ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΚΡΗΤΗΣ

Transcript

1 ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΚΡΗΤΗΣ ΜΕΤΡΟ 1.2 Κοινοπραξίες Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης σε τομείς Εθνικής Προτεραιότητας Παροχή υπηρεσιών τουριστικού και αρχαιολογικού ενδιαφέροντος μέσω πλατφόρμας επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης Κωδικός Έργου: ΚΡ_22 ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 09 Π09 Τεχνικές παράδοσης υπηρεσιών ενημέρωσης μέσω του δικτύου επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης και τεχνικές βελτίωσης ψηφιακών σφαιρικών απεικονίσεων Τελική Έκδοση Σελίδα 1 από 50

2 Συγγραφείς: Φορείς: Έκδοση: Μήνας Παράδοσης: Δρ. Ευάγγελος Πάλλης Δρ. Χαράλαμπος Μάντακας Δρ. Βασίλειος Ζαχαρόπουλος Γεώργιος Μαστοράκης Ευάγγελος Μαρκάκης Ανάργυρος Σιδέρης Κέντρο Τεχνολογικής Έρευνας Κρήτης Τελική Μ16 Ημερομηνία Παράδοσης: 04/11/07 Ενότητα Εργασίας: ΕΕ5 Copyright Κοινοπραξία ΠΑΣΙΦΑΗ, 2007 Τελική Έκδοση Σελίδα 2 από 50

3 Η κοινοπραξία του ΠΑΣΙΦΑΗ αποτελείται από: Εμπλοκή στο Έργο* Φορέας Συντομογραφία Φορέα Περιφέρεια Α Κέντρο Τεχνολογικής Έρευνας Κρήτης KTE Κρήτη Σ ΤΕΧΝΕΤΡΟΠΙΑ ΕΠΕ ΤΝΕΤ Κρήτη Σ Ίκαρος Ραδιοτηλεοπτικές Επιχειρήσεις Α.Ε. Κρήτη TV CTV Κρήτη *Α = Ανάδοχος Σ = Συνεργαζόμενος Τελική Έκδοση Σελίδα 3 από 50

4 Ιστορικό Παραδοτέου Ημερομηνία Έκδοση Φορέας Περιγραφή Έκδοσης 01/09/2007 Προσχέδιο v0.1 ΚΤΕ Κρήτης Δημιουργία 22/10/2007 Τελική ΚΤΕ Κρήτης Τελική Έκδοση Τελική Έκδοση Σελίδα 4 από 50

5 Περίληψη Το παραδοτέο Π09 του έργου ΠΑ.Σ.Ι.Φ.Α.Η. παρουσιάζει τις μεθόδους που θα χρησιμοποιηθούν για την αποδοτική παροχή των υπηρεσιών ενημέρωσης τουριστικού και αρχαιολογικού ενδιαφέροντος. Πιο συγκεκριμένα αναλύθηκαν τεχνικές push, για την παροχή πολυμεσικού περιεχομένου, τεχνικές πολυεκπομπής και streaming για την παροχή οπτικοακουστικών υπηρεσιών και τεχνικές κατά παραγγελία υπηρεσιών πολυμέσων, ήχου και εικόνας (video on demand, audio on demand). Επιπλέον πραγματοποιήθηκε μία συγκριτική μελέτη των υπαρχόντων πρωτοκόλλων πολυεκπομπής όπως για παράδειγμα τα PGM, RMTP, ARM και έγιναν οι απαραίτητες κινήσεις έτσι ώστε να επιτευχθεί η δημιουργία ενός αξιόπιστου δικτύου παροχής πολυμεσικών υπηρεσιών. Επίσης κατά τη διάρκεια της Ενότητας Εργασίας 5 μελετήθηκαν και εφαρμόσθηκαν τεχνικές οι οποίες οδηγούν στη βέλτιστη διαδικασία παραγωγής πληροφορίας μέσω των ψηφιακών σφαιρικών απεικονίσεων. Τελική Έκδοση Σελίδα 5 από 50

6 Περιεχόμενα 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός Παραδοτέου Γενική Επισκόπηση ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ PUSH SERVER ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΟΛΥ-ΕΚΠΟΜΠΗΣ Αρχιτεκτονική κεντρικού σημείου εκπομπής PUSH SERVER Εγκατάσταση συστήματος PUSH SERVER Έναρξη διεργασίας και αρχικοποίηση του HELIX SERVER Κομβικό σημείο ενεργού χρήστη Π.Α.Σ.Ι.Φ.Α.Η RealProducer ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Reliable Multicast Transport Protocol (RMTP) Pragmatic General Multicast Protocol (PGM) Active Reliable Multicast protocol (ARM) Συγκριτική αξιολόγηση των πρωτοκόλλων πολυεκπομπής ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΠΑΡΟΧΗ ΔΙΑΔΙΚΤΥΑΚΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ενσωμάτωση της τεχνολογίας DiffServ στο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης Αξιολόγηση της απόδοσης του DVB-T δικτύου παροχής διαφοροποιημένων υπηρεσιών 39 5 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΕΩΝ...42 Τελική Έκδοση Σελίδα 6 από 50

7 5.1 ΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ VORONOI ΚΑΙ Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΛΗΨΗΣ ΟΠΤΙΚΟ-ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ VORONOI ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ VORONOI ΣΤΗΝ ΕΥΡΕΣΗ ΠΙΘΑΝΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΛΗΨΗΣ ΟΠΤΙΚΟ-ΑΚΟΥΣΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΗΝ ΠΟΛΗ ΤΟΥ ΑΓΙΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΥ...46 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...50 Τελική Έκδοση Σελίδα 7 από 50

8 Λίστα Σχημάτων Σχήμα 1. Δικτυακή υποδομή Π.Α.Σ.Ι.Φ.Α.Η Σχήμα 2 Κεντρικό σημείο εκπομπής DVB-T Σχήμα 3 Αρχιτεκτονική κεντρικού σημείου εκπομπής Σχήμα 4 Αρχικοποίηση της εγκατάστασης Σχήμα 5 Παροχή Άδειας Χρήσης Σχήμα 6 Εύρεση Άδειας Χρήσης Σχήμα 7 Αποδοχή Όρων χρήσης Σχήμα 8 Επιλογή τοποθεσίας εγκατάστασης Σχήμα 9 Δημιουργία διαχειριστή εφαρμογής Σχήμα 10. Επιλογή πόρτας χρήσης για σύνδεση τύπου RTSP Σχήμα 11 Επιλογή πόρτας χρήσης για σύνδεση τύπου HTTP Σχήμα 12 Επιλογή πόρτας χρήσης για σύνδεση τύπου MMS Σχήμα 13 Επιλογή πόρτας χρήσης για σύνδεση του Administrator Σχήμα 14 Επιβεβαίωση Εγκατάστασης Σχήμα 15 Τερματισμός εγκατάστασης Σχήμα 16 Ενεργοποίηση διεργασίας HELIX SERVER Σχήμα 17 Ενεργοποιημένη διεργασία HELIX SERVER Σχήμα 18 Είσοδος στο σύστημα Σχήμα 19 Αρχική οθόνη HELIX SERVER Σχήμα 20 Ρυθμίσεις HELIX SERVER Σχήμα 21. Διάταξη Ενδιάμεσου Κόμβου Διανομής με Ασύρματο Κανάλι Επιστροφής Σχήμα 22 Αρχικοποίηση προγράμματος Σχήμα 23 Επιλογή βίντεο προς κωδικοποίηση Σχήμα 24 Επιλογή Format Σχήμα 25 Επιλογή PUSH SERVER Σχήμα 26 Έναρξη κωδικοποίησης Σχήμα 27 Broadcasting στον PUSH SERVER Σχήμα 28 Broadcasting στον PUSH SERVER Σχήμα 29 Monitoring του HELIX SERVER Σχήμα 30 DiffServ Edge Router και δίκτυο πρόσβασης Σχήμα 31 DiffServ Core Router στο DVB-T δίκτυο Σχήμα 32. Διάγραμμα Voronoi ενός τυχαίου συνόλου σημείων του επιπέδου Σχήμα 33. Τα δύο ημιεπίπεδα που ορίζονται από τη μεσοκάθετο του ευθύγραμμου τμήματος pq Τελική Έκδοση Σελίδα 8 από 50

