Σενάρια χρήσης μικρών κυψελών για την ανάπτυξη εφαρμογών του 5G

Γλάστρα, Αγγελική

Small cell-based use cases for the development of 5G applications

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Γλάστρα, Αγγελική

Date

2022-10-21

Advisor

Chochliouros, Ioannis

Μεταπτυχιακή Εργασία (2.786Mb)

Keywords

Μικρή κυψέλη (SC) ; Δίκτυο μικρών κυψελών ; Μετακινούμενες μικρές κυψέλες (mSCs) ; Διαδίκτυο πραγμάτων ; Δίκτυα επικοινωνιών πέμπτης γενιάς (5G) ; Σταθμοί βάσης μακρο-κυψελών ; Φεμτο-μικροκυψέλες ; Ετερογενή δίκτυα ; Αισθητήρες ; “Self-x” λειτουργίες ; H2020/5G-PPP Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Πρόγραμμα SESAME ; Νέφος ; Υπολογιστική στα άκρα του δικτύου ; Νεφοϋπολογιστική ; Πολλαπλή μίσθωση ; Αυτόνομα οχήματα ; Έξυπνη πόλη ; Τηλεϊατρική

Abstract

To 5G είναι η επόμενη γενιά κινητής ευρυζωνικότητας που θα αντικαταστήσει τις συνδέσεις 4G/LTE και η οποία θα παρέχει ιδιαίτερα υψηλές ταχύτητες στο Διαδίκτυο. Μεταξύ άλλων καινοτομιών, το 5G ελαχιστοποιεί την καθυστέρηση επικοινωνίας των συσκευών αυξάνοντας δραματικά την ταχύτητα απόκρισης και εκτοξεύοντας την εμπειρία χρήσης του δικτύου. Το 5G θα επιφέρει πολλές αλλαγές στη καθημερινή μας ζωή, στην εμπειρία των χρηστών και στις συνδέσεις δεδομένων εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας. Μερικοί από τους τομείς δραστηριότητων που θα υποστούν καταλυτικές μεταβολές είναι τα αυτόνομα οχήματα, οι έξυπνες πόλεις, η δημόσια ασφάλεια, η πολιτική προστασία, τα έξυπνα σπίτια, η τηλεϊατρική, το Διαδίκτυο των Πραγμάτων και ο χειρισμός μηχανημάτων εξ αποστάσεως. Η επίτευξη όλων των ανωτέρω θέτει την απαίτηση για συστήματα μεγαλύτερης χωρητικότητας, που εξαρτάται από τρεις βασικούς παράγοντες. Ο πρώτος αφορά στην αύξηση της φασματικής απόδοσης, ο δεύτερος σχετίζεται με την αύξηση του διαθέσιμου φάσματος και ο τρίτος είναι η αύξηση του πλήθους των σταθμών βάσης όλων των ιεραρχικών επιπέδων (macro, micro, pico, femto), γεγεονός που προσφέρει μία πολύ πυκνή χωρική επανάχρηση των καναλιών συχνοτήτων. Αυτός ο τελευταίος παράγοντας μεταβάλλει τη βασική σχεδιαστική προσέγγιση των ραδιοδικτύων και οδηγεί σε μία νέα διάσταση, εκείνη των «ετερογενών δικτύων». Παραδοσιακά τα ραδιοδίκτυα σχεδιάζονταν και εξαπλώνονταν με βάση ένα στρώμα, μία τοπολογία κόμβων ραδιοπρόσβασης, γνωστές ως μακρο-κυψέλες. Τα δίκτυα φωνής και δεδομένων 2G, 3G και 4G έχουν σχεδιαστεί και αναπτυχθεί με βάση την τοπολογία μακρο-κυψελών. Η ενσωμάτωση των μικρότερης εμβέλειας μικρών κυψελών – οι οποίες συνιστούν κόμβους ραδιοεπικοινωνίας χαμηλής ισχύος – στις περιπτώσεις όπου υπάρχει ανάγκη για καλύτερη κάλυψη των χρηστών, συνιστά μία πάγια πρακτική της τοπολογικής εξέλιξης των σύγχρονων ραδιοδικτύων, προς το 5G και πέρα από αυτό. Η ταυτόχρονη και αρμονικά συνεργατική χρήση και των δύο τύπων κυψελών (μακρο-κυψέλες και μικρές κυψέλες) καθίσταται απαραίτητη, ιδίως για περιοχές όπου δεν υπάρχει επαρκής δικτυακή κάλυψη. Ο παραπάνω συνδυασμός είναι σημαντικός για την ενίσχυση του σήματος, γεγονός που οδηγεί σε καλύτερη ποιότητα υπηρεσιών. Σε κάθε περίπτωση, η χρήση μικρών κυψελών είναι ζωτικής σημασίας για την ελάφρυνση του τηλεπικοινωνιακού φόρτου σε σημεία υψηλής ζήτησης καθώς και για την υποστήριξη πολλών νέων εφαρμογών που θα προσφέρονται σε ένα τεράστιο πλήθος μικρών συσκευών και αισθητήρων, συνδεδεμένων στο Διαδίκτυο. Στην τεχνολογία 5G, oι μικρές κυψέλες παρέχουν χωρητικότητα σε (φορητές) συσκευές καθώς και συνδεσιμότητα σε αισθητήρες του Διαδικτύου των Πραγμάτων, επεκτείνουν τη δικτυακή κάλυψη, μειώνουν τη λανθάνουσα καθυστέρηση, εξυπηρετούν περισσότερους χρήστες και διασφαλίζουν υψηλή απόδοση των προσφερόμενων υπηρεσιών. Υπό την θεώρηση των ανωτέρω, η παρούσα εργασία μελετά παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη για την ανάπτυξη δικτύων μικρών κυψελών καθώς και τις απαιτούμενες υποστηρικτικές τεχνολογίες για τα δίκτυα 5G. Επίσης προτείνει και μελετά σενάρια και περιπτώσεις χρήσης των μικρών κυψελών σε διάφορους τομείς της σύγχρονης καθημερινότητας, οι οποίοι αναβαθμίζουν την παροχή υπηρεσιών και την εμπειρία του χρήστη.

