Κατανομή πόρων σε δίκτυα 5G

Abstract

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αφορά την κατανομή πόρων πάνω στα νέα δίκτυα κυψελωτών επικοινωνιών 5ης γενιάς. Το βιβλιογραφικό μέρος της εργασίας αρχικά αναφέρεται στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα πρόσβασης, με έμφαση κυρίως στις κυψελοειδείς επικοινωνίες. Έπειτα αναλύονται η αρχιτεκτονική και οι βασικές τεχνολογίες που θα ενσωματώνουν τα δίκτυα 5G, ενώ επίσης γίνεται αναφορά και στις απαιτήσεις αυτών των δικτύων. Στη συνέχεια αναλύεται η κατανομή πόρων στα δίκτυα 5G. Συγκεκριμένα αναλύονται οι τεχνικές και οι διάφορες προσεγγίσεις που έχουν επιχειρηθεί, ενώ επίσης εξετάζονται και οι αλγορίθμοι που έχουν χρησιμοποιηθεί. Στο πειραματικό κομμάτι της εργασίας προτείνεται ο αλγόριθμος κατανομής πόρων που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος blueSPACE. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος κατασκευάστηκε για συστήματα 5G και περιλαμβάνει τρεις φάσεις βελτιστοποίησης: α) την κατανομή πόρων στον τομέα ασύρματης πρόσβασης, β) την κατανομή πόρων στον τομέα της οπτικής δικτύωσης, γ) την κατανομή υπολογιστών πόρων σε νέφη κινητής υπολογιστικής (MEC). Στη συνέχεια υλοποιούνται δύο σενάρια προσομοίωσης ανάπτυξης του 5G, το πρώτο για ένα πολυσύχναστο τμήμα ενός αυτοκινητοδρόμου και το δεύτερο για την πόλη της Βαρκελώνης. Στόχος είναι να αξιολογηθεί η κατανομή πόρων που επιτυγχάνεται από το συγκεκριμένο αλγόριθμο σε σχέση με μία μη βελτιστοποιημένη κατανομή. Η διάρθρωση της διπλωματικής εργασίας είναι η εξής:  Κεφάλαιο 1ο: Εισαγωγή στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, τις βασικές αρχές λειτουργίας τους και τους παράγοντες που υποβαθμίζουν την απόδοσή τους.  Κεφάλαιο 2ο: Κυψελωτά δίκτυα επικοινωνιών και ανασκόπηση προηγούμενων γενεών αυτών των δικτύων.  Κεφάλαιο 3ο: Εκτενής αναφορά στα δίκτυα 5G όσον αφορά την αρχιτεκτονική και τις βασικές τεχνολογίες που τα διέπουν.  Κεφάλαιο 4ο: Κατανομή πόρων στα δίκτυα 5G, με έμφαση και στους τρεις τομείς (τομέας ασύρματης πρόσβασης, τομέας οπτικής δικτύωσης, υπολογιστικοί πόροι).  Κεφάλαιο 5ο: Εφαρμογή σεναρίων προσομοίωσης για αξιολόγηση του σχήματος που επιλέχθηκε για κατανομή πόρων.  Κεφάλαιο 6ο: Συμπεράσματα και μελλοντικές επεκτάσεις.

This specific thesis deals with the resource allocations to the new 5th generation of cellular communications networks. The first part of the work initially refers to the telecommunication access networks, with an emphasis mainly on cellular communications. Then the architecture and the basic technologies that will integrate the 5G networks are analyzed, while reference is also made to the requirements of these networks. Then the resource allocation in 5G networks is analyzed. Specifically, the techniques and various approaches that have been attempted are analyzed, while the algorithms that have been used are also examined. In the next part of this thesis, the resource allocation algorithm developed in the blueSPACE research program is proposed. This algorithm was developed for 5G systems and includes three optimization phases: a) the allocation of resources in the radio access network, b) the allocation of resources of the optical distribution network, c) the allocation of computer resources in mobile edge clouds (MEC). Then two 5G development simulation scenarios are implemented, the first for a busy section of a highway and the second for the city of Barcelona. The aim is to evaluate the allocation of resources achieved by this algorithm in relation to a non-optimized allocation. The structure of this thesis is as follows:  Chapter 1: Introduction to the telecommunications networks, their basic operating principles and the factors that degrade their performance.  Chapter 2: Cellular communication networks and review of previous generations of these networks.  Chapter 3: Extensive reference to 5G networks in terms of architecture and the basic technologies that govern them.  Chapter 4: Distribution of resources in 5G networks, with emphasis on all three sectors (wireless access network, optical distribution network, computing resources).  Chapter 5: Applying simulation scenarios to evaluate the scheme selected for resource allocation.  Chapter 6: Conclusions and future work.