Complex patterns in telecommunications network planning

Abstract

This PhD thesis discusses a series of related issues raised towards the efficient telecommunications network planning, taking into account the existence of complexity.Since the statistical analysis of the topology of real networks signifies connection patterns which are neither purely regular nor purely random, but complex, the network processes are correspondingly restricted. The existence of this complexity highlights the need for reconsideration of network planning. Especially, with the ongoing deployment of telecommunications networks in new regions and populations, it is imperative to focus on the characteristics of the underlying layer and the population to be served. The most important challenge is to justify the departure from the established topological or geometrical models, while proposing new ones, more realistic and efficient.Three aspects of the associated complexity in the network planning field are examined, focusing on both the telecommunications networks per se, and the underlying street networks: (i) the observation of complexity, (ii) its effects and (iii) its utilization. More specifically, the empirical findings which demonstrate the existence of complex connection patterns are initially described. By collecting novel datasets of network data and graph-theoretically analyzing them, specific patterns of complex connectivity are identified and the basis for their modeling is set. Next, the impact of complexity in the efficiency of a network is examined. The comparison of both synthetic and real-world topologies in terms of availability, congestion and cost, shows significant differences and indicates the criticality of specific topological properties. Notably, concerning the traffic congestion, the inclusion of topologies based on the gravity model which have recently attracted particular interest, reveals their superiority. Subsequently, a novel methodology is proposed, using synthetic complex graphs for the preliminary design of fiber-to-the-x telecommunications access networks. In particular, the utilization of the Gabriel planar proximity graphs to represent the underlying layer in an urban environment is proved to be superior to the conventional geometric dimensioning models.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά μια σειρά σχετιζόμενων θεμάτων που εγείρονται στο πλαίσιο του αποδοτικού σχεδιασμού τηλεπικοινωνιακών δικτύων, λαμβάνοντας υπόψη την ύπαρξη πολυπλοκότητας.Καθώς η στατιστική ανάλυση της τοπολογίας πραγματικών δικτύων υποδεικνύει πρότυπα σύνδεσης ούτε αμιγώς κανονικά ούτε αμιγώς τυχαία, αλλά πολύπλοκα, συνεπάγεται ότι αντιστοίχως επηρεάζονται και οριοθετούνται οι υπερκείμενες δικτυακές λειτουργίες. Η ύπαρξη αυτής της πολυπλοκότητας επισημαίνει την ανάγκη για αναθεώρηση του πλαισίου σχεδιασμού δικτύων. Ιδιαίτερα με τη συνεχιζόμενη εξάπλωση των τηλεπικοινωνιακών δικτύων σε νέες περιοχές και πληθυσμό, καθίσταται επιτακτική η εστίαση στα χαρακτηριστικά του υποκείμενου επιπέδου και του εξυπηρετούμενου πληθυσμού. Η πιο σημαντική πρόκληση είναι η δικαιολόγηση της απομάκρυνσης από τα καθιερωμένα τοπολογικά ή γεωμετρικά μοντέλα, προτείνοντας παράλληλα νέα, περισσότερο ρεαλιστικά και αποδοτικά.Εξετάζονται τρεις πτυχές της σχετιζόμενης πολυπλοκότητας στα πλαίσια του σχεδιασμού δικτύων, εστιάζοντας αφενός στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα καθαυτά και αφετέρου στα υποκείμενα οδικά δίκτυα: (i) η διαπίστωση της πολυπλοκότητας, (ii) η αξιολόγηση των επιπτώσεών της και (iii) η αξιοποίησή της. Λεπτομερέστερα, αρχικά περιγράφονται εμπειρικά ευρήματα που καταδεικνύουν την ύπαρξη πολύπλοκων προτύπων σύνδεσης. Συλλέγοντας πρωτότυπα σύνολα δικτυακών δεδομένων και αναλύοντάς τα γραφοθεωρητικά, διαπιστώνονται συγκεκριμένα πρότυπα πολύπλοκης συνδετικότητας, θέτοντας τις βάσεις για τη μοντελοποίηση τους. Στη συνέχεια, εξετάζονται οι επιπτώσεις των πολύπλοκων προτύπων στην αποδοτικότητα ενός δικτύου. Η σύγκριση τόσο συνθετικών όσο και πραγματικών τοπολογιών σε όρους διαθεσιμότητας, συμφόρησης και κόστους καταδεικνύει σημαντικές διαφορές και υποδεικνύει την κρισιμότητα συγκεκριμένων τοπολογικών ιδιοτήτων. Ειδικά στην εξέταση της συμφόρησης κίνησης, η συμπερίληψη τοπολογιών που βασίζονται στο μοντέλο «βαρύτητας» και έχουν πρόσφατα προσελκύσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, αναδεικνύει την υπεροχή τους. Επιπλέον, προτείνεται μία καινοτόμος μεθοδολογία με χρήση συνθετικών πολύπλοκων γράφων για τον προκαταρκτικό σχεδιασμό τηλεπικοινωνιακών δικτύων πρόσβασης fiber-to-the-x. Συγκεκριμένα, η αξιοποίηση των επίπεδων γράφων εγγύτητας Gabriel για την αναπαράσταση του υποκείμενου επιπέδου αστικού περιβάλλοντος αποδεικνύεται να υπερέχει έναντι των καθιερωμένων γεωμετρικών μοντέλων διαστασιοποίησης.