9 Σχήμα 34. Χωρίο Voronoi v(p i ), όπου p i η μονάδα που βρίσκεται εντός της γραμμοσκιασμένης περιοχής Σχήμα 35. Διάγραμμα Voronoi συνόλου Ρ n μονάδων Σχήμα 36 Άποψη του Αγίου Νικολάου και των έξι επιλεχθέντων σημείων Σχήμα 37 Το διάγραμμα Voronoi για τα έξι επιλεχθέντα κρίσιμα σημεία στο οποίο είναι σημειωμένες και οι κορυφές των χωρίων Voronoi Σχήμα 38 Επιλογή εναλλακτικών σημείων λήψης μέσω του διαγράμματος Voronoi Τελική Έκδοση Σελίδα 9 από 50

10 Λίστα Πινάκων Πίνακας 1 Προδιαγραφές PUSH SERVER Πίνακας 2 Σύγκριση πρωτοκόλλων πολυεκπομπής Πίνακας 3 Αποστάσεις μεταξύ επιλεχθέντων σημείων στην πόλη του Αγίου Νικολάου Τελική Έκδοση Σελίδα 10 από 50

11 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Σκοπός Παραδοτέου Σκοπός του παραδοτέου Π09 «Τεχνικές παράδοσης υπηρεσιών ενημέρωσης μέσω του δικτύου επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης και τεχνικές βελτίωσης ψηφιακών σφαιρικών» είναι να παρουσιάσει, να αναλύσει και να επιδείξει συστήματα πολυεκπομπής και streaming για την παροχή οπτικοακουστικών υπηρεσιών και τεχνικές κατά παραγγελία υπηρεσιών πολυμέσων, ήχου και εικόνας. Πραγματοποιήθηκε μία συγκριτική αξιολόγηση των υπαρχόντων τεχνολογιών πολυεκπομπής και εφαρμόσθηκαν τεχνικές αποφυγής συμφόρησης και δίκαιης κατανομής των δικτυακών πόρων του συστήματος επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης με απώτερο σκοπό τη δημιουργία ενός αξιόπιστου δικτύου παροχής πολυμεσικών υπηρεσιών. Τέλος στην έκθεση αυτή θα παρουσιαστούν τεχνικές βελτίωσης των ψηφιακών σφαιρικών απεικονίσεων τουριστικού ενδιαφέροντος. 1.2 Γενική Επισκόπηση Το έργο ΠΑ.Σ.Ι.Φ.Α.Η. αποσκοπεί στην παροχή υπηρεσιών τουριστικού και αρχαιολογικού ενδιαφέροντος στην ευρύτερη περιοχή της πόλης του Ηρακλείου με τη χρήση μιας υποδομής επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης. Η υποδομή αυτή θα χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση του κατάλληλου πολυμεσικού και Διαδικτυακού περιεχομένου που θα απευθύνεται στους επισκέπτες τουρίστες αλλά και στους κατοίκους της πόλης. Πιο ειδικά οι υπηρεσίες που θα παρέχονται εμπίπτουν στις παρακάτω τρεις κατηγορίες όσον αφορά τον τύπο τους: Πολλαπλά ψηφιακά τηλεοπτικά προγράμματα MPEG-2 Διαδικτυακή τηλεόραση IP TV Διαδικτυακές υπηρεσίες πολυμέσων κατά απαίτηση Οι δύο τελευταίες κατηγορίες μπορούν να ενταχθούν σε μια ενιαία κατηγορία αυτή των IP υπηρεσιών. Για την αποδοτική παροχή αυτού του είδους υπηρεσιών, το έργο ΠΑ.Σ.Ι.Φ.Α.Η. αναλύει και χρησιμοποιεί τεχνικές τύπου Push για την υποστήριξη IP υπηρεσιών πολυμεσικού περιεχομένου. Επίσης τεχνολογίες πολυεκπομπής δεδομένων και streaming έχουν μελετηθεί και συγκριθεί με απώτερο σκοπό τη χρησιμοποίηση τους για την παροχή οπτικοακουστικών υπηρεσιών. Επιπλέον και για λόγους δίκαιης κατανομής του διαθέσιμου εύρους ζώνης και αξιόπιστης μετάδοσης των παρεχόμενων υπηρεσιών χρησιμοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν τεχνικές αποφυγής συμφόρησης του δικτύου καθώς και τεχνολογίες διαφοροποίησης των μεταδιδόμενων υπηρεσιών. Με την χρήση αυτού του είδους των τεχνολογιών το προτεινόμενο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης θα μπορεί να Τελική Έκδοση Σελίδα 11 από 50

12 διασφαλίσει την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών και να εγγυηθεί στους τελικούς χρήστες για την ορθή παράδοση των εκπεμπόμενων IP δεδομένων. Επίσης στο παρόν παραδοτέο θα μελετηθούν και θα εφαρμοσθούν τεχνικές οι οποίες θα οδηγούν στη βέλτιστη διαδικασία παραγωγής πληροφορίας μέσω των ψηφιακών σφαιρικών απεικονίσεων. Τελική Έκδοση Σελίδα 12 από 50

13 2 ΜΕΛΕΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ PUSH SERVER ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΟΧΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟΥ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΠΟΛΥ-ΕΚΠΟΜΠΗΣ. Η εξέλιξη των δικτύων και οι δυνατότητες που μας παρέχουν στο να αποστέλλουμε "σε πραγματικό χρόνο" από τον υπολογιστή μας videos και άλλα δεδομένα έχει σηματοδοτήσει τη δημιουργία μιας γκάμας τεχνολογιών για την δημιουργία, επεξεργασία αλλά και διανομή αυτών τον πολυμεσικών υπηρεσιών. Ιδιαίτερος λόγος γίνεται για την δυνατότητα στο να μπορούμε να παρέχουμε πολυμεσικό υλικό συνεχόμενα στους χρήστες έστω και εάν αυτοί δε βρίσκονται στον υπολογιστή τους. Η τεχνολογία αυτή ονομάζεται PUSH και καθίστα δυνατή την παροχή πολυμεσικού υλικό στους χρήστες σε πραγματικό χρόνο η μη με τη χρήση τεχνικών Video on Demand. Σε αυτό το κεφαλαίο παρουσιάζεται το προτεινόμενο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης του έργου ΠΑ.Σ.Ι.Φ.Α.Η. (Σχήμα 1) και αναλύονται οι αλλαγές που υλοποιηθήκαν έτσι ώστε να είναι εφικτή η παροχή πολυμεσικού υλικού στους χρήστες με την χρήση τεχνολογιών PUSH. Η προτεινομένη πλατφόρμα αποτελείται από δύο βασικά υποσυστήματα: α) ένα κεντρικό σημείο εκπομπής και β) δύο ενδιάμεσους κόμβους διανομής (Cell Main Nodes, CMN) οι οποίοι βρίσκονται μέσα στην περιοχή κάλυψης. Το κεντρικό σημείο εκπομπής βρίσκεται στις εγκαταστάσεις του Κέντρου Τεχνολογικής Έρευνας Κρήτης και οι δύο ενδιάμεσοι κόμβοι διανομής βρίσκονται σε επιλεγμένα σημεία μέσα στην πόλη του Ηρακλείου. Κάθε ενδιάμεσος κόμβος δίνει τη δυνατότητα σε έναν αριθμό τελικών χρηστών (γεωγραφικά κοντά στον κόμβο) να έχουν πρόσβαση σε Διαδικτυακές υπηρεσίες ενημέρωσης τουριστικού ενδιαφέροντος, πολυεκπεμπόμενο βίντεο (multicast video) και βίντεο κατά απαιτήση που θα προσφέρονται από το προτεινόμενο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης. Οι συγκεκριμένες υπηρεσίες ενθυλακώνονται μέσα στο κοινό ψηφιακό μπουκέτο και μεταδίδονται σε όλη την περιοχή εκπομπής μαζί με τα πολλαπλά ψηφιακά τηλεοπτικά προγράμματα σε μία κοινή ροή μεταφοράς η οποία σχηματίζει το τελικό τηλεοπτικό μπουκέτο. Η εκπομπή του μπουκέτου θα πραγματοποιείται σύμφωνα με το πρότυπο DVB-T και κάθε τελικός χρήστης θα λαμβάνει τις κατάλληλες δικτυακές υπηρεσίες μέσω του ενδιάμεσου κόμβου διανομής στον οποίο είναι συνδεδεμένος ενώ παράλληλα μπορεί να λαμβάνει τα πολλαπλά ψηφιακά προγράμματα από το κανάλι των UHF με τη χρήση συσκευής set-top-box /αποκωδικοποιητής DVB-T. Τελική Έκδοση Σελίδα 13 από 50

