Structure and dynamics of wireless communication systems

Riihijärvi, Janne; Mähönen, Petri Heikki

doi:4699

Structure and dynamics of wireless communication systems = Struktur und Dynamik von drahtlosen Kommunikationssystemen

Riihijärvi, Janne (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Janne Riihijärvi

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXIII, 323 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mähönen, Petri Heikki (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-46996
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229122/files/4699.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Vernetzte Systeme (615510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kommunikation (Genormte SW) ; Funknetz (Genormte SW) ; Kognitiver Funk (Genormte SW) ; Mathematische Modellierung (Genormte SW) ; Räumliche Statistik (Genormte SW) ; Zufälliger Punktprozess (Genormte SW) ; Komplexität (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; communication systems (frei) ; wireless communication systems (frei) ; cognitive radio (frei) ; mathematical modeling (frei) ; spatial statistics (frei) ; point processes (frei) ; random fields (frei) ; complexity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZN 6010 * ZN 6220

Kurzfassung
Drahtlose Netzwerke befinden sich in einem fundamentalen Umbruch. Von Nutzern eingerichtete und selbstorganisierende Netzwerke gelten zunehmend als Schlüsseltechnologien um den exponentiell wachsenden Kapazitätsbedarf zu decken. Dieser Wandel geht einher mit einem Übergang von sorgfältig geplanten Netzwerken, die einfache Rückkopplungtechniken zur Sicherstellung von Stabilität und zur Leistungsverbesserung einsetzen, zum Einsatz und zur Analyse von komplexeren zeitlich und räumlich dynamischen Systemen. Darüber hinaus werden in Zukunft Methoden wie die des dynamischen Spektrumszugriffs die dynamischen Komponenten verschiedener heterogener Netzwerke in einer bisher unbekannten Weise miteinander verbinden. Es ist offensichtlich, dass hierdurch ein dringender Bedarf entstanden ist, theoretische Grundlagen zur Bewertung und Entwicklung von Optimierungs- und Kontrolllösungen für solche Systeme zu entwickeln. Die in dieser Arbeit dargestellten Studien stellen einen ersten Versuch dar, solche Grundlagen mit Hilfe von Verfahren der räumlichen Statistik, der theoretischen Physik und der Theorie dynamischer Systeme zu entwickeln. Der von uns gewählte Ansatz besteht darin, zuerst die theoretischen Grundlagen der erfolgsversprechensten Methoden darzulegen und sie im Folgenden auf eine Vielzahl von spezifischen Problemen der drahtlosen Kommunikation anzuwenden. In diversen Fällen bieten die vorgestellten Anwendungen zum ersten Mal quantitative Ergebnisse zu Struktur und Dynamik von vernetzten Systemen jenseits einfacher Mittelwertanalysen. Die gewonnenen Erkenntnisse können schwerpunktmäßig in die Kategorien „Knotenpositionen“, „Spektrumsnutzung“ und „Anwendung dynamischer Systemtechniken“ eingeteilt werden. Für erstere erarbeiten wir eine detaillierte Charakterisierung der Korrelationsstrukturen von Knotenpositionen für einige unterschiedliche Kommunikationssysteme, zeigen, wie diese mittels sogenannter Gibbs-Punktprozesse akkurat modelliert werden können, und untersuchen die Leistungsimplikationen der hergeleiteten Modelle. Im weiteren Verlauf wird ein umfassendes quantitatives Verständnis für die zeitliche und räumliche Nutzung von Funkspektrum entwickelt. Wir nutzen diese Modelle um alternative Methoden zur Bestimmung und Bewertung der Funkabdeckung für Netzplanungsanwendungen und Echtzeitanwendungen herzuleiten. Abschließend wenden wir Zustandsraumtechniken der modernen dynamischen Systemtheorie zur Charakterisierung der Komplexität von Netzwerkdynamiken an und entwickeln darüber hinaus systematische Methoden zur Evaluierung des Leistungseinflusses und der Sensitivität probabilistischer Modelle. Für jedes der drei Kerngebiete dieser Arbeit wurde ein starker Fokus auf die Verwendung echter Netzwerkdaten unterschiedlicher Quellen gelegt, die zum Teil durch Messkampagnen erhoben wurden an denen der Autor beteiligt war. Synthetische Modelle wie sie in der Literatur Verwendung finden wurden auch analysiert, allerdings hauptsächlich im Rahmen einer Gegenüberstellung. Ein große Vielfalt von Datensätzen von gewöhnlich sehr unterschiedlichen Kommunikationssystemen wurden von uns herangezogen um die wahren Grenzen der Anwendbarkeit der eingesetzten und entwickelten Methoden zu eruieren.

Wireless networks are going through a fundamental change. User-deployed and self-organizing networks are becoming key technologies to meet the exponentially increasing requirements for capacity. This implies a shift from carefully planned networks, for which basic feedback control techniques suffice for maintaining stability and good performance, towards deployment and analysis of more complex spatio-temporal networked dynamical systems. Further, techniques such as dynamic spectrum access will potentially couple the dynamics of multiple heterogeneous wireless systems together in a manner not present in current networks. There is accordingly an urgent need to develop the necessary theoretical foundations for reasoning about and developing optimization and control solutions for such systems. The work reported in this thesis comprises a first attempt at developing such foundations applying techniques developed in spatial statistics, theoretical physics and dynamical systems communities. The approach taken consists of both laying out the theoretical fundamentals of the methods that appear as most promising in dealing with the above mentioned challenges, and specifically applying them for a number of problems in the wireless communications domain. In several cases the presented applications yield first quantitative results on structure and dynamics of networked systems beyond simple mean value analyses. The obtained results can be divided into three categories, focusing on node locations, spectrum usage, and applications of dynamical systems techniques, respectively. First, we give detailed characterization of the correlation structures in network node locations for a number of different communication systems. We show how these can be modeled accurately using so-called Gibbs point process models originating from statistical physics and spatial statistics, and explore the performance implications of the derived models. Second, we develop an extensive quantitative understanding of usage of radio spectrum in both spatial and temporal domains, and use these models to arrive at alternative methods for estimating and reasoning about radio coverage for both off-line network planning applications as well as for online use. Third, we apply state space techniques from modern dynamical systems theory for characterization of complexity of network dynamics as well as for developing systematic techniques for evaluation of the performance impact and sensitivity of probabilistic models. For each of these three focus areas there is a strong emphasis on working with actual network data, obtained from different sources including some measurement campaigns to which the author has participated in. Synthetic models used in the literature are analyzed as well, but mainly by way of contrast. We have also attempted to cover as wide range of data sets as possible, usually obtained from completely different types of systems, in order to assess the true range of applicability for the methods utilized and developed.

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