Luotettavuus tulevaisuuden langattomissa koneidenvälisen viestinnän verkoissa

Tässä väitöskirjassa luodaan yhtenäiset käyttövarmuusteoreettiset puitteet tulevaisuuden langattomien verkkojen suunnitteluun ja arviointiin. Tämä tukee erittäin
luotettavaa, pieniviiveistä ja tietoturvallista viestintää, joka on olennaista teolliselle esineiden internetille (IIoT). Useat IIoT-sovellukset toimivat tiukoissa aikaraameissa,
joiden aikana pienimmätkään viestintähäiriöt eivät ole hyväksyttäviä. Perinteinen käsitys konetyyppisen viestinnän (MTC) luotettavuudesta jättää usein huomiotta langattomien häipymäkanavien aikasidonnaiset ominaispiirteet. Lisäksi aiempi kirjallisuus sivuuttaa pääosin häipymäkanavan ajallisen dynamiikan ja sen ratkaisevan vaikutuksen tehtäväkriittisiin sovelluksiin. Siksi työssä esitetään uusi teoreettinen viitekehys MTC-verkkojen tilastolliselle palvelunlaadulle (QoS) käyttövarmuusteoriaan perustuen. Tätä varten johdetaan uusia suljetun muodon lausekkeita (CFE) toisen kertaluvun tilastoille, kuten tasonylitystiheydelle (LCR) ja keskimääräiselle häipymäkestolle (AFD). Nämä tilastot auttavat määrittelemään tehtäväluotettavuuden ja keskimääräisen ajan ensimmäiseen vikaan (MTTFF) keskeisinä käyttövarmuuden mittareina, joilla luonnehditaan virheettömän tiedonsiirron todennäköisyyttä määritetyn tehtäväkeston aikana. Lisäksi laajennetaan perinteistä tehollista kapasiteettia (EC) tehtäväluotettavuuden ja MTTFF:n rajallisen lohkopituuden (FBL) yhdistämiseen toimintaympäristössä. Esitetään tehtäväkohtainen tehollinen kapasiteetti (mEC), joka ei riipu ainoastaan keskimääräisestä signaali-kohinasuhteesta (SNR), vaan tunnistaa myös häipymisen aiheuttamat vikatilanteet langattomassa häipyvässä kanavassa. Ehdotettua lähestymistapaa sovelletaan kahteen avainteknologiaan: i) mukautuvaan antennijärjestelmään (Fluid Antenna System, FAS), joka tarjoaa reaaliaikaisen tilallisen uudelleenkonfiguroinnin luotettavuuden, läpimenon ja energiatehokkuuden parantamiseksi, sekä ii) moniyhteydellisiin (MC) teollisiin langattomiin järjestelmiin. Purskeisen ja viiverajoitteisen liikenteen energiatehokkuuden mallintamiseen kehitetään FAS-järjestelmälle myös tehtäväkohtaisen tehollisen energiatehokkuuden (mEEE) mittari, jonka maksimointiin muotoillaan ei-konveksi murtolukuoptimointiongelma. Lisäksi analysoidaan tietoturvaa keskeisenä käyttövarmuuden komponenttina. Erityisesti tutkitaan fyysisen kerroksen tietoturvaa moniantennijärjestelmän (MIMO) moniantennisen salakuuntelijan skenaariossa, johon liittyy ystävällinen moniantenninen häirintälaite. Ehdotetulle skenaariolle johdetaan uusi ja tarkka suljetun muodon lauseke tietoturvakatkoksen todennäköisyydelle (SOP) ehdolla, että viesti todella lähetetään. Sivutuotteena tarjotaan yksinkertaisempi suljetun muodon lauseke tietoturvakatkoksen todennäköisyydelle silloin, kun kaikki solmut on varustettu yhdellä antennilla. Lisäksi työssä tutkitaan turvattua tehollista kapasiteettia ON-OFF-tyyppisessä tiedonsiirrossa häirinnässä, samalla kun analysoidaan massiivisen IoT-laitemäärän tuottamaa liikennettä Markov-lähteiden kautta.