ιακβάλνπλ νη ρξήζηεο ζην άθξν ηεο θπςέιεο. Σν PFR ζρήκα έξρεηαη δεχηεξν ζε απφδνζε, πάλσ απφ ην SFR, ιφγσ ηεο απνκφλσζεο ησλ πφξσλ εχξνπο δψλεο ζηηο πεξηνρέο cell-interior πνπ νδεγεί ζηελ εμάιεηςε ηεο ICI παξεκβνιήο γηα ηνπο celledge ρξήζηεο. Υεηξφηεξε απφδνζε παξνπζηάδεη ην ζρήκα Reuse-1 θαζψο είλαη ην ζρήκα πνπ εκθαλίδεη ηελ κεγαιχηεξε ICI παξεκβνιή. 93

94 ρήκα 6.2: Ρπζκαπφδνζε ζε ζρέζε κε ηνλ αξηζκφ ησλ cell-edge ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο ην ζρήκα 6.3 παξηζηάλεηαη ε ξπζκαπφδνζε φισλ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο σο πξνο ην πιήζνο ηνπο γηα ηα δηάθνξα ζρήκαηα απφδνζεο. Όζν κηθξφηεξνο είλαη ν αξηζκφο ησλ ρξεζηψλ αλά θπςέιε, ν αιγφξηζκνο Prop.Alg. είλαη ζε ζέζε λα απνδψζεη ζηνπο ρξήζηεο θαλάιηα πνπ δελ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε γεηηνληθέο θπςέιεο θαη ππφ απηέο ηηο ζπλζήθεο παξνπζηάδεη ηε θαιχηεξε απφδνζε. Καζψο φκσο απμάλεηαη ν αξηζκφο ησλ ρξεζηψλ, είλαη δπλαηφλ νη ρξήζηεο ζην εζσηεξηθφ ηεο θπςέιεο λα ιάβνπλ θαλάιηα πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη απφ cell-edge ρξήζηεο γεηηνληθήο θπςέιεο. Απηφ ζπλεπάγεηαη πςειή παξεκβνιή ιφγσ ηεο πςειήο ζηάζκεο ηζρχνο ζηελ νπνία ηίζεληαη ηα θαλάιηα ζην άθξν ηεο θπςέιεο. 94

95 Αληίζεηα, ζην ζρήκα Reuse-1 φια ηα θαλάιηα ηίζεληαη ζηελ ίδηα ζηάζκε ηζρχνο θαη θαηαλέκνληαη ζηνπο ρξήζηεο κε ηπραίν ηξφπν αλεμάξηεηα απφ ηε ζέζε πνπ θαηαιακβάλνπλ ζηε θπςέιε. αλ απνηέιεζκα, γηα πςειφ θνξηίν θπςέιεο (ν αξηζκφο ησλ ρξεζηψλ είλαη κεγαιχηεξνο απφ 40) εκθαλίδεη ηε θαιχηεξε απφδνζε. Οη θακπχιεο ησλ ζρεκάησλ Prop.Alg., SFR θαη Reuse-1 είλαη παξφκνηεο επεηδή ζηα ζρήκαηα απηά ην δηαζέζηκν θάζκα θάζε θπςέιεο ηζνχηαη κε ην εχξνο δψλεο ηνπ ζπζηήκαηνο BW. Αληίζεηα, ε θακπχιε ηνπ PFR δηαθέξεη απφ ηηο ππφινηπεο θαη κεηά απφ έλα νξηζκέλν πιήζνο ρξεζηψλ (80 ρξήζηεο) δελ παξνπζηάδεη απμεκέλν άζξνηζκα ξπζκψλ δεδνκέλσλ. Απηφ ζπκβαίλεη θαζψο δελ ππάξρεη άιιν δηαζέζηκν εχξνο δψλεο κε απνηέιεζκα νη αηηήζεηο ησλ εηζεξρφκελσλ ρξεζηψλ γηα κεηάδνζε δεδνκέλσλ λα κπινθάξνληαη. ρήκα 6.3: Άζξνηζκα ξπζκψλ δεδνκέλσλ ησλ ρξεζηψλ σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο 95

