Η ταχεία αύξηση των συνδεδεμένων συσκευών έχει οδηγήσει σε πολύ αυστηρές απαιτήσεις για τα ασύρματα δίκτυα επόμενης γενιάς, λαμβάνοντας υπόψη τόσο περιβαλλοντικά όσο και οικονομικά ζητήματα. Συγκεκριμένα, ένας από τους πρωταρχικούς στόχους στο σχεδιασμό των ασύρματων δικτύων πέμπτης γενιάς (5G) είναι η ικανοποίηση του εξαιρετικά υψηλού ρυθμού δεδομένων των χρηστών με την ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Για το σκοπό αυτό, έχει προταθεί ένας νέος δείκτης επίδοσης στη βιβλιογραφία, που ονομάζεται ενεργειακή απόδοση (ΕΑ), ο οποίος μετριέται σε bits/Joule και εκφράζει την ποσότητα πληροφορίας που μπορεί να μεταδοθεί αξιόπιστα ανά μονάδα καταναλισκόμενης ενέργειας. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή ασχολείται με τη σχεδίαση αποδοτικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης για ασύρματα δίκτυα επόμενης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων των επίγειων καθώς και των δορυφορικών συστημάτων επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, εφαρμόζεται η θεωρία της διαδοχικής κυρτής βελτιστοποίησης (ΔΚΒ) για την επίλυση δύσκολων προβλημάτων βελτιστοποίησης, όπως η μεγιστοποίηση διαφόρων μετρικών ΕΑ, ώστε να αναπτυχθούν ενεργειακά-αποδοτικές στρατηγικές κατανομής ισχύος. Η ΔΚΒ είναι ένα ισχυρό μαθηματικό εργαλείο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση μη-κυρτών προβλημάτων βελτιστοποίησης επιλύοντας μια ακολουθία κυρτών προβλημάτων βελτιστοποίησης. Αυτή η μέθοδος είναι θεωρητικά εγγυημένη να συγκλίνει για οποιοδήποτε αρχικό εφικτό σημείο και, υπό κατάλληλες προϋποθέσεις, επιτυγχάνει ένα στάσιμο σημείο (δηλαδή, ένα σημείο που ικανοποιεί τις συνθήκες Karush-Kuhn-Tucker (KKT)) του αρχικού προβλήματος. Επιπλέον, μελετάμε ορισμένα συνδυαστικά προβλήματα βελτιστοποίησης σε δορυφορικά δίκτυα, τα οποία αποδεικνύεται ότι είναι NP-δύσκολα. Συγκεκριμένα, εστιάζουμε στη βέλτιστη επιλογή επίγειων σταθμών (ΕΣ) σε δορυφορικά δίκτυα με διαφορισμό θέσης (ΔΘ), ικανοποιώντας δεδομένες απαιτήσεις διαθεσιμότητας. Η τεχνική ΔΘ χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της διαθεσιμότητας των δορυφορικών συστημάτων αμβλύνοντας τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα, όπως η βροχή (για τις ραδιοσυχνότητες) και η κάλυψη από νέφη (για τις οπτικές συχνότητες). Ακόμη, παρουσιάζουμε αλγόριθμους ολικής βελτιστοποίησης, με βάση τη μέθοδο διακλάδωσης-και-φράγματος (Δ&Φ) και τον δυναμικό προγραμματισμό (ΔΠ), καθώς και έναν προσεγγιστικό αλγόριθμο πολυωνυμικού χρόνου με αποδεδειγμένη εγγύηση επίδοσης. Τέλος, εξετάζουμε μια αρχιτεκτονική διαφορισμού έξυπνων πυλών (ΔΕΠ) βασισμένη στο διαμοιρασμό φορτίου σε δορυφορικά δίκτυα, η οποία έχει προταθεί πρόσφατα στη βιβλιογραφία. Για αυτό το σχήμα διαφορισμού, ορίζουμε την πιθανότητα διακοπής του συστήματος (ΠΔΣ) βάσει της διωνυμικής κατανομής Poisson και λαμβάνοντας υπόψη τη ζήτηση δεδομένων καθώς και τη χωρητικότητα κάθε πύλης. Επίσης, παρουσιάζουμε διάφορες μεθόδους για τον ακριβή και προσεγγιστικό υπολογισμό της ΠΔΣ.
Analysis and performance evaluation of the next generation wireless networks
