Χαρακτηρισμός ασύρματου καναλιού και αλγόριθμοι διαχείρισης πόρων στα αυτοοργανούμενα δίκτυα 5ης γενιάς

Abstract

The fundamental need of the human species for anytime and anywhere communication has been a key principle of the development of wireless telecommunications throughout history. Especially in the last thirty years, this field has grown vastly, resulting in the development of wireless cellular telecommunications systems that are able to provide an increasing number of services from generation to generation. This growth resulted in the emergence of the Fifth Generation (5G) of wireless networks.Like any system, wireless telecommunication systems have a limited amount of resources that they can allocate to serve their connected mobile users in the downlink. The ever-increasing number of connected users, with their ever-increasing demand for high quality of experience, resulted in the densification of the network into small cells. This means that more intelligent solutions, compared to the established ones, need to be researched and adopted for the effective radio resource management in order to increase the system efficiency and manage successfully the increased interference that is received by the mobile subscribers. These solutions need to have the ability to adapt to the continuous changes of each network and be scalable and present low complexity regarding their implementation. Furthermore, for their deployment, it is very important to study the characteristics of the key propagation topologies to which they will be applied, for the respective use cases of the 5G networks.This dissertation has also been based on this framework. In particular, appropriate methods and techniques for radio resource management, such as the allocation of time-frequency resources the transmit power distribution and the beam management, are proposed for the deployment of an LTE-A radio access technology network and a network where the promising for 5G NR techniques of NOMA and MU-MIMO are applied. The criterion for the selection of these techniques is their effectiveness and the simplicity of their application in the system. In addition, the intercell interference management technique of Coordinated Multipoint is analyzed, along with its categories. Then, the most appropriate category of CoMP, regarding the objectives of this dissertation, is proposed along with the appropriate scheduling schemes for its application in each radio access technology. New methods regarding the determination of the group of users that this technique should address are also proposed.Next, an innovative scheme for the self organization of the wireless cellular networks is presented. This scheme is based on Game Theory and is the proposal of this doctoral dissertation for the self organization of the modern wireless networks. The proposed scheme takes advantage of the ambiguity regarding the clustering of the transmission points for the application of Coordinated Multipoint and is formulated to be characterized by scalability, adaptability and stability. Its basic principle is the throughput improvement for the users with poor wireless links, without undermining the throughput of users with good channel conditions. The proposed scheme is then applied in a small cell LTE-A network which is based on the C-RAN architecture. The network has been simulated at the system level for the downlink, with realistic channel modeling of the wireless channel, with the goal to validate the effectiveness of the proposed scheme in real-world network deployments for scenarios of moving or static users which may have individual quality of experience requirements. The effectiveness of the proposed self organization method is also studied for the downlink scenario of a small cell C-RAN based network operating in the 3.5 GHz band. Moreover, NOMA and MU-MIMO technologies are applied in the examined network. To evaluate with accuracy its impact in a real 5G network, the system applies methods and protocols of the 5G NR radio access technology. Furthermore, appropriate equations that reflect the combination of the aforementioned technologies are formulated for the received signal and the signal-to-interference-plus noise-ratio of each user.The dissertation concludes with the study of the large-scale characteristics of the wireless channel for propagation in the key indoor topologies of office and factory for the carrier frequency of 3.5 GHz. The characterization of the wireless channel in these topologies is extremely important for the realization of the 5G NR use cases which require high reliability in the connections between the transmission points and the devices, or between devices.