96 Δθηφο απφ ηελ απνδνηηθφηεηα ηνπ θάζκαηνο, άιινο δείθηεο απφδνζεο απνηειεί ν δείθηεο δηθαηνζχλεο (fairness indicator) πνπ νξίδεηαη σο εμήο: F K k k 1 K ( x ) K k 1 x 2 2 k (6.1) φπνπ ην x k αλαπαξηζηά ηνλ ξπζκφ δεδνκέλσλ ελφο ρξήζηε k ζε νπνηνδήπνηε ζχζηεκα θπςειψλ. Γηα ηελ επίηεπμε ηεο δηθαηνζχλεο είλαη απαξαίηεηε ε παξαθνινχζεζε ηεο θαηαλνκήο πφξσλ. Έλαο απφ ηνπο πην θνηλνχο δείθηεο γηα ηε κέηξεζε ηεο δηθαηνζχλεο ζηε δηαρείξηζε πφξσλ είλαη ν δείθηεο Jain s JFI (Jain s Fairness Index). Ο δείθηεο απηφο ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα κεηξήζεη ηε δηθαηνζχλε ζηε δηαρείξηζε πφξσλ θαη ζπγθεθξηκέλα ζηε θαηαλνκή ηνπο. Γειαδή, ρξεζηκνπνηεί σο εμεηαδφκελα κεγέζε κνλάδεο πφξσλ είηε απηά είλαη θαλάιηα είηε κνλάδεο εχξνπο δψλεο. Ο δείθηεο Jain s JFI θπκαίλεηαη απφ 0 κέρξη 1. Δάλ φινη νη πφξνη είλαη νκνηφκνξθα θαηαλεκεκέλνη ζηνπο ρξήζηεο, ηφηε ν δείθηεο παίξλεη ηε ηηκή 1. ην ζρήκα 6.4 ζπγθξίλεηαη ν δείθηεο δηθαηνζχλεο ησλ ζρεκάησλ θαηαλνκήο γηα δηαθνξεηηθφ αξηζκφ cell-edge ρξεζηψλ. Μπνξνχκε λα παξαηεξήζνπκε φηη ε δηθαηνζχλε φισλ ησλ ζρεκάησλ ππνβαζκίδεηαη φζν πεξηζζφηεξνη cell-edge ρξήζηεο βξίζθνληαη ζην ζχζηεκα. Απηφ είλαη αλακελφκελν θαζψο φζν απμάλεηαη ν αξηζκφο ησλ cell-edge ρξεζηψλ ζην ζχζηεκα ππάξρνπλ πεξηζζφηεξνη ρξήζηεο ζε άιιεο θπςέιεο νη νπνίνη πξνθαινχλ ICI παξεκβνιή ζε κεξηθνχο απφ ηνπο cell-edge ρξήζηεο. πγθξίλνληαο ηηο θακπχιεο, παξαηεξνχκε φηη ν αιγφξηζκνο Prop.Alg. εκθαλίδεη ην κεγαιχηεξν δείθηε δηθαηνζχλεο. Απηφ εμεγείηαη απφ ην γεγνλφο φηη επηθεληξψλεηαη ζηε βειηίσζε ηεο απφδνζεο ησλ cell-edge ρξεζηψλ, πνπ είλαη νη πην επαίζζεηνη ζηε κεηαβνιή ηνπ ξπζκνχ 96

97 εμππεξέηεζήο ηνπο ιφγσ θαηλνκέλσλ παξεκβνιήο απφ γεηηνληθέο θπςέιεο. Αθνινπζνχλ ηα ζρήκαηα SFR θαη PFR ηα νπνία βαζίδνληαη ζηε ρξήζε νξζνγψλησλ ππνδσλψλ θάζκαηνο κεηαμχ ησλ γεηηνληθψλ θπςειψλ γηα ηνπο cell-edge ρξήζηεο. Αληίζεηα, ην ζρήκα Reuse-1 παξνπζηάδεη ην ρακειφηεξν δείθηε δηθαηνζχλεο θαζψο είλαη δπλαηφλ λα παξνπζηαζηνχλ κεγάιεο δηαθπκάλζεηο κεηαμχ ησλ ξπζκψλ δεδνκέλσλ πνπ επηηπγράλνπλ νη ρξήζηεο ζην άθξν ηεο θπςέιεο εμαηηίαο ηνπ γεγνλφηνο φηη νη γεηηνληθέο θπςέιεο επαλαρξεζηκνπνηνχλ ηηο ίδηεο ζπρλφηεηεο. ρήκα 6.4: Γείθηεο δηθαηνζχλεο σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ cell-edge ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο 97

