Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία αύξηση των χρηστών ασύρματης επικοινωνίας και η ολοένα και αυξανόμενη ζήτηση πιο αποδοτικών επικοινωνιών μεταξύ των χρηστών, έστρεψαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας στην μελέτη πιο ευέλικτων ασύρματων δικτύων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον προς αυτή την κατεύθυνση παρουσιάζουν τα Γνωστικά Συστήματα Ραδιοεπικοινωνιών (Cognitive Radios).
Τα Γνωστικά Συστήματα είναι ευφυή συστήματα τα οποία έχουν την ικανότητα να αντιλαμβάνονται τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκονται και να προσαρμόζουν κατάλληλα τις παραμέτρους της μετάδοσης τους με στόχο πιο αξιόπιστες και πιο ευέλικτες επικοινωνίες. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτών των συστημάτων είναι το γεγονός ότι μπορούν να συνυπάρξουν ταυτόχρονα δύο είδη χρηστών, οι κύριοι και οι δευτερεύοντες. Κύριοι είναι οι χρήστες οι οποίοι έχουν νόμιμη άδεια χρήσης μιας ζώνης συχνοτήτων από κάποια αρμόδια αρχή, ενώ δευτερεύοντες ονομάζονται οι χρήστες του δικτύου που δεν έχουν άδεια χρήσης κάποιας ζώνης συχνοτήτων αλλά υπό κατάλληλες συνθήκες μπορούν να χρησιμοποιήσουν κάποια ζώνη που ανήκει στους κύριους χρήστες. Η μετάδοση των δευτερευόντων χρηστών γίνεται με τέτοιο τρόπο (συχνότητα και χρόνο μετάδοσης), ώστε να μην δημιουργείται παρεμβολή στους κύριους χρήστες.
Πρόσφατα, το ερευνητικό ενδιαφέρον στράφηκε προς την χαρτογράφηση κάποιον φαινομένων σε τέτοιου είδους συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, με τον όρο χαρτογράφηση εννοούμε την μελέτη ενός φαινομένου, όπως για παράδειγμα της παρεμβολής ή του κέρδους του καναλιού όχι μόνο ως προς το χρόνο αλλά και ως προς το χώρο. Για παράδειγμα, στα γνωστικά συστήματα η χαρτογράφηση του καναλιού δίνει τη δυνατότητα στους δευτερεύοντες χρήστες ανά πάσα στιγμή να γνωρίζουν το πιθανό κανάλι επικοινωνίας προς όλα τα σημεία του χώρου που μελετούμε. Κάτι τέτοιο, λόγω της ιδιαιτερότητας αυτού του συστήματος, μπορεί να δώσει πολύτιμες πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να εκπέμψουν οι δευτερεύοντες χρήστες έτσι ώστε να μην παρεμβάλλονται στην μετάδοση των κύριων χρηστών.
Οι εργασίες που σχετίζονται με τα γνωστικά συστήματα μέχρι τώρα είχαν ως στόχο την μελέτη είτε της επισκίασης είτε της παρεμβολής που μετριέται σε ένα σημείο του χώρου. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, στόχος μας ήταν η μελέτη της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης (long range prediction) ενός καναλιού σε ένα δίκτυο κινούμενων γνωστικών χρηστών, κάτι το οποίο δεν έχει μελετηθεί έως τώρα. Με τον όρο μακροπρόθεσμη πρόβλεψη καναλιού αναφερόμαστε στην εκτίμηση του καναλιού σε κάποια επόμενη χρονική στιγμή. Δεδομένου ότι το κανάλι επηρεάζεται τόσο από φαινόμενα μικρής όσο και από ευρείας κλίμακας στρέψαμε το ενδιαφέρον μας σε ένα ενοποιημένο μοντέλο καναλιού που περιλαμβάνει και τα δύο είδη εξασθένησης.
