Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Άρης Μουστάκας, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ (κύριος επιβλέπων)
Άννα Τζανακάκη, Επίκουρη Καθηγήτρια, Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ (μέλος επιτροπής)
Ανδρέας Πολύδωρος, Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ (μέλος επιτροπής)
Περίληψη:
Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται μία νέα αρχιτεκτονική δικτύων, η οποία καταργώντας το συμβατικό σύστημα των κυψελών (Cell-Free) υπόσχεται όχι μόνο να παράσχει πλήρη ικανοποίηση των προδιαγραφών που έχουν ορίσει τα τωρινά 5G δίκτυα, αλλά και να δημιουργήσει τις κατάλληλες προϋποθέσεις για την υποδοχή των μετέπειτα γενεών δικτύων. Ωστόσο, όπως σε κάθε σύγχρονο ασύρματο σύστημα επικοινωνίας, έτσι και στο Cell-Free απαιτείται η αξιοποίηση των δυνατοτήτων που παρέχουν οι τεχνολογίες των πολλαπλών κεραιών και πιο συγκεκριμένα, εκείνη της Massive MIMO αρχιτεκτονικής. Έτσι λοιπόν, για την καλύτερη κατανόηση της Cell-Free Massive MIMO λογικής, αφού γίνεται μία εισαγωγή στα σημαντικότερα προβλήματα που διέπουν κάθε ασύρματο κανάλι διάδοσης, παρέχεται μία εκτενής παρουσίαση των δυνατοτήτων που κρύβονται πίσω από από κάθε co-located ΜΙΜΟ τοπολογία.
Ειδικότερα, στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στις έννοιες του spatial diversity, spatial multiplexing και array gain, ιδιότητες που καθιστούν κάθε MIMO διάταξη ισχυρό αντισταθμιστικό παράγοντα έναντι των προβλημάτων της μειωμένης χωρητικότητας των καναλιών και της γενικής αστάθειας των ζεύξεων. Ο ουσιαστικός ρόλος της MIMO τοπολογίας αποδεικνύεται μέσα από τη σχετική μοντελοποίηση του συστήματος, η οποία αποτελεί τον θεμέλιο λίθο για τη μετέπειτα δόμηση πιο σύνθετων συστημάτων. Κατόπιν, γίνεται προσαρμογή του απλού point-to-point SU-MIMO στις κινητές επικοινωνίες μέσω της εισαγωγής του MU-MIMO, το οποίο ενσαρκώνει τις ιδιότητες του κλασικού ΜΙΜΟ στην πράξη. Το εν λόγω κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την αναφορά στις μεθόδους ανάκτησης και χρήσης του πίνακα CSI, καθώς και στην τεχνική beamforming, η οποία αποτελεί χαρακτηριστικό ζωτικής σημασίας για κάθε συστοιχία κεραιών.
Στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στις προδιαγραφές και απαιτήσεις των 5G δικτύων μέσω της ποσοτικοποίησης ορισμένων δεικτών, οι οποίοι έχουν να κάνουν τόσο με την πύκνωση των κυψελών όσο και με την αύξηση του spectral efficiency (SE). Στην προσπάθεια ενίσχυσης του δεύτερου δείκτη, αξιοποιείται η τοπολογία Massive MIMO, η οποία σημειώνει θεαματικά αποτελέσματα σε όρους quality of service (QoS). Την αύξηση της πύκνωσης των κυψελών αναλαμβάνει η αρχιτεκτονική των ετερογενών δικτύων (HetNets), η οποία, συνεργαζόμενη με τη Massive MIMO τοπολογία, αποτελεί ακόμα και σήμερα την αιχμή του τεχνολογικού δόρατος. Με τον τρόπο αυτό προετοιμάζεται κατάλληλα το έδαφος για τη σύγκρισή της με τη Cell-Free Massive MIMO διάταξη στα επόμενα κεφάλαια. Τέλος, περιλαμβάνεται και μία ενεργειακή ανάλυση σχετική τόσο με το Massive MIMO όσο και με τα ετερογενή δίκτυα, δίνοντας και σε αυτόν τον τομέα ένα πρακτικό μέτρο σύγκρισης για τις μετέπειτα προσομοιώσεις.
Στο κεφάλαιο 4, αφού γίνει μία σύντομη αναφορά στα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι σημερινές κυψελωτές (co-located) Massive MIMO διατάξεις, πραγματοποιείται εισαγωγή στις Cell-Free Massive MIMO τοπολογίες, εστιάζοντας κυρίως στα χαρακτηριστικά που τις καθιστούν πλήρως ανταγωνιστικές και πρωτοπόρες. Ειδικότερα, κατόπιν μίας εκτενούς μοντελοποίησης και εξαγωγής αναλυτικών εκφράσεων ρυθμαπόδοσης κλειστού τύπου τόσο για την uplink όσο και για τη downlink ζεύξη, ακολουθεί πρακτική σύγκριση της Cell-Free Massive MIMO αρχιτεκτονικής με τη μέχρι στιγμής βέλτιστη των small cells, θεωρώντας την αποκλειστική και μόνο ύπαρξη single-antenna access points (APs) και user-equipments (UEs). Για την πληρότητα της ανάλυσης, λαμβάνονται υπόψη διάφορα σενάρια, τα οποία περιλαμβάνουν την ύπαρξη ατελούς πίνακα CSI, μη ορθογώνιων πιλοτικών σημάτων (pilot contamination), της max-min power control στρατηγικής και δύο διαφορετικών pilot assignment αλγορίθμων. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τη μοντελοποίηση και την προσομοίωση των Cell-Free Massive MIMO συστημάτων σε περιβάλλον με multi-antenna APs και multi-antenna UEs προς εξέταση του βελτιωτικού ή υποβαθμιστικού χαρακτήρα της εν λόγω προσθήκης.
