Performance evaluation of terrestrial and aerial communication networks

Abstract

Καθώς μεταβαίνουμε με γοργούς ρυθμούς προς την εποχή δικτύων 6ης γενιάς, γίνεται περισσότερο προφανές ότι ένα βασικό χαρακτηριστικό της νέας αυτής εποχής θα είναι η αδιάκοπτη συνδεσιμότητα τόσο για τους χρήστες όσο και για συσκευές τύπου μηχανών για την υποστήριξη μιας πληθώρας εφαρμογών. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, η ακαδημαϊκή και η βιομηχανική κοινότητα στρέφεται προς επίκαιρες τεχνολογίες όπως η μικροκυματική ζώνη συχνοτήτων και τα μη επανδρωμένα εναέρια οχηματα. Ωστόσο, η εισαγωγή αυτών των τεχνολογιών έρχεται αντιμέτωπη με ορισμένες προκλήσεις. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν αυτές οι προκλήσεις και να προταθούν λύσεις για το σχεδιασμό των κυψελωτών δικτύων 6ης γενιάς, απαιτείται λεπτομερής αξιολόγηση της επίδοσης σε επίπεδο συστήματος, η οποία είναι και ο στόχος της παρούσας διατριβής. Η ολοκληρωμένη αξιολόγηση της επίδοσης των επίγειων δικτύων στη μικροκυματική ζώνη συχνοτήτων,προϋποθέτει ότι οι χρήστες και οι σταθμοί βάσης είναι εξοπλισμένοι με κεραίες ικανές να σχηματίσουν κατευθυντικούς λοβούς. Ωστόσο, με την εισαγωγή των δυνατοτήτων διαμόρφωσης του λοβού ακτινοβολίας και το αναπόφευκτο σφάλμα σκόπευσης, είναι προφανές ότι και οι δύο πολικές συντεταγμένες πρέπει τώρα να ληφθούν από κοινού υπόψη στη πολιτική συσχέτισης του χρήστη με κάποιο σταθμό βάσης καθώς και στην αξιολόγηση της επίδοσης του δικτύου. Αρχικά, στην παρούσα διατριβή, λαμβάνονται υπόψη οι πολικές συντεταγμένες των σταθμών βάσης και εξάγονται σε αναλυτική μορφή η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της μέγιστης λαμβανόμενης ισχύος καθώς και ο μετασχηματισμός Laplace της συνολικής ισχύος των παρεμβολών. Ακολούθως, εκμεταλλευόμενοι θεμελιώδη εργαλεία της στοχαστικής γεωμετρίας, διεξάγεται υπολογισμός της πιθανότητας κάλυψης. Η μελέτη της πιθανότητας κάλυψης διεξάγεται για λόγους πληρότητας για ακόμα δύο ακόμα πολιτικές ζεύξης μεταξύ του δέκτη και του σταθμού βάσης που τον εξυπηρετεί, δηλ. ένα ιδανικό σενάριο αναφοράς και μία πολιτική που βασίζεται αμιγώς στη γωνιακή απόσταση. Προκειμένου να αποτυπωθεί και η επίδραση ενός ισχυρού παρεμβολέα στην επίδοση των δικτύων μικροκυματικής ζώνης συχνοτήτων, πραγματοποιείται αξιολόγηση της επίδοσης υπό την προσέγγιση ενός ισχυρού παρεμβολέα για κάθε προτεινόμενη πολιτική. Σαν σενάριο αναφοράς, ορίζεται ένα πεπερασμένο δίκτυο που λειτουργεί στη μικροκυματική ζώνη συχνοτήτων και επιπλέον υπάρχει τέλεια ευθυγράμμιση μεταξύ των κεραιών του δέκτη και του σταθμού βάσης που τον εξυπηρετεί. Στη περίπτωση αυτή, προκειμένου να εξαχθούν επιπρόσθετα συμπεράσματα σε επίπεδο συστήματος, παρουσιάζονται τρία βασικά σενάρια παρεμβολών και ακολούθως πραγματοποιείται αξιολόγηση της επίδοσης του δικτύου για κάθε ένα από αυτά. Συνεχίζοντας την ανάλυση σε κομβικές τεχνολογίες που καθορίζουν τα δίκτυα 6ης γενιάς, το ερευνητικό ενδιαφέρον στρέφεται στην ενσωμάτωση