14 Εκπομπή UHF (DVB-T) Ενδιάμεσος Κόμβος Διανομής (Ασύρματο Κανάλι Επιστροφής) Κεντρικό Σημείο Εκπομπής Περιοχή Εκπομπής DVB-T Περιοχή Ασύρματου Δικτύου Υπόμνημα Ασύρματο κανάλι επιστροφής Εκπομπή DVB-T Περιοχή εκπομπής Κεραία Λήψης UHF Ενδιάμεσος Κόμβος Διανομής (Ενσύρματο Κανάλι Επιστροφής) Περιοχή Ασύρματου Δικτύου Κανάλι επιστροφής PSTN Σχήμα 1. Δικτυακή υποδομή Π.Α.Σ.Ι.Φ.Α.Η. 2.1 Αρχιτεκτονική κεντρικού σημείου εκπομπής Υιοθετώντας την αρχιτεκτονική του σχήματος 2 για την υλοποίηση του κεντρικού σημείου εκπομπής στο έργο ΠΑ.Σ.Ι.Φ.Α.Η. δημιουργείται η δυνατότητα λήψης Διαδικτυακών δεδομένων (αιτήσεις/επιβεβαιώσεις) από τα κανάλια επιστροφής για την παροχή πολυμεσικών υπηρεσιών κατά απαίτηση στους τελικούς χρήστες που βρίσκονται μέσα στην περιοχή κάλυψης των ενδιάμεσων κόμβων διανομής. Οι Διαδικτυακές και πολυμεσικές υπηρεσίες ενθυλακώνονται και εκπέμπονται μαζί με τα πολυπλεγμένα ψηφιακά τηλεοπτικά προγράμματα σε όλη την περιοχή εκπομπής του DVB-T ενώ στα πλαίσια αυτά η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική του σχήματος 2 δίνει τη δυνατότητα: Λήψης Διαδικτυακών δεδομένων από τους τελικούς χρήστες για την παροχή υπηρεσιών κατά απαίτηση με τη χρήση επίγειων καναλιών επιστροφής. Λήψης πολυεκπεμπόμενου βίντεο(multicast video) και βίντεο κατά απαίτηση. Εκπομπής πολλαπλών ψηφιακών τηλεοπτικών προγραμμάτων στην περιοχή κάλυψης της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης. Τελική Έκδοση Σελίδα 14 από 50

15 Μετάδοσης μίας κοινής ροής μεταφοράς η οποία μεταφέρει τις Διαδικτυακές υπηρεσίες που προορίζονται για τους ενδιάμεσους κόμβους διανομής (βρίσκονται μέσα στην περιοχή εκπομπής DVB-T) και τα ψηφιακά προγράμματα. Η συσκευή ενθυλάκωσης/πολυπλεξίας μπορεί να λαμβάνει δεδομένα IP και να τα προσαρμόζει σε κίνηση MPEG-2 δημιουργώντας έτσι μία τελική ροή μεταφοράς η οποία εκπέμπεται σε όλη την πόλη με βάση το πρότυπο DVB-T (τεχνική μετάδοσης COFDM στις συχνότητες των UHF). Πολυμεσικό Διαδικτυακό Υλικό PUSH Server Real VoD OffLine VoD Server Internet Κανάλια Επιστροφής Δέκτης 1 Δέκτης 2 IP IP Εκπομπή UHF Τοπικό Δίκτυο IP Ψηφιακά Τηλεοπτικά Προγράμματα Πολυπλέκτης/Ενθυλακωτής (TV+IP) TS DVB-T Tx Σχήμα 2 Κεντρικό σημείο εκπομπής DVB-T Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του κεντρικού σημείου εκπομπής το οποίο περιλαμβάνει την αλυσίδα μετάδοσης του DVB-T. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει τα διαδικτυακά δεδομένα επιστροφής από τους ενδιάμεσους κόμβους διανομής τα οποία περιλαμβάνουν τις αιτήσεις και τις επιβεβαιώσεις των τελικών χρηστών που θα είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο πρόσβασής αυτών των κόμβων. Έτσι θα υπάρχει η δυνατότητα ο τελικός χρηστής που βρίσκεται μέσα στα όρια εκπομπής του ασύρματου δικτύου το οποίο δημιουργεί ο ενδιάμεσος κόμβος διανομής να λαμβάνει όλες τις υπηρεσίες που του προσφέρονται από την Πλατφόρμα Π.Α.Σ.Ι.Φ.Α.Η. Τα κανάλια επιστροφής θα υλοποιηθούν με σύνδεση PSTN για τον ένα κόμβο και με ασύρματη ζεύξη για τον δεύτερο κόμβο. Η κίνηση των δεδομένων επιστροφής που προέρχονται από τους κόμβους πραγματοποιείται μόνο προς την κατεύθυνση από τον κόμβο προς το κεντρικό σημείο εκπομπής και αυτό θα υλοποιηθεί με τις κατάλληλες ρυθμίσεις του τοίχου προστασίας που θα χρησιμοποιηθεί για αυτόν το σκοπό. Όλες οι πολυμεσικές υπηρεσίες θα επιστρέφουν με αυτόν τον τρόπο ενθυλακωμένες εκπεμπόμενες στα UHF μέσω της κοινής ροής μεταφοράς MPEG-2 του DVB-T και όχι μέσω των καναλιών επιστροφής που αποτελούν κανάλια με χαμηλό ρυθμό μετάδοσης. Οι υπηρεσίες αυτές θα λαμβάνονται έτσι από τους ενδιάμεσους κόμβους διανομής και θα προωθούνται στους τελικούς χρήστες που θα είναι συνδεδεμένοι στο ασύρματο δίκτυο πρόσβασης τους, το οποίο έχει υλοποιηθεί στα πλαίσια του έργου. Οι υπηρεσίες αυτές περιλαμβάνουν την παροχή Διαδικτυακές υλικού ενημέρωσης τουριστικού ενδιαφέροντος, πολυεκπεμπόμενο βίντεο (multicast video) και βίντεο κατά απαίτηση στο Τελική Έκδοση Σελίδα 15 από 50