Abstract

5G is the next generation of the mobile broadband that will replace 4G/LTE connection and will offer very high speed connection through the Internet. Among others, 5G also minimizes delays in device’s communication, dramatically increasing the response time and expanding the user’s experience. 5G will bring many changes into our daily lives, the users’ experience and the very high speed data connection. Some of the areas that will be affected are autonomous vehicles, smart cities, public security and civil protection, smart houses, telemedicine, Internet of things and distance machine control. To achieve all the aforementioned goals and more there is a need of higher system capacity which depends on three factors. The first factor is an increase of the spectrum efficiency. The second factor is an increase of the available spectrum. The third factor is an increase of the amount of all hierarchical levels base stations (macro, micro, pico, femto), which offers a very dense spatial reuse of the frequency channels. This factor leads to the main design approach of radio networks that is called “heterogeneous networks”. Traditionally, radio networks were designed and expanded based on a layer, a topology of radio access nodes known as macro cells or simply macro. 2G, 3G and 4G voice and data networks have been designed and developed according to macro cells topology. The integration of lower range small cells, wherever there is a need of better user coverage, is a standard practice of topological modern radio networks development. The harmonically cooperative application of both of two types of cells is essential for small areas where coverage is insufficient. It is essential for the signal enhancement which leads to a better quality of service. It is vital to relief the overloaded macro cells at hot spots where there is a high demand of connectivity as well as to support a long range of new applications which will be offered by an enormous number of small devices and sensors. Small cells in the context of the 5G technology which connects all types of devices, do offer capacity to (portable) devices and connectivity to the sensors of Internet of Things. Furthermore, they expand the network area, decrease latency, provide services to many more users and insure high efficiency. The present thesis studies factors that must be taken into account for the deployment of small cells and the needed technologies for 5G applications. The work also refers to scenarios and selected case studies of small cells which upgrade the quality of service and the user’s experience.