των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων στα κυψελωτά δίκτυα. Δυστυχώς, τα τρέχοντα κυψελωτά δίκτυα δεν έχουν σχεδιαστεί για να περιλαμβάνουν πρωτίστως εναέριους κόμβους. Κινητοποιημένοι από τα προαναφερόμενα, προτείνεται το τρισδιάστατο διωνυμικό κυψελωτό δίκτυο ως υποψήφια κυψελωτή αρχιτεκτονική για τα δίκτυα μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων επόμενης γενιάς. Το τρισδιάστατο διωνυμικό κυψελωτό δίκτυο περιλαμβάνει αποκλειστικά εναέριους σταθμούς βάσης και χρήστες και βασίζεται στη κυψελωτή δομή του περικομμένου οκτάεδρου, το οποίο είναι η πιο κοντινή προσέγγιση μίας σφαίρας που μπορεί να πληρώσει τον τρισδιάστατο χώρο χωρίς κενά ή επικαλύψεις. Εξαιτίας της ιδιαίτερης γεωμετρίας του περικομμένου οκτάεδρου, η διεξαγωγή της αξιολόγησης της επίδοσης του δικτύου σε επίπεδο συστήματος είναι ιδιαίτερα απαιτητική. Μία βασική πρόκληση που καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε αποτελεί ο υπολογισμός του όγκου των υποπεριοχών της κυψέλης που μπορεί να βρεθεί ένας εναέριος χρήστης. Στη συνέχεια, εκμεταλλευόμενοι την τρισδιάστατη διωνυμική στοχαστική διαδικασία για τη μοντελοποίηση της χωρικής θέσης των εναέριων χρηστών, διεξάγεται αξιολόγηση της επίδοσης ως προς την πιθανότητα κάλυψης για την περίπτωση 1) παρεμβολών εντός της κυψέλης, και 2) για τη περίπτωση παρεμβολών εντός και εκτός της κυψέλης. Για λόγους πληρότητας, η ανάλυση διεξάγεται επίσης και για μία κυψέλη της οποίας το γεωμετρικό σχήμα μοντελοποιείται ως μία σφαίρα. Τονίζεται οτι η σφαίρα μπορεί να αποτυπώσει την επίδραση που έχει ο τρισδιάστατος χώρος στην επίδοση του δικτύου ενώ την ίδια στιγμή η εξαγωγή αναλυτικών εκφράσεων των μετρικών επίδοσης γίνεται απλούστερη. Με βάση αυτή την προσέγγιση, πραγματοποιείται λεπτομερής αξιολόγηση επίδοσης υπό την θεώρηση ενός ισχυρού παρεμβολέα για ένα δίκτυο που μοντελοποιείται ως σφαίρα. Ακολούθως εξάγονται εκφράσεις σε κλειστή μορφή για την πιθανότητα κάλυψης, το ρυθμό σφάλματος bit, το λόγο μέσης ισχύος του λαμβανόμενου σήματος προς την ισχύ της παρεμβολής και την συνολική χωρητικότητα. Τέλος, προσπαθούμε να ρίξουμε περισσότερο φως στη σύγκριση της επίδοσης μεταξύ των κυψελωτών δικτύων που βασίζονται στη σφαίρα και αυτών που βασίζονται στη περικομμένο οκτάεδρο. Για το λόγο αυτό, το ερευνητικό ενδιαφέρον στρέφεται προς τη χωρική τοποθέτηση των εναέριων σταθμών βάσης και επομένως πραγματοποιείται μία σύγκριση της επίδοσης μεταξύ του κυψελωτού δικτύου που βασίζεται στο περικομμένο οκτάεδρο και ενός κυψελωτού δικτύου που βασίζεται σε τρισδιάστατες διωνυμικές κυψέλες Voronoi μέσα σε μία σφαίρα. Καθώς η πραγματική χωρική τοποθέτηση των εναέριων σταθμών βάσης δεν είναι απόλυτα προκαθορισμένη αλλά ούτε και τελείως τυχαία, η τελική σύγκριση της επίδοσης πραγματοποιείται προκειμένου να αναδείξει τα οφέλη κάθε μοντέλου ως υποψήφιο τρισδιάστατο κυψελωτό δίκτυο για μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα με εφαρμογή σε ασύρματα δίκτυα επόμενης γενιάς.