16 οποίο οι τελικοί χρήστες θα έχουν πρόσβαση με τη χρήση απλών φορητών Η/Υ εφόσον θα βρίσκονται μέσα στην περιοχή κάλυψης του δικτύου πρόσβασης του ενδιάμεσου κόμβου διανομής. Το περιεχόμενο αυτό θα βρίσκεται αποθηκευμένο σε κατάλληλη μορφή στους εξυπηρετητές πολυμεσικού και διαδικτυακού περιεχομένου (Πολυμεσικό Διαδικτυακό Υλικό, PUSH Server Real VoD και OffLine VoD Server) ενώ με τον ίδιο τρόπο οι τελικοί χρήστες θα έχουν επίσης τη δυνατότητα πρόσβασης στο Διαδίκτυο. Παράλληλα όλοι οι χρήστες που θα βρίσκονται μέσα στην περιοχή κάλυψης του DVB-T στην ευρύτερη περιοχή του Ηρακλείου θα έχουν τη δυνατότητα λήψης πολλαπλών ψηφιακών τηλεοπτικών προγραμμάτων με την κατάλληλη συσκευή/αποκωδικοποιητή. Το περιεχόμενο αυτό θα αποτελεί πολυμεσικό υλικό ενημέρωσης αρχαιολογικού και πολιτιστικού ενδιαφέροντος. Σχήμα 3 Αρχιτεκτονική κεντρικού σημείου εκπομπής Τελική Έκδοση Σελίδα 16 από 50

17 2.2 PUSH SERVER Στα πλαίσια του προγράμματος Π.Α.Σ.Ι.Φ.Α.Η μελετήθηκε η τροποποίηση του κεντρικού σημείου εκπομπής προκειμένου να προστεθεί ένας PUSH SERVER για να παρέχει πολυμεσικό υλικό στους τελικούς χρήστες. Ο PUSH SERVER τοποθετήθηκε στο κεντρικό σημείο εκπομπής όπως παρουσιάζεται στο σχήμα Εγκατάσταση συστήματος PUSH SERVER. Για τη λειτουργία του PUSH SERVER χρησιμοποιήθηκε ένα PC με τις εξής προδιαγραφές: Επεξεργαστής Λειτουργικό Σύστημα Μνήμη Σκληρός Δίσκος Κάρτα Γραφικών Κάρτα Δικτύου Intel Core 2 DUO MB FSB 1066MHz Microsoft Windows server 2003 enterprise edition 1GB DDR-2 DIMM PC MH WESTERN DIGITAL 16 MB 320 GB NVIDIA 7600 GT PCI E 16X 256 MB 10/100/1000 Mbps Πίνακας 1 Προδιαγραφές PUSH SERVER Για τη δημιουργία του PUSH SERVER επιλέχθηκε η εγκατάσταση του Helix server από την RealNetworks, Inc. Ο Helix Server είναι η τελευταία έκδοση της πλατφόρμας της RealNetwork για τη μετάδοση πολυμέσων. Υποστηρίζει πολλά διαφορετικά πρότυπα βίντεο με αποτέλεσμα να μη δεσμεύει το χρήστη σε κάποια συγκεκριμένη τεχνολογία. Επιπλέον, υποστηρίζει τη μετάδοση με πολλαπλή εκπομπή, δίνοντας τη δυνατότητα εξυπηρέτησης απεριόριστου αριθμού χρηστών για την εξοικονόμηση bandwidth. Παρακάτω παρουσιάζονται τα βήματα εγκατάστασης του Helix Server. Τελική Έκδοση Σελίδα 17 από 50

18 Βήμα 1 ο : Σχήμα 4 Αρχικοποίηση της εγκατάστασης Βήμα 2 ο : Σχήμα 5 Παροχή Άδειας Χρήσης Τελική Έκδοση Σελίδα 18 από 50

19 Βήμα 3 ο : Σχήμα 6 Εύρεση Άδειας Χρήσης Βήμα 4 ο : Σχήμα 7 Αποδοχή Όρων χρήσης Τελική Έκδοση Σελίδα 19 από 50

20 Βήμα 5 ο : Σχήμα 8 Επιλογή τοποθεσίας εγκατάστασης Βήμα 6 ο : Σχήμα 9 Δημιουργία διαχειριστή εφαρμογής Τελική Έκδοση Σελίδα 20 από 50

21 Βήμα 7 ο : Σχήμα 10. Επιλογή πόρτας χρήσης για σύνδεση τύπου RTSP Βήμα 8 ο : Σχήμα 11 Επιλογή πόρτας χρήσης για σύνδεση τύπου HTTP Τελική Έκδοση Σελίδα 21 από 50

22 Βήμα 9 ο : Σχήμα 12 Επιλογή πόρτας χρήσης για σύνδεση τύπου MMS Βήμα 10 ο : Σχήμα 13 Επιλογή πόρτας χρήσης για σύνδεση του Administrator Τελική Έκδοση Σελίδα 22 από 50

23 Βήμα 11 ο : Σχήμα 14 Επιβεβαίωση Εγκατάστασης Βήμα 12 ο : Σχήμα 15 Τερματισμός εγκατάστασης Τελική Έκδοση Σελίδα 23 από 50

24 2.2.2 Έναρξη διεργασίας και αρχικοποίηση του HELIX SERVER Μετά την εγκατάσταση του HELIX SERVER ενεργοποιείται η διεργασία (σχήματα 16-17) του και ρυθμίζεται προκειμένου να χρησιμοποιηθεί για να κάνει PUSH όποιο βίντεο σταλθεί από τους ενεργούς χρήστες που βρίσκονται στο CMN με ασύρματο κανάλι επιστροφής. Σχήμα 16 Ενεργοποίηση διεργασίας HELIX SERVER Σχήμα 17 Ενεργοποιημένη διεργασία HELIX SERVER Τελική Έκδοση Σελίδα 24 από 50

25 Για τη ρύθμιση του HELIX SERVER χρειάζεται να εισέρθουμε στο σύστημα (σχήματα 18-19) προκείμενου να ενεργοποιήσουμε συγκεκριμένες ρυθμίσεις (σχήμα 20) για την παροχή των υπηρεσιών από του χρήστες που βρίσκονται στους κόμβους της πλατφόρμας Π.Α.Σ.Ι.Φ.Α.Η. Σχήμα 18 Είσοδος στο σύστημα Σχήμα 19 Αρχική οθόνη HELIX SERVER Τελική Έκδοση Σελίδα 25 από 50

26 Σχήμα 20 Ρυθμίσεις HELIX SERVER Η προτεινόμενη πλατφόρμα υποστηρίζει τη δυνατότητα αποθήκευσης και μετάδοσης video κατ απαίτηση κωδικοποιημένο στα περισσότερα από τα διεθνή ανοιχτά και όχι μόνο πρότυπα. Συγκεκριμένα, υποστηρίζονται τα παρακάτω προτύπα: Real Video 8, SMIL 2, Flash 4, QuickTime, Real Video 9, MPEG 1 (ISO/IEC 1172), MPEG 4 (ISMA), Windows Media Video. Υποστηρίζεται η ζωντανή μετάδοση ροών τύπου Windows Media Video. Για την κωδικοποίηση του βίντεο και τη μετάδοση του προς το server χρησιμοποιείται ο Windows Media Encoder, ενώ για τη μετάδοση του υλικού προς τους χρήστες ο Helix Server. Η μετάδοση μπορεί να είναι είτε PUSH technology είτε unicast είτε multicast και τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται είναι τα mms και http. Ο τελικός χρήστης μπορεί να παρακολουθήσει τη μετάδοση από το Windows Media Player. Υποστηρίζεται η ζωντανή μετάδοση ροών τύπου MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4 με το πρωτόκολλο rtsp. Για την κωδικοποίηση του βίντεο και τη μετάδοση του προς το server πρέπει να χρησιμοποιηθούν τα κατάλληλα εργαλεία, για παράδειγμα Quicktime Broadcaster ή MPEG4-IP, ενώ τη μετάδοση/προώθηση του υλικού προς τους χρήστες αναλαμβάνει ο Helix Server. Ο τελικός χρήστης μπορεί να παρακολουθήσει τη μετάδοση μέσα από το Real Player ή το QuickTime Τελική Έκδοση Σελίδα 26 από 50

