Μελέτη και Αποτίμηση Τεχνικών Χρόνο-Προγραμματισμού σε ασύρματα δίκτυα τέταρτης γενιάς LTE

Abstract

Το αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και η σύγκριση τεχνικών χρόνο-προγραμματισμού στα ασύρματα δίκτυα 4ης γενιάς LTE (Long Term Evolution). Η εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο, στο βιβλιογραφικό μέρος, παρουσιάζεται η εξέλιξη των GSM (Global System for Mobile Telecommunication) ασύρματων δικτύων επικοινωνιών μέχρι τις τεχνολογίες 4ης γενιάς και μερικά ιστορικά στοιχεία από τις παλαιότερες γενιές (0G, 1G). Επίσης η εργασία εστιάζει στα δίκτυα 4ης γενιάς, στα οποία γίνεται εκτενής αναφορά της λειτουργίας της μεθόδου των δικτύων LTE καθώς επίσης και της αρχιτεκτονικής του δικτύου. Τέλος, παρουσιάζονται οι πιο αξιόλογες τεχνικές-αλγόριθμοι χρόνο-προγραμματισμού που εμφανίζονται στην βιβλιογραφία και συνοδεύονται από πλείστα παραδείγματα. Στο δεύτερο μέρος, στο ερευνητικό, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης ενός πρότυπου δικτύου 4ης γενιάς LTE. Επιπρόσθετα, παρατίθεται ο σχεδιασμός και η δομή του προσομοιωτή, το μοντέλο και ο αλγόριθμος σε κάθε σενάριο προσομοίωσης, από τα συνολικά πέντε, καθώς και η ενδελεχής ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Παράλληλα, στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται και ένα νέο σχήμα χρονο-προγραμματισμού που εστιάζει στην παροχή δίκαιης κατανομής πόρων ανεξάρτητα από τον αριθμό των συνδεδεμένων συνδρομητών. Συγκεντρωτικά οι στόχοι της παρούσας εργασίας είναι οι εξής:  Παρουσίαση και ιστορική αναδρομή στα δίκτυα και στις τεχνολογίες των δικτύων κινητών επικοινωνιών.  Εκτενής αναφορά στα δίκτυα 4ης γενιάς και συγκεκριμένα στην τεχνολογία LTE.  Παρουσίαση ενός νέου σχήματος δίκαιας διανομής πόρων.  Μοντελοποίηση και προσομοίωση των βασικών προτύπων χρόνο-προγραμματισμού στα δίκτυα LTE.  Συγκριτικά αποτελέσματα προσομοίωσης διαφορετικών μεθόδων χρόνο-προγραμματισμού πόρων.  Εισαγωγή και μελέτη συμπεριφοράς των μεθόδων χρόνο-προγραμματισμού με εισαγωγή πραγματικού φόρτου κίνησης όπως: o Real Media Streaming TCP. o Real Media Streaming UDP. o Live Streaming. o VoIP (Voice over Internet Protocol).  Πιθανές προτάσεις και προκλήσεις για μελλοντική έρευνα. Για την προσομοίωση των αλγορίθμων χρησιμοποιήθηκε η γλώσσα προγραμματισμού Matlab, και αναλυτικότερα η μέθοδος του γεγονοδηγούμενου προγραμματισμού (Event-Driven). Το τελευταίο κεφάλαιο αφιερώνεται στην ανάλυση των αποτελεσμάτων, στον σχολιασμό της απόδοσης των σχημάτων που μελετήθηκαν και στην πιθανές βελτιώσεις που μπορούν να προκύψουν από την βελτιστοποίηση των σχημάτων που προσομοιώθηκαν.

The purpose of this thesis is the study and comparison of various scheduling techniques related with fourth generation wireless networks LTE (Long Term Evolution). This thesis is separated in two parts. In the literature part the revolution of the GSM (Global System for Mobile Telecommunication) wireless communication networks up to fourth generation technologies and some historical elements from previous generations (0G, 1G) are presented. Moreover the fourth generation networks are classified, which mostly gain our interest, while an extensive report towards the LTE networks operation and features is included. A list of the most remarkable scheduling schemes and algorithms analyzed, while examples are given. The next part, the research part, involves modeling and simulation issues, i.e., the results of a designed simulation model 4G LTE are presented. Additionally, it includes design issues and structure features of the simulator, scenario details and objectives, out of five total simulation experiments and thorough interpretation of the results. Furthermore, a novel scheduling scheme is introduced that endeavors to provide fairness in the bandwidth allocation process for all subscribers in the network. The goals of this thesis are summarized as follows:  Presentation and historical flashback to networks and technologies of mobile networks.  Extensive report to fourth generation networks and specifically in LTE technology.  Modeling and simulation of the most prestigious LTE scheduling schemes.  Presentation of a novel fair scheduling scheme for LTE networks.  Comparative simulation results including several scheduling LTE schemes.  Extensive simulation experiments engaging real traffic traces such as: -Real Media Streaming TCP -Real Media Streaming UDP -Live Streaming -VolP (Voice over Internet Protocol).  Challenges and future work towards the development of efficient LTE scheduling schemes. Matlab was utilized in order to simulate the aforementioned environment. In addition, the method of Event – Driven programming was adopted. The last section is devoted to the discussion of the results, giving emphasis to the study of the schemes performance, the optimization and possible future improvements.