Η μερική αντικατάσταση των παραδοσιακών ενσύρματων επικοινωνιών από ασύρματες οδήγησε στην ανάγκη για κατάλληλη σχεδίαση των ασύρματων δικτύων, ώστε να υποστηρίζουν τα απαιτούμενα επίπεδα ποιότητας. Η προσφερόμενη ποιότητα περιορίζεται σίγουρα από φυσικά εμπόδια όπως τα όρια που έθεσε ο Shannon, αλλά και από την περιορισμένη γνώση μας στην εκπομπή και διάδοση κυμάτων. Η διαρκής βελτίωση της ικανότητας των ασύρματων δικτύων να προσφέρουν υψηλής ποιότητας υπηρεσίες είναι όμως γεγονός και οφείλεται σε δύο βασικούς ερευνητικούς άξονες, αυτόν που εφευρίσκει νέες μεθόδους επικοινωνίας (διαμόρφωση, κωδικοποίηση, πολυπλεξία, κεραίες κ.α.) και αυτόν που προσπαθεί να βελτιώσει τη διαχείριση των ήδη υπαρχόντων πόρων. Η παρούσα διατριβή προσφέρει επιστημονικές ιδέες και μοντέλα, που έχουν σαν σκοπό την καλύτερη διαχείριση των πόρων.
Τα παραδοσιακά αλλά και τα μοντέρνα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας έχουν κατακλύσει την αγορά. Η λειτουργία τους όμως, παραμένει να κινείται στα πλαίσια συμβιβασμών, προσφέροντας χαμηλή ποιότητα υπηρεσίας. Η είσοδος των ασύρματων δικτύων υπολογιστών στην αγορά, ως ανταγωνιστές παροχής κλασικών υπηρεσιών (υπηρεσία φωνής και υπηρεσία δεδομένων), δίνει μια ώθηση αναπροσαρμογής των στόχων των δικτύων κινητής τηλεφωνίας. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι διαχείρισης των δικτύων αυτών προσφέρουν καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών με αλλαγή μεμονωμένων μόνο τμημάτων του δικτύου, χωρίς την ασύμφορη ολική επανασχεδίασή του. Αποτελούν δηλαδή πρακτικές λύσεις για την αποδοτικότερη λειτουργία των ήδη εγκατεστημένων δικτύων.
Από την άλλη πλευρά, η ανερχόμενη τεχνολογία των ασύρματων δικτύων υπολογιστών βρίσκεται περισσότερο σε ανταγωνισμό με τα κλασικά ενσύρματα δίκτυα υπολογιστών. Το πλεονέκτημα της ελεύθερης κίνησης μετατρέπεται σε δυσβάσταχτο περιορισμό όταν η σύγκριση ποιότητας των δύο δικτύων είναι αναπόφευκτη. Για το λόγο αυτό, υπάρχει η μεγάλη ανάγκη τα ασύρματα δίκτυα να γίνουν ανταγωνιστικά των ενσύρματων και κυρίως να παρέχουν ποιότητα ικανού επιπέδου, ώστε οι διάφορες υπηρεσίες να μπορούν να λειτουργήσουν ανεπηρέαστες από την χρήση του ασύρματου καναλιού. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι σε αυτόν τον τομέα αποσκοπούν στην βελτίωση της λειτουργίας των ασύρματων δικτύων με τελικό σκοπό την εξασφάλιση επιπέδων ποιότητας.
Για την μελέτη των ασύρματων δικτύων κινητής τηλεφωνίας και υπολογιστών και την εξαγωγή συμπερασμάτων απαιτούνται αναλυτικές μέθοδοι περιγραφής και εξομοιώσεις των δικτύων αυτών ώστε να γίνουν και οι κατάλληλες συγκρίσεις της προσφερόμενης ποιότητας. Ο τομέας αυτός της επιστήμης είναι διαρκώς ενεργός καθώς νέες τεχνικές και αναλύσεις προτείνονται συνεχώς. Με στόχο την ανάλυση και την εξομοίωση των προηγούμενα αναφερθέντων αλγορίθμων αναπτύχθηκε ένας αριθμός τεχνικών, που αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα της διατριβής αυτής.
Στα πλαίσια της διατριβής αυτής και συγκεκριμένα στο τμήμα μελέτης της επίδοσης των δικτύων, προτείνεται η μετατροπή μη γραμμικών αλυσίδων Markov σε γραμμικές, για χρήση σε προβλήματα κίνησης ταυτόχρονων πολλαπλών υπηρεσιών. Η προτεινόμενη μεθοδολογία οδηγεί σε ταχύτατο υπολογισμό της αλυσίδας με τη χρήση μιας προσέγγισης. Παράλληλα, αναλύεται ο χρόνος διαμονής και ο εναπομένων χρόνος διαμονής σε μια κυψέλη. Η ανάλυση γίνεται εκ του μηδενός και με χρήση βασικών στοχαστικών μοντέλων, ενώ το αποτέλεσμα καταλήγει σε κατανομή gamma, κάτι που είχε ήδη παρατηρηθεί από πειράματα στην βιβλιογραφία. Στη συνέχεια κατασκευάζεται ένα ντετερμινιστικό μοντέλο εξομοίωσης που μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα μέσω ενός χάρτη σε κάθε πόλη με ορθογώνια δόμηση.