27 Player για τα αρχεία τύπου MPEG 1 και MPEG 4, ενώ για τα αρχεία τύπου MPEG 2 πρέπει να χρησιμοποιηθεί κάποιος MPEG 2 Player (π.χ. Elecard MPEG-2 Player). Υποστήριξη scalable multicast, δηλαδή multicast μετάδοση του υλικού από το server χωρίς κανενός είδους επικοινωνία ανάμεσα στο server και στους clients. Με την υποστήριξη του scalable multicast από το server ουσιαστικά δεν υπάρχει κανένας περιορισμός στο bandwidth της μετάδοσης. Το βίντεο υλικό μπορεί να είναι σε οποιαδήποτε μορφή και είτε να διατίθεται on demand, είτε να μεταδίδεται ζωντανά από αυτόν, είτε προωθείτε με την χρήση PUSH technology. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα multicast μεταδόσεων που οδηγεί σε σημαντική εξοικονόμηση bandwidth. Η χρήση της τεχνολογίας Real είναι αξιόπιστη και φιλική προς το χρήστη και το διαχειριστή. Επιπλέον είναι συμβατή με τα περισσότερα λειτουργικά συστήματα 2.3 Κομβικό σημείο ενεργού χρήστη Π.Α.Σ.Ι.Φ.Α.Η. Η γενική διάταξη ενός ενδιάμεσου κόμβου διανομής με ασύρματο κανάλι επιστροφής παρουσιάζεται στο σχήμα 21. Το δίκτυο πρόσβασης στις αμφίδρομες υπηρεσίες δημιουργείται σε αυτή τη διάταξη με τη χρήση ασύρματης ζεύξης σύμφωνα με το πρότυπο IEEE b/g. Ένα τέτοιο ασύρματο δίκτυο πρόσβασης επιτρέπει την point-to-multipoint επικοινωνία του τελικού χρήστη με τον ενδιάμεσο κόμβο σε αρχιτεκτονική κυψέλης. Οι διαδραστικοί χρήστες έχουν έτσι τη δυνατότητα να ζητούν τις πολυμεσικές υπηρεσίες οι οποίες προσφέρονται από το δίκτυο της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης, αλλά και να παράγουν και να προωθούν στον PUSH SERVER τις πολυμεσικές υπηρεσίες που έχουν δημιουργήσει οι ίδιοι. Τελική Έκδοση Σελίδα 27 από 50

28 Ενδιάμεσος Κόμβος Διανομής Εκπομπή DVB-T (Προγράμματα TV + Δεδομένα IP) Κεραία Λήψης UHF UHF/OFDM Δεκτής Κεντρικό Σημείο Εκπομπής Ασύρματο Κανάλι Επιστροφής Διαμορφωτής Μετατροπέας MPEG-2 Ροής Μεταφοράς σε IP δεδομένα IP Δρομολογητής Ροή Μεταφοράς DVB-T MPEG-2 αποπολυπλέκτης \ ETHERNET 1 st σημείο πρόσβασης ασύρματου δικτύου Ν st σημείο πρόσβασης ασύρματου δικτύου Ασύρματη κάρτα Κεραία Λήψης UHF Αποκωδικοποιητής Ασύρματη κάρτα Ασύρματη κάρτα Η/Υ TV Η/Υ Η/Υ Διαδραστικός Χρήστης Παθητικός Δεκτής Τηλεόρασης Διαδραστικός Χρήστης Διαδραστικός Χρήστης Σχήμα 21. Διάταξη Ενδιάμεσου Κόμβου Διανομής με Ασύρματο Κανάλι Επιστροφής Ο διαδραστικός χρηστής προκείμενου να μπορέσει νa προωθήσει το πρόγραμμα προς τον PUSH SERVER το μονό που χρειάζεται είναι το κατάλληλο πρόγραμμα προκείμενου να δημιουργεί και να αποστέλλει το βίντεο προς τον PUSH SERVER στη πλατφόρμα Π.Α.Σ.Ι.Φ.Α.Η. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκε ο RealProducer από την RealNetworks RealProducer Ο RealProducer είναι το εργαλείο της πλατφόρμας Real με το οποίο οι χρήστες μπορούν να ψηφιοποιήσουν το βίντεο υλικό τους κατά real video ή να πραγματοποιήσουν μία ζωντανή μετάδοση μέσω του HELIX Server. Το εργαλείο αυτό έχει τη δυνατότητα να μετατρέπει πολυμεσικά αρχεία σε αρχεία τύπου rm, ή να κάνει capture βίντεο και είτε να το αποθηκεύει τοπικά σε αρχεία τύπου rm είτε να το μεταδίδει ζωντανά μέσω ενός HELIX Server είτε να το προωθεί στoν HELIX Server με την τεχνολογία PUSH. Παρακάτω παρουσιάζονται τα βήματα κωδικοποίησης και προώθησης ενός βίντεο. Τελική Έκδοση Σελίδα 28 από 50

29 Βήμα 1ο Βήμα 2ο Σχήμα 22 Αρχικοποίηση προγράμματος Σχήμα 23 Επιλογή βίντεο προς κωδικοποίηση Τελική Έκδοση Σελίδα 29 από 50

30 Βήμα 3 ο Σχήμα 24 Επιλογή Format Βήμα 4ο Σχήμα 25 Επιλογή PUSH SERVER Τελική Έκδοση Σελίδα 30 από 50

31 Βήμα 5ο Βήμα 6ο Σχήμα 26 Έναρξη κωδικοποίησης Σχήμα 27 Broadcasting στον PUSH SERVER Τελική Έκδοση Σελίδα 31 από 50

32 Σχήμα 28 Broadcasting στον PUSH SERVER Βήμα 7ο Σχήμα 29 Monitoring του HELIX SERVER Τελική Έκδοση Σελίδα 32 από 50

33 3 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ ΠΟΛΥΕΚΠΟΜΠΗΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πρωτόκολλα πολυεκπομπής Active Reliable Multicast (ARM), Pragmatic General Multicast (PGM) και Reliable Multicast Transport Protocol (RMTP), τα οποία χρησιμοποιούνται για την αξιόπιστη μετάδοση υπηρεσιών σε ομάδες χρηστών. Πιο ειδικά και για κάθε ένα από αυτά τα πρωτόκολλα θα δοθεί μία γενική περιγραφή όπου θα παρουσιάζεται ο τρόπος λειτουργίας τους. Εν συνεχεία θα ακολουθήσει η συγκριτική τους αξιολόγηση σε τομείς όπως της αξιοπιστίας, επεκτασιμότητας και διόρθωσης σφαλμάτων. 3.2 Reliable Multicast Transport Protocol (RMTP) Το RMTP είναι ένα πρωτόκολλο πολλαπλής διανομής, το οποίο παρέχει αξιόπιστη μετάδοση των υπηρεσιών στο Διαδίκτυο δίνοντας τη δυνατότητα αποστολής δεδομένων σε μια ομάδα δεκτών χωρίς απώλειες. Για να το πετύχει αυτό το RMTP βασίζεται σε μια ιεραρχική προσέγγιση πολλαπλών επιπέδων κατά την οποία οι δέκτες που βρίσκονται στην ίδια περιοχή συγκροτούνται σε κοινή ομάδα. Σε κάθε συγκροτούμενη ομάδα ένα μέλος της ορίζεται σαν ο δέκτης της ομάδας (Designated Receiver-DR). Με αυτό τον τρόπο οι απλοί χρήστες κάθε ομάδας στέλνουν περιοδικά επιβεβαιώσεις για την λήψη των δεδομένων στον αντίστοιχο DR τους, ο οποίος με την σειρά του στέλνει επιβεβαιώσεις σε DRs υψηλότερου επιπέδου από αυτόν. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι τον υψηλότερου επιπέδου DR ο οποίος με την σειρά του στέλνει τις επιβεβαιώσεις στον αποστολέα των δεδομένων. Οι DRs χρησιμοποιούν μια προσωρινή μνήμη για να αποθηκεύουν τα εισερχόμενα δεδομένα έτσι ώστε σε περίπτωση που κάποιος χρήστης -ο οποίος ανήκει στην περιοχή ευθύνης του εκάστοτε DR- ζητήσει την επανεκπομπή ομάδας δεδομένων να τα μεταδώσει ο DR και όχι ο αποστολέας των δεδομένων. Με αυτή την τεχνική η διατερματική καθυστέρηση σε περίπτωση επανεκπομπής λόγω απωλειών μειώνεται σε μεγάλο ποσοστό. Επιπλέον και για την επίτευξη υψηλότερου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων το RMTP χρησιμοποιεί ένα μηχανισμό επανεκπομπής ο οποίος βασίζεται στην επιλεκτική επανάληψη της μετάδοσης των χαμένων πακέτων. Σε πρακτικό επίπεδο το RMTP έχει εφαρμοστεί στο MBone (πολλαπλής διανομής Backbone), και οι μετρήσεις απόδοσής του στο διαδίκτυο είναι πολύ ενθαρρυντικές. Τελική Έκδοση Σελίδα 33 από 50