Η θεμελιώδης ανάγκη του ανθρώπινου είδους για επικοινωνία οπουδήποτε και οποτεδήποτε αποτέλεσε βασική αρχή της ανάπτυξης των ασύρματων τηλεπικοινωνιών ανά τα χρονικά. Ιδιαίτερα την τελευταία τριακονταετία, ο συγκεκριμένος τομέας παρουσίασε αλματώδη ανάπτυξη με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ασύρματων κυψελωτών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων τα οποία από γενιά σε γενιά μπορούσαν να προσφέρουν ολοένα και περισσότερες υπηρεσίες. Κάπως έτσι, η επιστημονική πρόοδος συντέλεσε στην ανάπτυξη των ασύρματων δικτύων 5ης γενιάς.Όπως κάθε σύστημα, έτσι και τα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά, διαθέτουν περιορισμένους πόρους τους οποίους μπορούν να διαθέσουν στην κάτω ζεύξη για την προσφορά των υπηρεσιών τους. Το ολοένα αυξανόμενο συνδρομητικό φορτίο, με τις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις του όσον αφορά, πλέον, την ποιότητα εμπειρίας που του προσφέρεται από την νέα γενιά κυψελωτών δικτύων, έχει ως αποτέλεσμα την πύκνωση του δικτύου σε μικρο-κυψέλες, κάτι το οποίο θέτει το ζήτημα της εύρεσης και ανάπτυξης ακόμη πιο έξυπνων λύσεων σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες, για την αποτελεσματική διαχείριση των πόρων των σύγχρονων ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων με στόχο την αύξηση της απόδοσης του συστήματος και την επιτυχή διαχείριση της αυξημένης παρεμβολής που δέχονται οι συνδρομητές. Αυτές οι λύσεις θα πρέπει να παρουσιάζουν προσαρμοστικότητα στις συνεχείς αλλαγές του εκάστοτε δικτύου και να διακρίνονται από την επεκτασιμότητά τους και από μικρή πολυπλοκότητα σε ό,τι αφορά την εφαρμογή τους. Επίσης, σημαντικό μέρος της ανάπτυξής τους αποτελεί και η μελέτη των χαρακτηριστικών των τοπολογιών διάδοσης κλειδί στις οποίες θα εφαρμοστούν, για τα αντίστοιχα σενάρια χρήσης των δικτύων 5ης γενιάς.Πάνω σε αυτό το πλαίσιο έχει δομηθεί και η εν λόγω διδακτορική διατριβή. Συγκεκριμένα, αρχικά προτείνονται κατάλληλες μέθοδοι και τεχνικές διαχείρισης ραδιοπόρων, όπως η κατανομή των ραδιοπόρων χρόνου-συχνότητας, της ισχύος και της διαχείρισης των ακτινών, για ένα δίκτυο τεχνολογίας ραδιοπρόσβασης LTE-A και ένα δίκτυο στο οποίο εφαρμόζονται οι ελπιδοφόρες για την τεχνολογία ραδιοπρόσβασης 5G NR τεχνικές NOMA και MU-MIMO. Οι σχετικές τεχνικές επιλέγονται με γνώμονα την αποδοτικότητά τους αλλά και την απλότητα εφαρμογής τους. Επιπλέον, αναλύεται η τεχνική διαχείρισης της διακυψελικής παρεμβολής Συντονισμού Πολλαπλών Σημείων μαζί με τις κατηγορίες της. Έπειτα, προτείνεται η καταλληλότερη κατηγορία της, όσον αφορά τους στόχους της διατριβής, μαζί με τις κατάλληλες τεχνικές χρονοπρογραμματισμού των ραδιοπόρων χρόνου-συχνότητας που συνοδεύουν την εφαρμογή της για κάθε τεχνολογία ραδιοπρόσβασης που εξετάζεται. Επίσης, προτείνονται νέοι τρόποι καθορισμού των χρηστών στους οποίους αυτή η τεχνική πρέπει να απευθύνεται.Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μία καινοτόμος μέθοδος αυτοοργάνωσης των ασύρματων κυψελωτών δικτύων η οποία βασίζεται στην Θεωρία Παιγνίων και αποτελεί πρόταση της εν λόγω διδακτορικής διατριβής. Η προτεινόμενη λύση αυτοοργάνωσης εκμεταλλεύεται την ασάφεια που επικρατεί όσον αφορά την οργάνωση των σημείων μετάδοσης σε συστάδες για την εφαρμογή της τεχνικής Συντονισμού Πολλαπλών Σημείων και κατασκευάστηκε με τέτοιον τρόπο ώστε να χαρακτηρίζεται από επεκτασιμότητα, προσαρμοστικότητα και ευστάθεια. Βασική αρχή της είναι η βελτίωση της ρυθμαπόδοσης των χρηστών με ασθενείς ζεύξεις με τα σημεία μετάδοσης, χωρίς παράλληλα να υπονομεύεται αυτή των χρηστών με καλές συνθήκες καναλιού. Έπειτα, η προτεινόμενη λύση εφαρμόζεται σε ένα δίκτυο μικρο-κυψελών LTE-A όπου το δίκτυο ραδιοπρόσβασης βασίζεται στην αρχιτεκτονική Υπολογιστικού Νέφους. Το δίκτυο έχει προσομοιωθεί σε επίπεδο συστήματος για την κάτω ζεύξη, με ρεαλιστική μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού, στοχεύοντας στην επικύρωση της αποτελεσματικότητας της προτεινόμενης λύσης για εφαρμογές πραγματικών δικτύων για σενάρια κινούμενου ή μη συνδρομητικού φορτίου το οποίο μπορεί να έχει ατομικές απαιτήσεις ποιότητας εμπειρίας. Η επίδραση της προτεινόμενης μεθόδου αυτοοργάνωσης μελετάται επίσης και για το σενάριο κάτω ζεύξης ενός δικτύου ραδιοπρόσβασης μικρο-κυψελών που βασίζεται στην αρχιτεκτονική Υπολογιστικού Νέφους και λειτουργεί στην μπάντα των 3.5 GHz. Επιπλέον, στο δίκτυο εφαρμόζονται παράλληλα και οι τεχνολογίες NOMA και MU-MIMO. Για την όσο το δυνατόν ακριβέστερη αξιολόγηση της επίδρασής της σε ένα πραγματικό δίκτυο 5ης γενιάς, το σύστημα εφαρμόζει αρχές και πρωτόκολλα της τεχνολογίας ραδιοπρόσβασης 5G NR, ενώ σχηματίζονται κατάλληλες εξισώσεις που αποτυπώνουν τον συνδυασμό των προαναφερθέντων τεχνολογιών που υιοθετούνται σε όρους λαμβανόμενου σήματος και λόγου σήματος προς παρεμβολή συν θόρυβο.Η διατριβή ολοκληρώνεται με την μελέτη των χαρακτηριστικών μεγάλης κλίμακας του ασύρματου καναλιού για διάδοση στις τοπολογίες εσωτερικών χώρων γραφείου και εργοστασίου για την συχνότητα φέρουσας των 3.5 GHz. Ο χαρακτηρισμός του ασύρματου διαύλου σε αυτές τις τοπολογίες είναι εξαιρετικά σημαντικός για την πραγμάτωση των σεναρίων εφαρμογής της τεχνολογίας ραδιοπρόσβασης 5G NR τα οποία απαιτούν μεγάλη αξιοπιστία στις ζεύξεις μεταξύ των σημείων μετάδοσης και των εκάστοτε συσκευών ή και μεταξύ συσκευών.