Αυτή η μακροπρόθεσμη πρόβλεψη του χρονικά μεταβαλλόμενου καναλιού αποσκοπεί στην χαρτογράφηση των διαθέσιμων καναλιών στο χώρο αλλά και στο χρόνο, πληροφορία που μπορεί να φανεί πολύ χρήσιμη σε διάφορες εφαρμογές όπως αυτή της δρομολόγησης πακέτων πληροφορίας σε ένα δίκτυο, ή της κατανομής ενέργειας στα γνωστικά και σε άλλα ασύρματα συστήματα.
Πιο συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1, θα αναφερθούμε στις νέες τάσεις που ακολουθούνται στις ασύρματες επικοινωνίες. Αρχικά θα αναφερθούμε στις συνεργατικές επικοινωνίες και τις λεγόμενες συντονισμένες μεταδόσεις πολλαπλών σημείων ενώ στην συνέχεια θα επικεντρωθούμε στα γνωστικά δίκτυα και τις λειτουργίες που επιτελούν.
Στο κεφάλαιο 2 θα περιγράψουμε με λεπτομέρεια τους μηχανισμούς διάδοσης των ηλεκρομαγνητικών κυμάτων και τα δύο βασικά είδη εξασθένησης που παραμορφώνουν το λαμβανόμενο σήμα στον δέκτη. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αυτού θα περιγράψουμε διάφορα μοντέλα που περιγράφουν τα δύο είδη εξασθένησης και τέλος, θα παρουσιάσουμε ένα μοντέλο που τα συνδυάζει.
Στο κεφάλαιο 3, θα παρουσιάσουμε ένα ενοποιημένο μοντέλο το οποίο συμπεριλαμβάνει τόσο τα μικρής όσο και τα μεγάλης κλίμακας φαινόμενα το οποίο θα υιοθετήσουμε στην συνέχεια στην πειρματική μας διαδικασία. Επιπλέον, θα παρουσιάσουμε τους λόγους για τους οποίους στρέψαμε την προσοχή μας στο εν λόγω θέμα.
Στο κεφάλαιο 4 θα αναφερθούμε στην έννοια της χαρτογράφησης ενός φαινομένου σε ένα γνωστικό σύστημα και στην τρέχουσα βιβλιογραφία. Πιο συγκεκριμένα, θα κάνουμε μία ιστορική αναδρομή της χρήσης της χαρτογράφησης στα γνωστικά συστήματα. Ξεκινώντας από την χαρτογράφηση της παρεμβολής σε ένα δίκτυο και την χαρτογράφηση του φάσματος, θα επικεντρωθούμε στην χαρτογράφηση των φαινομένων ευρείας κλίμακας και ειδικά στην χαρτογράφηση της επισκίασης.
Στο κεφάλαιο 5 θα μελετήσουμε την έννοια της εκτίμησης και παρακολούθησης καναλιού και θα επικεντρωθούμε σε παραμετρικά κανάλια. Στο τέλος του κεφαλαίου, θα διευρύνουμε την παρακολούθηση ενός καναλιού με την διαδικασία της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης του κέρδους του καναλιού. Αυτή η επιπλέον γνώση της μακροπρόθεσμης πρόβλεψης σε συνδυασμό με διαδικασίες χωρικής παρεμβολής σε ένα γνωστικό σύστημα μπορεί να βελτιώσει πολύ τις συνθήκες μετάδοσης. Λόγω της ιδιαιτερότητας που παρουσιάζουν τα εν λόγω συστήματα κάθε επιπλέον μακροπρόθεσμη πληροφορία της κατάστασης του δικτύου μπορεί να βοηθήσει σε σημαντικές αποφάσεις κατανομής ισχύος ή μετάδοσης ώστε να ελαχιστοποιηθεί η παρεμβολή προς τους κύριους χρήστες.
Στο κεφάλαιο 6 θα περιγράψουμε με λεπτομέρεια το πρόβλημα μακροπρόθεσμης πρόβλεψης με το οποίο ασχοληθήκαμε και θα παρουσιάσουμε μία σειρά από πειραματικά αποτελέσματα που σχετίζονται με την ποιότητα της πρόβλεψης του καναλιού κάτω από διαφορετικές συνθήκες.