Ακολούθως, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται διάφορες στρατηγικές βελτίωσης της απόδοσης των Cell-Free Massive MIMO συστημάτων. Μεταξύ αυτών περιγράφονται τα τέσσερα επίπεδα συνεργασίας των APs με το CPU κατά τη διαδικασία του uplink, εισάγοντας παράλληλα και μία βέλτιστη combining τεχνική. Αυτό αποσκοπεί στην πλήρη κατανόηση της σωστής μεθοδολογίας σχεδιασμού των μη κυψελωτών Massive MIMO διατάξεων, ώστε να είναι σε θέση κάθε φορά να παρέχουν υψηλότερες επιδόσεις συγκριτικά με κάθε άλλη co-located Massive MIMO τοπολογία. Κατόπιν, όσον αφορά τη downlink διαδικασία, προτείνονται διάφοροι βελτιωτικοί και αρκετά σύγχρονοι precoding αλγόριθμοι, οι οποίοι δρώντας κατασταλτικά για τις δημιουργούμενες παρεμβολές, χαρίζουν αρκετά ικανοποιητικά επίπεδα ρυθμαπόδοσης στο σύστημα. Το κεφάλαιο κλείνει με την προσαρμογή της ΝΟΜΑ στρατηγικής στα δεδομένα των Cell-Free Massive MIMO διατάξεων, ενισχύοντας την απόδοση του συστήματος ακόμα και σε σενάρια αρκετά αυξημένης κίνησης δεδομένων.
Στο κεφάλαιο 6 δρομολογείται το πρόβλημα του fronthaul signaling, δηλαδή της πολυπλοκότητας που αναπτύσσεται στο fronthaul δίκτυο των Cell-Free Massive MIMO συστημάτων εξαιτίας της μεταφοράς μεγάλου όγκου δεδομένων εντός αυτού. Η πρόταση που περιγράφεται περιλαμβάνει τη σειριακή σύνδεση του fronthaul μέρους της διάταξης μέσω της πρωτοποριακής τοπολογίας των radio stripes, σε συνδυασμό με έναν σειριακό αλγόριθμο επεξεργασίας, ο οποίος εκτελώντας σταδιακή μείωση σφαλμάτων την καθιστά πλήρως ανταγωνιστική. Κατόπιν, το κεφάλαιο συνεχίζεται με πλήρη μοντελοποίηση του Cell-Free Massive MIMO συστήματος, λαμβάνοντας αυτή τη φορά υπόψη την ύπαρξη περιορισμένης fronthaul χωρητικότητας και hardware impairments, στοχεύοντας στην πιο πιστή ταύτιση των συνθηκών υλοποίησής του στις ατέλειες της πραγματικότητας.
Το τελευταίο κεφάλαιο επέχει πλήρως ενεργειακό χαρακτήρα, αφού περιλαμβάνει τη μοντελοποίηση του Cell-Free Massive MIMO συστήματος με στόχο αποκλειστικά και μόνο τη μελέτη του στον εν λόγω τομέα. Καίριο ρόλο διαδραματίζει η πρώτη παράγραφος, στην οποία γίνεται σύγκριση της ενεργειακής απόδοσης (EE) μεταξύ της κυψελωτής και μη Massive MIMO διάταξης, λαμβάνοντας υπόψη τρία διαφορετικά σενάρια υλοποίησης, καθώς και δύο τυποποιημένους power control αλγορίθμους. Στη συνέχεια, για την πλήρη απεικόνιση των δυνατοτήτων της προτεινόμενης τοπολογίας, λαμβάνει χώρα μία ειδικότερη ανάλυση, η οποία συμπεριλαμβάνοντας την ύπαρξη του pilot contamination φαινομένου και δύο βασικών αλγορίθμων επιλογής των APs, καταλήγει σε ένα μη-κυρτό πρόβλημα ενεργειακής ελαχιστοποίησης. Τέλος, η εργασία ολοκληρώνεται παρέχοντας αποτελέσματα προσομοιώσεων ενεργειακού περιεχομένου από τοπολογίες Cell-Free Massive MIMO στις οποίες παρατηρείται συσχέτιση καναλιών, αλλά και περιορισμένη fronthaul χωρητικότητα σε συνδυασμό με hardware impairments.