34 3.3 Pragmatic General Multicast Protocol (PGM) Τo PGM είναι ένα αξιόπιστο πρωτόκολλο μεταφοράς δεδομένων με την μέθοδο της πολυεκπομπής. Το πρωτόκολλο αυτό χρησιμοποιείται από τις εφαρμογές που απαιτούν: α) διατεταγμένη ή μη, β) χωρίς πολλαπλά αντίγραφα, μετάδοση πακέτων δεδομένων από πολλαπλές πηγές σε πολλαπλούς δέκτες. Το εν λόγω πρωτόκολλο σχεδιάστηκε ώστε να είναι απλό στη λειτουργία του παίρνοντας ταυτόχρονα υπόψη παραμέτρους όπως η επεκτασιμότητα και αποδοτικότητα των δικτύων. Σε αντίθεση με άλλα πρωτόκολλα πολλαπλής διανομής το PGM δεν υποστηρίζει την έννοια της ιδιότητας μέλους ομάδας. Η λειτουργία του έγκειται απλά στην παράδοση πακέτων μέσα σε ένα χρονικό παράθυρο μετάδοσης από την πηγή των δεδομένων προς τον προορισμό. Πιο συγκεκριμένα η αξιόπιστη παράδοση παρέχεται μέσα στο παράθυρο μετάδοσης της πηγής από το χρόνο που ένας δέκτης προσχωρεί στην ομάδα που δέχεται την συγκεκριμένη υπηρεσία έως ότου αυτός αναχωρήσει. Επιπλέον το πρωτόκολλο εγγυάται ότι ένας χρήστης στην ομάδα είτε λαμβάνει όλα τα πακέτα δεδομένων από τις μεταδόσεις ή είναι σε θέση να ανιχνεύσει τη μη επανακτήσιμη απώλεια πακέτων δεδομένων. Το PGM υποστηρίζει οποιοδήποτε αριθμό πηγών μέσα σε ομάδα μια πολλαπλής διανομής. Κάθε πηγή προσδιορίζεται πλήρως από ένα παγκόσμια μοναδικό «προσδιοριστικό συνόδου μεταφορών» (Transport Session Identifier- TSI). Το PGM δεν προορίζεται για χρήση σε εφαρμογές που εξαρτώνται είτε από την επιβεβαιωμένη παράδοση των πακέτων δεδομένων μίας υπηρεσίας σε μια γνωστή ομάδα παραληπτών, είτε από την ολική ταξινόμηση των πακέτων που εκπέμπονται από πολλαπλές πηγές. Αντιθέτως είναι καταλληλότερο για εκείνες τις εφαρμογές πολλαπλής διανομής των οποίων τα μέλη: α) μπορούν να πάρουν μέρος και να φύγουν από μια ομάδα οποιαδήποτε στιγμή, β) μένουν ανεπηρέαστα στην περίπτωση που οι απώλειες πακέτων δεδομένων είναι μη αναστρέψιμες, ή προσφεύγουν στην εφαρμογή για την ανάκτηση των χαμένων πακέτων. Τέλος, μέσω των προαιρετικών επεκτάσεών του, το PGM παρέχει συγκεκριμένους μηχανισμούς για να υποστηρίξει ετερογενείς υπηρεσίες όπως αυτές της ενημέρωσης για τις τιμές των μετοχών, ειδήσεων, εικονοδιάσκεψης, μεταφοράς αρχείων και μεταφοράς video και ήχου στον ελάχιστο δυνατό χρόνο. 3.4 Active Reliable Multicast protocol (ARM) Το πρωτόκολλο ARM σχεδιάστηκε με σκοπό να χρησιμοποιηθεί για εκπομπές πολλαπλής διανομής σε μεγάλη κλίμακα. Το πρωτόκολλο αυτό είναι «ενεργό» υπό την έννοια ότι οι δρομολογητές που το υποστηρίζουν διαδραματίζουν ενεργό ρόλο στην ανάκαμψη του δικτύου από απώλειες πακέτων οι οποίες έχουν λάβει χώρα μέσα στο διαμορφούμενο δένδρο πολλαπλής εκπομπής. Επιπλέον το ARM αξιοποιεί επιπλέον αποθηκευτικούς χώρο μέσα στο δίκτυο ώστε να βελτιώσει την αποδοτικότητα και επεκτασιμότητα. Για την επανεκπομπή των χαμένων πακέτων το πρωτόκολλο χρησιμοποιεί ένα μηχανισμό αρνητικών επιβεβαιώσεων (Negative Acknowledgments-NACK). Πιο συγκεκριμένα στη διαδρομή από τους δέκτες έως Τελική Έκδοση Σελίδα 34 από 50

35 την πηγή των υπηρεσιών οι δρομολογητές καταστέλλουν τυχόν πολλαπλά αντίγραφα ενός NACK τα οποία προέρχονται από διαφορετικούς δέκτες της ίδιας υπηρεσίας. Με αυτό τον τρόπο αποφεύγεται η επιβάρυνση του δικτύου αλλά και της πηγής από περιττή πληροφορία. Στη διαδρομή από την πηγή των υπηρεσιών μέχρι τους δέκτες, οι δρομολογητές ελέγχουν τον ρυθμό μετάδοσης των διορθωμένων πακέτων στου χρήστες που έχουν υποστεί απώλειες. Με αυτό τον τρόπο το ARM περιορίζει την κατανάλωση του εύρους ζώνης του δικτύου. Επιπλέον για να μειωθεί ο χρόνος επανεκπομπής και για να διαμοιραστεί ο επιπλέον φόρτος στο δίκτυο που αυτή η διαδικασία επιφέρει, οι δρομολογητές αποθηκεύουν προσωρινά σε μία μνήμη τα δεδομένα πολυεκπομπής βασιζόμενα σε μια best-effort προσέγγιση. Το ARM δεν απαιτεί από όλους του κόμβους που συμμετέχουν σε ένα δένδρο πολλαπλής εκπομπής ούτε απαιτεί από τους δρομολογητές ή τους δέκτες να υποστηρίζουν και εκτελέσουν τις απαραίτητες ενέργειες για την επανάκαμψη από απώλειες δεδομένων. Από αναλύσεις και αποτελέσματα προσομοιώσεων έχει αποδειχτεί ότι ακόμα και στην περίπτωση που λιγότεροι από τους μισούς δρομολογητές μέσα το δένδρο πολυεκπομπής υποστηρίζουν το ARM πρωτόκολλο το όφελος που αποκομίζεται είναι σημαντικό. 3.5 Συγκριτική αξιολόγηση των πρωτοκόλλων πολυεκπομπής Η συγκριτική αξιολόγηση των παραπάνω πρωτοκόλλων πολυεκμπομπής παρατίθεται στον παρακάτω πίνακα. Από αυτόν προκύπτει ότι παρόλο που όλα τα πρωτόκολλα παρέχουν αξιοπιστία στη μετάδοση δεδομένων το πρωτόκολλο PGM συγκεντρώνει όλα τα θετικά στοιχεία που προκύπτουν από την χρήση των άλλων πρωτοκόλλων και επιπλέον λόγω της απλότητας στη σχεδίαση του και σε συνδυασμό με την υψηλή παραμετροποίηση του, αξιοποιεί πλήρως τους διαθέσιμους δικτυακούς πόρους. Τέλος το πρωτόκολλο αυτό επιτρέπει την επεκτασιμότητα του δικτύου χωρίς αυτό να επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του. RMTP ARM PGM Επεκτασιμότητα ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΕΠΕΚΤΑΣΙΜΟΤΗΤΑΣ ΣΕ ΕΤΕΡΟΓΕΝΗ ΔΙΚΤΥΑ. ΝΑΙ ΝΑΙ Αξιοπιστία ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ Επίπεδο υλοποίησης ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Πολυπλοκότητα ΥΨΗΛΗ ΜΕΤΡΙΑ ΧΑΜΗΛΗ Τελική Έκδοση Σελίδα 35 από 50

