Ανάλυση, παρακολούθηση και βελτιστοποίηση ευρυζωνικών δικτύων

Abstract

The objective of the current thesis is the study, design, development, and validation of two different broadband systems. In the first system, which belongs to the wireless sensor networks family, the design and development of a broadband monitoring network (BMN), is performed. It monitors the electromagnetic radiation in the environment on a 24hour basis. In the second system, which refers to the metropolitan optical area networks, the study, design, and validation of such a network is carried out by the introduction of a new architecture model. Firstly, the structure and the fundamental characteristics of a broadband monitoring network (BMN) are described. The monitoring network consists of several wireless sensors (terminal nodes) and a central node, which collects and processes the measurement data. Additionally, a series of representative network examples that have been implemented during this thesis is given. In this work, the first broadband monitoring system that has been developed in Greece by Radiocommunications Lab (AUTh) and Telecommunications Lab (DUTh) is introduced. Based on laboratory tests, the technical specifications of the broadband monitoring system are derived, and the uncertainty assessment is performed. Afterward, the collected data from broadband monitoring networks are analyzed to show the differences in the electromagnetic environment due to location and time. BMNs are also used to indoor exposure assessment due to the operation of femtocell networks. In fact, the first experimental results of exposure assessment of femtocell networks are presented. The measurement quantities are the transmitted power (Tx) and the received signal code power (RSCP) by the mobile terminal equipment. Subsequently, a metropolitan optical area network in less developed regions is analyzed, and a three-level (central, distribution, access) architecture model is described. The specifications of the network model are given and interconnection ways between the elements of the network are examined. A new term in network architecture is introduced, named "fiberpath". This term describes the physical connection between the central node and the end user of the network. Moreover, a software tool for the analysis of broadband optical network is presented. It takes into account the passive infrastructure, the geospatial topology of the nodes and the geographic distances between the elements, to identify the primary and redundant fiberpath for each user of the network. Additionally, the passive infrastructure optimization of a broadband optical network is proposed, by taking into account the rights of way (RoW) calculation. A proposed hybrid model for objective costing of rights of way is described, and the contributing parameters to the RoW calculation are summarized. Numerical examples of the RoW calculations based on the proposed model are given, and a comparison with the current legislation is performed. Finally, on the conclusions, the necessity of broadband and outline the perspectives emerging with the development of next generation communication systems are commented.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη, ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και ο έλεγχος δύο διαφορετικών συστημάτων που ενσωματώνουν την έννοια της ευρυζωνικότητας, ως βασικό χαρακτηριστικό τους. Στο πρώτο από τα δύο συστήματα, που ανήκει στην οικογένεια των ασύρματων δικτύων, πραγματοποιείται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός δικτύου για την ευρυζωνική καταγραφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο περιβάλλον. Στο δεύτερο, που ανήκει στην οικογένεια των ευρυζωνικών δικτύων οπτικών ινών, πραγματοποιείται η μελέτη, ο σχεδιασμός και ο έλεγχος υλοποίησης των δικτύων αυτών. Αρχικά, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, αναλύεται η αρχιτεκτονική ενός ασύρματου δικτύου που στοχεύει στην ευρυζωνική μέτρηση και καταγραφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο περιβάλλον. Δίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά του, πραγματοποιείται ανάλυση των δομικών στοιχείων που το απαρτίζουν (κεντρικός σταθμός ελέγχου, τερματικός σταθμός) και παρατίθενται αντιπροσωπευτικά παραδείγματα δικτύων που έχουν υλοποιηθεί. Ακολουθεί η παρουσίαση του πρώτου Ελληνικού ευρυζωνικού συστήματος μέτρησης (τερματικός σταθμός) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τα Εργαστήρια Ραδιοεπικοινωνιών (ΑΠΘ) και Τηλεπικοινωνιών (ΔΠΘ). Μέσα από μια σειρά εργαστηριακών δοκιμών αναδεικνύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του, ενώ γίνεται εκτίμηση της αβεβαιότητας που εισάγει. Έπειτα, αναλύονται τα αποτελέσματα των ασύρματων δικτύων για την ευρυζωνική μέτρηση και καταγραφή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για να εκτιμηθούν οι αλλαγές στο εξωτερικό (outdoor) ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον, λαμβάνοντας υπόψη τη θέση του κάθε αισθητήρα και το χρόνο της μέτρησης. Εκτός όμως από τις αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον, τα ασύρματα δίκτυα καταγραφής της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκαν και για την εκτίμηση της έκθεσης σε εσωτερικούς (indoor) χώρους από δίκτυα femto-κυψελών. Μάλιστα, παρουσιάζονται τα πρώτα πειραματικά αποτελέσματα που διενεργήθηκαν στην Ελλάδα σε δίκτυα femto-κυψελών, καταγράφοντας τη στάθμη ισχύος του εκπεμπόμενου (Tx) και λαμβανόμενου (RSCP) σήματος σε δύο διαφορετικά τυπικά περιβάλλοντα εσωτερικού χώρου (εργασιακό, οικιακό). Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η ανάλυση ενός μητροπολιτικού δικτύου οπτικών ινών σε λιγότερο ανεπτυγμένες περιοχές, με την περιγραφή της αρχιτεκτονικής του προτεινόμενου μοντέλου τριών επίπεδων (κύριο, διανομής, πρόσβασης) ευρυζωνικού δικτύου. Δίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά του, ενώ εξετάζονται οι τρόποι διασύνδεσης μεταξύ των στοιχείων του. Εισάγεται ένας νέος όρος στην αρχιτεκτονική σχεδίαση του δικτύου. Αυτός είναι η "οπτική διαδρομή διασύνδεσης" (fiberpath), η οποία περιγράφει τη ζεύξη μεταξύ του κυρίου κόμβου και του τελικού χρήστη του δικτύου. Παρουσιάζεται η δομή ενός ολοκληρωμένου συστήματος ανάλυσης ευρυζωνικού δικτύου οπτικών ινών που υλοποιήθηκε και περιγράφονται τα υποσυστήματα από τα οποία απαρτίζεται. Στο σύστημα ανάλυσης λαμβάνεται υπόψη η παθητική υποδομή, η γεωγραφική τοπολογία των κόμβων και οι αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων του δικτύου για τον υπολογισμό της κύριας και δευτερεύουσας οπτικής διαδρομής διασύνδεσης (fiberpath) κάθε χρήστη του δικτύου. Εκτός των άλλων, προτείνεται η βελτιστοποίηση της παθητικής υποδομής του ευρυζωνικού δικτύου οπτικών ινών, μέσα από τον υπολογισμό των τελών πρόσβασης και της χρήσης των δικαιωμάτων διέλευσης. Πραγματοποιείται περιγραφή του προτεινόμενου μοντέλου κοστολόγησης των δικαιωμάτων διέλευσης (υβριδικό μοντέλο), ενώ αναλύονται όλες οι παράμετροι που συμβάλλουν στον υπολογισμό τους. Παρουσιάζονται μερικά αριθμητικά παραδείγματα υπολογισμού, ενώ συγκρίνεται το προτεινόμενο μοντέλο με το ισχύον νομικό πλαίσιο. Τέλος, στα συμπεράσματα σχολιάζεται η αναγκαιότητα της ευρυζωνικότητας και περιγράφονται οι προοπτικές που διαφαίνονται με την ανάπτυξη των επικοινωνιών νέα γενιάς.