Τέλος, στο κεφάλαιο 7 θα αναφερθούμε στα συμπεράσματα που προέκυψαν από την συγκεκριμένη διπλωματική εργασία καθώς και σε κάποιες μελλοντικές κατευθύνσεις που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Οι κατευθύνσεις αυτές σχετίζονται τόσο για το συγκεκριμένο αλγόριθμο που χρησιμοποιήσαμε όσο και με πιθανές εφαρμογές του. / In recent years, the use of wireless communication systems has rapidly increased along with the demand for more resource hungry applications. To support such demands, the research community has been focusing into new more efficient and more flexible communications techniques and systems. To this end, the so-called cognitive radio systems are of particular interest.
In a cognitive system, the participating communication nodes are able of understanding the special characteristics of the surrounding environment and adjust, accordingly, their transmission parameters in order to achieve a reliable level of communication. An identifying element of such systems is the co-existence of two kinds of users, i.e. the primary and the secondary ones. The first are licensed users of a specific transmission band as opposed to the second, who are not licensed to use such a band, however under certain constraints and conditions they are allowed to. Their transmission is performed in an appropriate manner so as not to interfere with the primary users.
Currently, there is an active research interest in the so-called cartography of certain phenomena that occur in the wireless medium used by systems like the cognitive ones. Specifically, the term cartography is used for the study of a phenomenon such as the gain of channel through time and space for any pair of points in a given region. This information could, for example, support the decision making procedure of a secondary user related to the selection of a transmission band to use for transmission, reducing in this way the produced interference level.
The research efforts, so far, has been focusing on the cartography of either the shadowing phenomenon or the interference that is present at a particular point at space. In this master thesis, the main target is the study of long-range channel prediction algorithms in a cognitive network of mobile users that take into account both small and large scale fading. The phrase “long-range channel prediction” refers to the process of predict the value of the channel at a future time instant. In order to capture the twofold nature to fading, i.e. small and large scale one, a unifying channel model is adopted. This operation and the predicted information aim at providing the necessary tools in order to map the available channels into space as well as time. This information can be valuable in numerous applications such as routing of data packets and resource allocation.
In more detail, chapter 1 is an introduction to wireless communications focusing on their history and the new directions that look to the future. Specifically, a description will be provided for the evolution of cellular and ad hoc wireless networks along with three new tendencies, i.e. cooperative communications, coordinated multipoint or transmissions and cognitive networks.
In chapter 2, an introduction of the wireless medium for transmitting communications signals is presented. Specifically, at first, the propagation mechanisms of electromagnetic waves along with their two main sources of fading that distort signals will be provided. Then, appropriate models for the fading sources will be described which are useful for developing and evaluating communications algorithms.
A unified model that incorporates both small and large-scale fading is presented in chapter 3. This model will be used later in this thesis during the experimental analysis. Moreover, a motivation of looking into this direction will be provided.
In chapter 4, a bibliographic presentation of cartography will be presented. The chapter will start with a historical review of chartography. First, the focus will be on the mapping of interference and spectrum usage. Then, the focus will shift towards the mapping of large scale phenonena, especially, the mapping of shadowing.
The estimation/tracking and prediction of wireless channels will be the main focus of chapter 5. Parametric channels and associated algorithms will be presented. Moreover, a long rage prediction algorithm, that is studied in this thesis, will be described in detail. This additional information combined with spatial interpolation techniques can, in general, be used to improve the transmission conditions in a cognitive system. This information, in such systems, can assist in decision making procedures related to power allocations and transmissions, so as to mitigate the interference among the users.
The aforementioned synthesized channel model along with the long rage prediction problem that is studied in this thesis will be evaluated in chapter 6. In this chapter, exhaustive simulations have been conducted targeting the prediction performance under different propagation conditions.
Finally, in chapter 7, the main conclusions drawn in this thesis along with some future research directions will be provided. The directions are related both with the specific algorithm that was studied and some possible applications.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/6114 |
| Date | 11 June 2013 |
| Creators | Σπύρου, Δήμητρα |
| Contributors | Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος, Spyrou, Dimitra, Μπερμπερίδης, Κωνσταντίνος, Βαρβαρίγος, Εμμανουήλ, Τουμπακάρης, Δημήτριος-Αλέξανδρος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0041 seconds