36 Εγγύηση Παράδοσης ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ Εγγύηση Παράδοσης πακέτων σε ορθή σειρά Εγγύηση Απουσίας Διπλότυπων πακέτων ΝΑΙ ΝΑΙ ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΙΣ ΕΠΙΛΟΓΕΣ ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ Πίνακας 2 Σύγκριση πρωτοκόλλων πολυεκπομπής Τελική Έκδοση Σελίδα 36 από 50

37 4 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΠΑΡΟΧΗ ΔΙΑΔΙΚΤΥΑΚΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το έργο ΠΑ.Σ.Ι.Φ.Α.Η. αποσκοπεί στην παροχή υπηρεσιών τουριστικού και αρχαιολογικού ενδιαφέροντος στην ευρύτερη περιοχή της πόλης του Ηρακλείου με τη χρήση μίας δικτυακής υποδομής επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης για τη μετάδοση του κατάλληλου πολυμεσικού και Διαδικτυακού περιεχομένου που θα απευθύνεται στους επισκέπτες τουρίστες αλλά και στους κατοίκους της πόλης. Πιο συγκεκριμένα οι υπηρεσίες που θα παρέχονται εμπίπτουν στις παρακάτω τρεις κατηγορίες όσον αφορά τον τύπο τους: Πολλαπλά ψηφιακά τηλεοπτικά προγράμματα MPEG-2 Διαδικτυακή τηλεόραση IP TV Διαδικτυακές υπηρεσίες πολυμέσων κατά απαίτηση. Οι δύο τελευταίες κατηγορίες μπορούν να ενταχθούν σε μια ενιαία κατηγορία αυτή των IP υπηρεσιών. Για την ορθή παράδοση των υπηρεσιών αυτών, μια σειρά από κριτήρια όπως η καθυστέρηση μετάδοσης (one way delay), η διακύμανση αυτής της καθυστέρησης (jitter), οι απώλειες (lost packets) και η ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων (throughput) πρέπει να διασφαλιστούν. Για τον σκοπό αυτό αλλά και για λόγους δίκαιης κατανομής του διαθέσιμου εύρους ζώνης και αποφυγής τυχών συμφορήσεων στο προτεινόμενο δίκτυο παροχής υπηρεσιών χρησιμοποιήθηκε η τεχνολογία διαφοροποιημένων υπηρεσιών (Differentiated Services-DiffServ) πάνω από το προτεινόμενο δίκτυο παροχής υπηρεσιών τουριστικού και αρχαιολογικού περιεχομένου. 4.2 Ενσωμάτωση της τεχνολογίας DiffServ στο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης Για την ενσωμάτωση της τεχνολογίας DiffServ στην προτεινόμενη δικτυακή υποδομή της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης κάθε ενδιάμεσος κόμβος διανομής θεωρείται σαν είσοδος σε μια περιοχή η οποία υποστηρίζει τη διαφοροποίηση υπηρεσιών. Πιο συγκεκριμένα και όπως απεικονίζεται και στο παρακάτω σχήμα κάθε κόμβος διανομής εκτελεί τις λειτουργίες ενός δρομολογητή εισόδου σε περιοχή που υποστηρίζει την διαφοροποίηση υπηρεσιών (DiffServ Edge Router-DER). Ο εν λόγω δρομολογητής τροποποιεί το πεδίο διαφοροποίησης υπηρεσιών κάθε IP πακέτου εισάγοντας σε αυτό μια συγκεκριμένη τιμή, η οποία είναι συσχετισμένη με τα κριτήρια ορθής παράδοσης της υπηρεσίας στην οποία ανήκουν τα Τελική Έκδοση Σελίδα 37 από 50

38 εισερχόμενα πακέτα. Επιπλέον και εάν απαιτείται ο δρομολογητής αυτός ελέγχει εάν κάθε υπηρεσία η οποία εισέρχεται μέσα στο δίκτυο της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης παραβιάζει τα κριτήρια αυτά και φροντίζει ανάλογα ώστε να η υπηρεσία η οποία αποκλίνει να επανέλθει στα αποδεκτά όρια παράδοσης. Ενδιάμεσος Κόμβος Διανομής Εκπομπή DVB-T (Προγράμματα TV + Δεδομένα IP) Κεραία Λήψης UHF UHF/OFDM Δεκτής Κεντρικό Σημείο Εκπομπής Ασύρματο Κανάλι Επιστροφής Διαμορφωτής Μετατροπέας MPEG-2 Ροής Μεταφοράς σε IP δεδομένα DiffServ Edge Router Ροή Μεταφοράς DVB-T MPEG-2 αποπολυπλέκτης \ ETHERNET 1 st σημείο πρόσβασης ασύρματου δικτύου Ν st σημείο πρόσβασης ασύρματου δικτύου Ασύρματη κάρτα Κεραία Λήψης UHF Αποκωδικοποιητής Ασύρματη κάρτα Ασύρματη κάρτα Η/Υ TV Η/Υ Η/Υ Διαδραστικός Χρήστης Παθητικός Δεκτής Τηλεόρασης Διαδραστικός Χρήστης Διαδραστικός Χρήστης Σχήμα 30 DiffServ Edge Router και δίκτυο πρόσβασης Τα πακέτα δεδομένων των υπηρεσιών εν συνεχεία προωθούνται από τον ενδιάμεσο κόμβο διανομής στο κεντρικό σημείο εκπομπής όπου πριν την μονάδα πολυπλεξίας των IP υπηρεσιών έχει ενσωματωθεί ένας δρομολογητής διαφοροποιημένων υπηρεσιών (DiffServ Core Router-DCR) ο οποίος δέχεται τα εισερχόμενα πακέτα των παρεχόμενων υπηρεσιών. Ο συγκεκριμένος δρομολογητής εξετάζει το πεδίο διαφοροποιημένων υπηρεσιών και βάση αυτού προωθεί τα πακέτα προς την μονάδα πολυπλεξίας ανάλογα με την προτεραιότητα τους. Η προτεραιότητα αυτή προκύπτει από την τιμή του πεδίου διαφοροποιημένου υπηρεσιών η οποία έχει εισαχθεί από τους μηχανισμούς διαφοροποιημένων υπηρεσιών των ενδιάμεσων κόμβων διανομής. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται το κεντρικό σημείο εκπομπής μέσα στο οποίο έχει ενσωματωθεί ο δρομολογητής διαφοροποιημένων υπηρεσιών. Τελική Έκδοση Σελίδα 38 από 50