Στο τμήμα των δικτύων κινητής τηλεφωνίας προτείνεται ένας αλγόριθμος διαχείρισης και αποδοχής κλήσεων που προκαλεί μεταπομπές συστήματος (system initiated handover). Η χρήση των μεταπομπών αυτών επιφέρει μεταβλητή χωρητικότητα (soft capacity) σε μια ομάδα κυψελών με αποτέλεσμα την αποδοτικότερη διαχείριση πόρων σε περιπτώσεις άνισης κατανομής κίνησης. Ένας άλλος αλγόριθμος προτείνεται για διαρκή διαπραγμάτευση (real-time negotiation) ποιότητας μεταξύ του δικτύου και του χρήστη με αποτέλεσμα την καλύτερη οργάνωση και διαχείριση των πόρων. Αποδεικνύονται η δυνατότητα χρήσης του αλγορίθμου σε πραγματικό χρόνο και τα οφέλη που αποκομίζονται από αυτήν.
Στο τμήμα ασύρματων δικτύων υπολογιστών προτείνεται ένα νέο πρωτόκολλο πρόσβασης μέσου, για χρήση στα ασύρματα τοπικά δίκτυα. Το πρωτόκολλο αυτό είναι πλήρως κατανεμημένο (μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε αυτοοργανονούμενα δίκτυα - ad hoc), ενώ προσφέρει τη δυνατότητα παροχής διαφορετικών επιπέδων ποιότητας, από άριστη ποιότητα για κλήσεις πραγματικού χρόνου μέχρι ποιότητα καλύτερης δυνατής προσπάθειας (best effort). Επίσης προτείνονται αλγόριθμοι βελτίωσης των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Αναλύεται συγκεκριμένα ο αυτόματος εντοπισμός κόμβων με χρήση τριγωνισμού και μεταβλητής ισχύος σημάτων-φάρων και η εξοικονόμηση ενέργειας με χρήση συστημάτων πολλαπλών κεραιών (MIMO). / The trend of replacing the traditional wired communications with their wireless counterparts led to the need for better design and organization of wireless networks so as to provide the necessary Quality of Service (QoS) levels. The offered QoS is bounded by Shannon’s limit and from the limitation of human knowledge on the wireless channel matters. However, the constant improvement of network performance is a fact based on two parallel scientific axes, the one that provides new communication techniques (modulation, coding, multiple access, antennas, etc) and the one that handles the already invented methods in an optimized manner. This thesis offers new scientific ideas and models for better resource management of wireless networks.
Traditional and modern mobile telephone networks have occupied the market. Nevertheless, their functionality is still based on compromising of offered quality with the needs of a two-way voice application. Wireless computer networks appear in the market as contenders of voice service, acting like a threat to telephone networks. The proposed models for the mobile telephone networks provide solutions for improving overall QoS by altering only minor parts of these already-installed networks.
On the other hand, the advancement of the wireless technology gives rise to visions of the so called Broadband Wireless Access. Computer Networks are expected to offer global roaming and provide traditional services over the IP protocol. In this context, QoS is necessary for guaranteeing service levels of quality. The proposed models in this part are focused in offering acceptable quality levels over the wireless channel for these services.
The performance analysis of wireless networks requires the use of analytical approaches and simulation of these networks in order to assess the final offered quality. This section of science is constantly developing since new methods and techniques are applied to different parts of research. Through the procedure of analyzing the wireless networks in this thesis, a number of new techniques have been invented which constitute an important part of it.
In terms of network traffic description, a new transformation of nonlinear markov chain to linear is proposed. By means of this transformation, the calculation of unbalanced nonuniform traffic can be accelerated. In the section of performance analysis, the sojourn time and the remaining sojourn time are analytically calculated. These cell parameters are found to follow a gamma distribution, a result that is backed from simulations in bibliography. Moreover, a deterministic simulation model is derived to enable easy calculation of these parameters from a map.
As regards the mobile telephone networks, a new call admission control scheme is proposed in order to simulate soft capacity functionality in 2G networks. This feature, organizes better the resources in a cluster in cases of inhomogeneous network traffic. Moreover, a QoS negotiation algorithm is proposed for use in 3G networks (e.g. UMTS). Real-time negotiation is proposed for better resource organization and management. The gain from these schemes is calculated and presented.
A new Medium Access Control (MAC) protocol is proposed for use in 802.11 Wireless Local Area Networks. This protocol is backward compatible with the protocol 802.11e and offers better quality infrastructure for VoIP services. The proposed protocol is analyzed and simulated and the results are compared to the previously used protocols to showcase the improvements. A new analytical approach with better accuracy is proposed for this reason.
Finally, two techniques are proposed for improving the quality of wireless sensor networks. Firstly, a technique for low cost real-time localization with a small number of GPS or other beacons is proposed and tested. Secondly, a means of energy conservatiοn by use of Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems is proposed, and then the gain from a QoS scheme is derived.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/1412 |
| Date | 24 February 2009 |
| Creators | Πάσχος, Γεώργιος |
| Contributors | Κωτσόπουλος, Σταύρος, Κωτσόπουλος, Σταύρος, Καλύβας, Γρηγόριος, Στυλιανάκης, Βασίλειος, Κουμπιάς, Σταύρος, Κωνσταντίνου, Φίλιππος, Καψάλης, Κωνσταντίνος, Καραγιαννίδης, Γεώργιος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.003 seconds