Localization and mobility management in heterogeneous wireless networks with network-assistance

Abstract

Το σημερινό ετερογενές δίκτυο ασυρμάτων επικοινωνιών αποτελείται από ένα σύνολο πανταχού-παρόντων ασυρμάτων δικτυακών στοιχείων, τα οποία υποστηρίζουν διαφορετικές τεχνολογικές δυνατότητες και εξυπηρετούν διαφορετικού-τύπου ανάγκες δικτύωσης. Σε ένα τέτοιο ετερογενές δικτυακό περιβάλλον, ο υπολογισμός σχετικής θέσης και η διαχείριση κινητικότητας θα διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο στην απρόσκοπτη υποστήριξη αναδυόμενων καινοτόμων εφαρμογών, όπως η κοινωνική δικτύωση, τα δικτυακά παιχνίδια με εξαιρετικά μεγάλο αριθμό χρηστών, επικοινωνίες συσκευής-με-συσκευή, έξυπνων μετρήσεων, επικοινωνιών έκτακτης ανάγκης, καθώς και η αυτόνομη πλοήγηση ρομποτικών κόμβων που έχουν δυνατότητα δικτύωσης. Καθώς όλο και περισσότερες ασύρματες δικτυακές τεχνολογίες επιτρέπουν στα ασύρματα δικτυακά στοιχεία τους να αξιολογούν την τρέχουσα κατάσταση του καναλιού επικοινωνίας τους και να εκτιμούν άμεσα (ή έμμεσα) την σχετική τους απόσταση και γωνία ως προς άλλους δικτυακούς κόμβους της ιδίας τεχνολογίας, η αξιοποίηση-ενοποίηση των ανωτέρω πληροφοριών από τα πανταχού-παρόντα ασύρματα δικτυακά στοιχεία, αναδεικνύεται ως η πλέον εφικτή και αποτελεσματική λύση για α) τον υπολογισμό της σχετικής απόστασης μεταξύ δύο (όχι υποχρεωτικά της ίδιας τεχνολογίας) δικτυακών κόμβων ενδιαφέροντος και β) για την διαχείριση κινητικότητας κινητών δικτυακών κόμβων με περιορισμένους πόρους, π.χ. όσους λειτουργούν με μπαταρία. Υπό το πρίσμα της αξιοποίησης των ανωτέρω πληροφοριών για την βελτίωση του υπολογισμού σχετικής θέσης και της διαχείρισης κινητικότητας, στην παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνουμε και συμβάλλουμε στις ακόλουθες τέσσερις ερευνητικές περιοχές: i) υπολογισμός σχετικής θέσης και εύρεση σημείου-προς-σημείο μεταξύ ετερογενών ασύρματων δικτυακών στοιχείων, ii) εύρεσης συνδέσεων συσκευής-προς-συσκευή σε κυψελωτά δίκτυα με υποβοήθηση από το δίκτυο, iii) ενεργειακά-αποδοτικών οριζόντιων μεταπομπών σε δίκτυα μακροκυψελών - φεμτοκυψελών, iv) υποβοηθούμενης από το δίκτυο κάθετης μεταπομπής σε ενοποιημένα δίκτυα κυψελωτών επικοινωνιών και επικοινωνιών τοπικής πρόσβασης.Στην περιοχή υπολογισμού σχετικής θέσης και εύρεσης σημείου-προς-σημείο σε ετερογενή δίκτυα, εξάγουμε αναλυτικές σχέσεις κλειστού τύπου για την κατανομή της σχετικής απόστασης μεταξύ δύο ετερογενών ασυρμάτων δικτυακών στοιχείων, δοσμένης μερικής (ή πλήρους) γνώσης για την γενικότερη τοπολογία του ετερογενούς δικτύου. Η εξαχθείσες σχέσεις μας επιτρέπουν να αναλύσουμε την απόδοση της διαδικασίας υπολογισμού σχετικής θέσης και εύρεσης σημείου-προς-σημείο μεταξύ ασυρμάτων δικτυακών στοιχείων διαφορετικής τεχνολογίας. Στην περιοχή εύρεσης συνδέσεων συσκευής-προς-συσκευή σε κυψελωτά δίκτυα με υποβοήθηση από το δίκτυο, αναλύουμε την απόδοση της εύρεσης συνδέσεων συσκευής-προς-συσκευή σε κυψελωτά δίκτυα με τυχαία κατανομή κόμβων και δυνατότητα υποβοήθησης από το δίκτυο, και εξάγουμε χρήσιμες κατευθυντήριες γραμμές για την βελτίωση της εν λόγω λειτουργίας σε σημερινά κυψελωτά δίκτυα. Στην περιοχή οριζόντιων μεταπομπών σε δίκτυα μακροκυψελών – φεμτοκυψελών, προτείνουμε έναν ενεργειακά-αποδοτικό αλγόριθμο μεταπομπής για δίκτυα μακροκυψελών – φεμτοκυψελών και εξετάζουμε όλες τις απαιτήσεις εφαρμογής του στο κυψελωτό σύστημα Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) που αναπτύχθηκε από την 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Στην περιοχή κάθετων μεταπομπών σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα, προτείνουμε έναν ενεργειακά-αποδοτικό αλγόριθμο κάθετης μεταπομπής, ο οποίος αξιοποιεί την δυνατότητα εξαγωγής ράδιο-μετρήσεων για την κατάσταση του καναλιού στους κυψελωτούς σταθμούς LTE-A και στα σημεία πρόσβασης που είναι συμβατά με το πρότυπο IEEE 802.11-2012.