98 Σέινο, ζην ζρήκα 6.5 ζπγθξίλεηαη ν δείθηεο δηθαηνζχλεο ησλ ζρεκάησλ θαηαλνκήο πφξσλ γηα δηαθνξεηηθφ πιήζνο ρξεζηψλ ζηε θπςέιε. Σν ζρήκα PFR παξνπζηάδεη ηνλ ρακειφηεξν δείθηε δηθαηνζχλεο φηαλ ην θνξηίν ηεο θπςέιεο είλαη πςειφ (νη ρξήζηεο είλαη πεξηζζφηεξνη απφ 80). Απηφ νθείιεηαη ζην γεγνλφο φηη δελ ρξεζηκνπνηείηαη νιφθιεξν ην εχξνο δψλεο BW κε απνηέιεζκα νξηζκέλνη ρξήζηεο λα κελ κπνξνχλ λα εμππεξεηεζνχλ. Αληίζεηα, ν αιγφξηζκνο Prop.Alg. παξνπζηάδεη ηνλ πςειφηεξν δείθηε φηαλ ππάξρεη κηθξφ πιήζνο ρξεζηψλ αλά θπςέιε θαζψο είλαη ζε ζέζε λα απνδψζεη ζηνπο ρξήζηεο θαλάιηα πνπ δελ ρξεζηκνπνηνχληαη ζε γεηηνληθέο θπςέιεο θαη ζαλ απνηέιεζκα νη ρξήζηεο επηηπγράλνπλ ηζφηηκνπο ξπζκνχο κεηάδνζεο δεδνκέλσλ. Όηαλ φκσο εηζέξρνληαη πνιινί ρξήζηεο ζηε θπςέιε, ηφηε εκθαλίδνληαη θαηλφκελα παξεκβνιήο κε απνηέιεζκα λα ζεκεηψλνληαη δηαθπκάλζεηο ζηνπο ξπζκνχο δεδνκέλσλ κεηαμχ ησλ ρξεζηψλ. 98

99 ρήκα 6.5: Γείθηεο δηθαηνζχλεο σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο Αλ κεηψζνπκε ηνλ αξηζκφ ησλ δηαζέζηκσλ OFDMA θεξφλησλ ζε 50 θέξνληα θαη ην κέγηζην θνξηίν ηεο θπςέιεο ζε 50 ρξήζηεο ηφηε ιακβάλνπκε ηηο παξαθάησ γξαθηθέο παξαζηάζεηο: 99

100 ρήκα 6.6: Ρπζκαπφδνζε ζε ζρέζε κε ηνλ αξηζκφ ησλ cell-edge ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο πγθξίλνληαο ην παξαπάλσ ζρήκα κε ην ζρήκα 6.2 (πεξίπησζε Ν=100 OFDMA θεξφλησλ), παξαηεξνχκε φηη επεξεάδεηαη αηζζεηά ε θακπχιε ηνπ PFR. Όπσο έρεη αλαθεξζεί, ην ζρήκα απηφ δελ ρξεζηκνπνηεί νιφθιεξν ην εχξνο δψλεο ηνπο ζπζηήκαηνο. αλ απνηέιεζκα, κεηψλνληαο ηνλ αξηζκφ ησλ δηαζέζηκσλ θεξφλησλ ηεο θπςέιεο δελ είλαη εθηθηή ε εμππεξέηεζε πεξηζζφηεξσλ απφ 6 ρξεζηψλ ζην άθξν ηεο θπςέιεο. Όκνηα κε ην ζρήκα 6.2, ν αιγφξηζκνο Prop.Alg. εκθαλίδεη ηελ θαιχηεξε απφδνζε θαη ην ζρήκα Reuse-1 ηε ρεηξφηεξε απφδνζε. 100

101 ρήκα 6.7: Άζξνηζκα ξπζκψλ δεδνκέλσλ ησλ ρξεζηψλ σο πξνο ηνλ αξηζκφ ησλ ρξεζηψλ ηεο θπςέιεο Σν ζρήκα 6.7 παξνπζηάδεη παξφκνηα απνηειέζκαηα κε ην ζρήκα 6.3, δειαδή ην ζχζηεκα νιηθήο επαλαρξεζηκνπνίεζεο ζπρλνηήησλ (Reuse-1) επηηπγράλεη ην κεγαιχηεξν άζξνηζκα ξπζκψλ δεδνκέλσλ γηα πςειφ θνξηίν θπςέιεο. Αληίζηνηρα, ην ζρήκα θαηαλνκήο πφξσλ PFR ζεκεηψλεη ην κηθξφηεξν άζξνηζκα επεηδή δελ αμηνπνηεί νιφθιεξν ην εχξνο δψλεο. 101