Machine-to-machine communications in cellular networks

Abstract

Over the last decades, mobile networks have transformed society in many ways considering the ways humans interact with other humans, as well as with machines. Mobile networks have rapidly evolved from the first-generation (1G) to the fifth-generation (5G). 5G networks have introduced several substantial changes in the functionality and structure of mobile networks, by integrating a new flexible and adaptable architecture for satisfying the requirements of new use case scenarios.Currently, the beyond-fifth-generation (B5G) is on the horizon. A wide range of new application verticals is expected to emerge in B5G networks, such as virtual/augmented reality (VR/AR) applications, autonomous vehicles, Industry 5.0, and digital twins. Consequently, B5G mobile networks will be tasked with accommodating exponential growth in terms of the number of connected devices as well as the volume of traffic. In this respect, the improvement of the network’s capacity, spectral efficiency, and energy efficiency are of utmost importance for satisfying the requirements of emerging application verticals.This thesis aims to design and develop approaches and solutions for addressing the challenges associated with improving the network’s performance by integrating the latest advancements in the areas of wireless communications and computation technologies. Specifically, the thesis is focused on three main pillars, namely the expansion of network coverage, the management of wireless resources for increasing the network capacity, and the energy-efficient task offloading in mobile edge computing (MEC) environments.

Τα φορητά δίκτυα ή δίκτυα κινητών επικοινωνιών έχουν αλλάξει σημαντικά τον τρόπο που οι άνθρωποι επικοινωνούν τόσο μεταξύ τους όσο με μηχανές. Τα φορητά δίκτυα έχουν εξελιχθεί σημαντικά από την πρώτη (first-generation - 1G) μέχρι την πέμπτη (fifth-generation - 5G) γενιά. Συγκεκριμένα, η 5η γενιά έχει εισάγει σημαντικές αλλαγές στη δομή και τη λειτουργία των φορητών δικτύων, ενσωματώνοντας μια ευέλικτη αρχιτεκτονική προκειμένου να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις των νέων εφαρμογών. Τα δίκτυα μετά-5ης γενιάς (beyond-5G – B5G) αναμένονται να παρέχουν πληθώρα νέων εφαρμογών, όπως εφαρμογές επαυξημένης και εικονικής πραγματικότητας, αυτόνομα οχήματα, εφαρμογές Βιομηχανίας 5.0, και Ψηφιακά Δίδυμα (digital twins). Επομένως, τα δίκτυα B5G θα πρέπει να είναι σε θέση να καλύψουν την εκθετική αύξηση σε πλήθος συνδεδεμένων συσκευών, καθώς και σε δικτυακή κίνηση. Ως αποτέλεσμα, η βελτίωση της χωρητικότητας, της φασματικής απόδοσης, και της ενεργειακής απόδοσης του δικτύου είναι υψίστης σημασίας για την ικανοποίηση των απαιτήσεων των νέων εφαρμογών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στο σχεδιασμό και ανάπτυξη μεθόδων και λύσεων για την αντιμετώπιση των προκλήσεων που σχετίζονται με την βελτίωση της απόδοσης ενός δικτύου, αξιοποιώντας τις τελευταίες εξελίξεις στους τομείς των ασύρματων επικοινωνιών και των τεχνολογιών υπολογιστικής. Η διδακτορική διατριβή εστιάζει σε τρεις βασικούς πυλώνες και συγκεκριμένα, στην επέκταση της δικτυακής κάλυψης, στη διαχείριση των ασύρματων πόρων για την αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου, και στη βέλτιστη εκφόρτωση υπολογιστικών εργασιών σε περιβάλλοντα υπολογιστικής παρυφής.