Ανάπτυξη μοντέλων συνδεσιμότητας και αξιολόγηση επίδοσης σε ασύρματα δίκτυα νέας γενιάς

Abstract

The objective of this thesis is to develop new connectivity models and to evaluate their performance in next generation wireless networks. In future wireless multi-hop networks the fundamental factor for reliable operation is to achieve connectivity. Therefore, improvements and modifications to the basic methodology for connectivity calculation have been proposed, a new connectivity model has been developed and connectivity limits for shadowing fading channels and rain fading channels have been explored. More specifically, in 2nd chapter a new methodology for the calculation of connectivity is proposed and evaluated for shadowing fading channels. In all thesis chapters, the analysis is based on the general case of random networks represented by a homogeneous Poisson point field process.In 3rd chapter, the usage of classic diversity techniques in network connections in order to enhance connectivity is investigated under the assumption of shadowing fading channels.In 4th chapter, a new connectivity model and a new connectivity metric for random networks based on graph theory and spanning trees is proposed for connectivity evaluation in finite wireless multi-hop networks. The main advantages of the proposed methodology are that the network spatial distribution, the stochastic behavior of the propagation channel and the availabilities of network connections are taken into account. The proposed spanning-tree-based model is evaluated under the assumption of correlated fading channels due to shading phenomena, whereas it is possible the parameterization for any fading channel. Finally, the new model is parameterized to incorporate the usage of diversity techniques under the assumption of shadowing fading channels.In 5th chapter, a methodology for calculating connectivity in future backhaul which operate at the frequency range (10-50GHz) is presented. As expected, the proposed connectivity model takes into account the induced attenuations from rain fading which is the main stochastic cause for signal impairments at these frequencies. Three different models of distributions (lognormal, gamma and Weibull distribution) are considered for the calculation of the additional attenuations due to rain fading and are taken into account for the connectivity assessment. Finally, an adaptive modulation technique in order to maintain, when it is necessary, network’s connectivity by reducing network’s capacity and throughput is investigated.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μοντέλων συνδεσιμότητας και η αξιολόγηση της επίδοσης τους σε ασύρματα δίκτυα νέας γενιάς. Στα σύγχρονα ασύρματα πολυβηματικά δίκτυα πρωταρχικός παράγοντας για την λειτουργία τους είναι η επίτευξη συνδεσιμότητας. Στα πλαίσια αυτά προτάθηκαν βελτιώσεις και τροποποιήσεις στην βασική μεθοδολογία υπολογισμού της συνδεσιμότητας, αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο υπολογισμού της ενώ διερευνήθηκαν τα όρια της συνδεσιμότητας για κανάλια διαλείψεων εξαιτίας σκίασης και για κανάλια διαλείψεων εξαιτίας βροχής. Πιο συγκεκριμένα, στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζεται τροποποιημένη μεθοδολογία για τον υπολογισμό της συνδεσιμότητας και αξιολογείται το προτεινόμενο μοντέλο για κανάλια διαλείψεων εξαιτίας σκίασης. Η ανάλυση βασίστηκε στη γενικότερη περίπτωση που αντιστοιχεί σε τυχαία δίκτυα με τυχαία τοπολογία μία θεώρηση που αποτέλεσε την βάση για όλες τις μεθοδολογίες και αναλύσεις της διατριβής.Στο 3ο κεφάλαιο αναλύεται η δυνατότητα χρήσης μεθόδων διαφορισμού στις συνδέσεις του δικτύου με απώτερο στόχο την αύξηση της συνδεσιμότητας για περιβάλλοντα διάδοσης με διαλείψεις σκίασης και αξιολογούνται οι. βασικότερες τεχνικές διαφορικής λήψης. Στο 4ο κεφαλαίο αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο υπολογισμού της συνδεσιμότητας που βασίζεται στην θεωρία γράφων και τα συνδετικά δένδρα και προτείνεται ένα νέο μέτρο αξιολόγησης. Τα βασικά πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθοδολογίας είναι ότι λαμβάνονται ταυτόχρονα υπόψη τόσο η χωρική κατανομή του δικτύου όσο και η στοχαστική συμπεριφορά του καναλιού διάδοσης αλλά και οι διαθεσιμότητας των συνδέσεων. Η αξιολόγηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε για συσχετισμένα κανάλια διαλείψεων σκίασης ενώ είναι δυνατή η παραμετροποίησή του για οποιοδήποτε κανάλι διάλειψης. Τέλος, το νέο μοντέλο παραμετροποιήθηκε ώστε να ενσωματώνει και την δυνατότητα χρήσης τεχνικών διαφορισμού.Στο 5ο κεφάλαιο αναπτύχθηκε μεθοδολογία υπολογισμού της συνδεσιμότητας για τα σύγχρονα δίκτυα κορμού τα οποία λειτουργούν στις ζώνες συχνοτήτων (10-50GHz). Το προτεινόμενο μοντέλο λαμβάνει υπόψη το κυριότερο στοχαστικό παράγοντα εξασθενήσεων που είναι οι διαλείψεις εξαιτίας βροχής. Για την αξιολόγηση της συνδεσιμότητας χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά μοντέλα κατανομών (λογαριθμοκανονική, γάμμα και Weibull κατανομή) για τον υπολογισμό των επιπρόσθετων εξασθενήσεων. Τέλος, προτάθηκε η τεχνική της προσαρμοστικής διαμόρφωσης για την διατήρηση της συνδεσιμότητας στα απαιτούμενα επίπεδα μεταβάλλοντας την ρυθμαπόδοση του δικτύου.