39 Σχήμα 31 DiffServ Core Router στο DVB-T δίκτυο Με την ενεργοποίηση των παραπάνω μηχανισμών το προτεινόμενο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης αποκτά την δυνατότητα να κατανέμει δίκαια το διαθέσιμο εύρος ζώνης σε όλες τις μεταδιδόμενες IP υπηρεσίες, να αποφεύγει καταστάσεις συμφόρησης στο δίκτυο και να διασφαλίζει συνολικά ότι η ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών θα παραμένει σε ικανοποιητικό επίπεδο καθόλη την διάρκεια της μετάδοσης τους. 4.3 Αξιολόγηση της απόδοσης του DVB-T δικτύου παροχής διαφοροποιημένων υπηρεσιών Για τις ανάγκες της αξιολόγησης του προτεινόμενου DVB-T δικτύου παροχής διαφοροποιημένων υπηρεσιών υλοποιήθηκε και εκτελέστηκε ένας αριθμός πειραμάτων με και χωρίς τους μηχανισμούς διαφοροποίησης υπηρεσιών κάτω από πραγματικές συνθήκες μετάδοσης. Πιο συγκεκριμένα ένας πάροχος υπηρεσιών ο οποίος βρισκόταν στην περιοχή κάλυψης ενός ενδιάμεσου κόμβου διανομής (802.11g access network/uplink) μετάδιδε τρεις υπηρεσίες πολυμεσικού περιεχομένου σε ένα τελικό χρήστη ο οποίος βρισκόταν στην περιοχή κάλυψης ενός διαφορετικού κόμβου ενδιάμεσης διανομής (ADSL access network, g uplink). Η πρώτη υπηρεσία αφορούσε την σε πραγματικό χρόνο μετάδοση ομιλίας (24 Kbps), η δεύτερη υπηρεσία αφορούσε την μετάδοση IPTV (3 Mbps) ενώ η τρίτη υπηρεσία αφορούσε την μετάδοση ενός αρχείου πολυμεσικού περιεχομένου (ντοκιμαντέρ Τελική Έκδοση Σελίδα 39 από 50

40 αρχαιολογικού ενδιαφέροντος) με σκοπό την αποθήκευση του στον υπολογιστή του τελικού χρήστη. Στην κατερχόμενη ζεύξη του DVB-T είχαν δεσμευτεί για τη μετάδοση των IP υπηρεσιών 8 Mbps. Για μια αρχική αξιολόγηση του συστήματος το πρώτο πείραμα εκτελέστηκε χωρίς τους μηχανισμούς διαφοροποίησης υπηρεσιών και αφορούσε την ταυτόχρονη μετάδοση των παραπάνω υπηρεσιών. Τα αποτελέσματα του πειράματος έδειξαν τα παρακάτω: Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, η μέση καθυστέρηση και το ποσοστό απωλειών ήταν 0,024Mbps, 57,1ms και 0 % αντίστοιχα για την υπηρεσία φωνής. Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, η μέση καθυστέρηση και το ποσοστό απωλειών ήταν 3Mbps, 160,3 ms και 0 % αντίστοιχα για την υπηρεσία IPTV. Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων για την υπηρεσία μεταφοράς αρχείου πολυμεσικού περιεχομένου ήταν 3,88Mbps. Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν το προτεινόμενο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης λειτουργεί σε συνθήκες μη συμφόρησης, όλες οι υπηρεσίες μεταδίδονται χωρίς κανένα πρόβλημα. Το δεύτερο πείραμα εκτελέστηκε ξανά χωρίς την ενεργοποίηση των μηχανισμών διαφοροποιημένων υπηρεσιών και είχε σαν σκοπό να αξιολογήσει το προτεινόμενο δίκτυο σε κατάσταση συμφόρησης. Για το σκοπό αυτό μαζί με τις τρεις ταυτόχρονα μεταδιδόμενες υπηρεσίες ο παροχέας υπηρεσιών μετάδιδε και μια UDP ροή δεδομένων των 5Mbps. Τα αποτελέσματα του πειράματος έδειξαν τα παρακάτω: Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, η μέση καθυστέρηση και το ποσοστό απωλειών ήταν 0,022Mbps, 173,1ms και 6,23 % αντίστοιχα για την υπηρεσία φωνής. Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, η μέση καθυστέρηση και το ποσοστό απωλειών ήταν 2,79Mbps, 177,54 ms και 9,24 % αντίστοιχα για την υπηρεσία IPTV Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων για την υπηρεσία μεταφοράς αρχείου πολυμεσικού περιεχομένου ήταν 0,053Mbps. Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν το προτεινόμενο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης λειτουργεί υπό συνθήκες συμφόρησης όλες οι υπηρεσίες επηρεάζονται αρνητικά με αποτέλεσμα την μη ορθή παράδοση τους. Το τρίτο πείραμα εκτελέστηκε έχοντας ενεργοποιημένους του μηχανισμούς διαφοροποιημένων υπηρεσιών και επαναλήφθηκε η μετάδοση των ίδιων υπηρεσιών που αναφέρονται στο δεύτερο πείραμα (κατάσταση συμφόρησης). Τα αποτελέσματα του πειράματος έδειξαν τα παρακάτω: Τελική Έκδοση Σελίδα 40 από 50

41 Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, η μέση καθυστέρηση και το ποσοστό απωλειών ήταν 0,024Mbps, 28,5ms και 0 % αντίστοιχα για την υπηρεσία φωνής. Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, η μέση καθυστέρηση και το ποσοστό απωλειών ήταν 3Mbps, 36,9 ms και 0 % αντίστοιχα για την υπηρεσία IPTV. Ο μέσος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων για την υπηρεσία μεταφοράς αρχείου πολυμεσικού περιεχομένου ήταν 3Mbps. Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν το προτεινόμενο δίκτυο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης λειτουργεί με ενεργοποιημένους τους μηχανισμούς διαφοροποίησης των παρεχόμενων υπηρεσιών όλες οι υπηρεσίες μεταδίδονται χωρίς κανένα πρόβλημα λόγω του ότι οι ενσωματωμένοι μηχανισμοί διαφοροποίησης ανιχνεύουν πιθανή συμφόρηση του δικτύου και ενεργούν κατάλληλα για την αποφυγή της, φροντίζοντας παράλληλα για την δίκαιη κατανομή του εύρους ζώνης στις μεταδιδόμενες υπηρεσίες. Τελική Έκδοση Σελίδα 41 από 50

42 5 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΦΑΙΡΙΚΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΕΩΝ 5.1 ΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ VORONOI ΚΑΙ Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΛΗΨΗΣ ΟΠΤΙΚΟ-ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Τα διαγράμματα Voronoi αποτελούν ένα ιδιαίτερα δημοφιλές εργαλείο της Υπολογιστικής Γεωμετρίας με πολλές εφαρμογές στα Μαθηματικά, τη Φυσική, την Αστρονομία, τη Ρομποτική, τη Γεωπληροφορική και άλλoυς κλάδους της επιστήμης. Απαντώνται επίσης στη βιβλιογραφία και ως ψηφιδωτά Voronoi (Voronoi tessellations) ή διασπάσεις Voronoi (Voronoi decompositions) ή ψηφιδωτά Dirichlet (Dirichlet tessellations). Στην απλούστερη και πιο συνηθισμένη περίπτωση δίδονται στο επίπεδο ένα σύνολο σημείων (ας τα ονομάσουμε μονάδες), όπως για παράδειγμα στο σχήμα 32 και το διάγραμμα Voronoi για το σύνολο αυτό είναι ο διαχωρισμός του επιπέδου σε πολυγωνικά χωρία που περικλείουν τις μονάδες του συνόλου με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε κάθε σημείο μέσα σε ένα χωρίο να είναι κοντύτερα στη μονάδα που περικλείεται από ότι οποιοδήποτε άλλο σημείο εκτός του συγκεκριμένου χωρίου. Στο σημείο αυτό πρέπει να διευκρινιστεί ότι για λόγους απλούστευσης και επειδή το πρόβλημα που έχουμε να επιλύσουμε, όπως θα δούμε, αποτελεί πρόβλημα χωροθέτησης στο επίπεδο, θα περιοριστούμε σε διαγράμματα Voronoi στο επίπεδο, δηλαδή στον χώρο R 2. Σχήμα 32. Διάγραμμα Voronoi ενός τυχαίου συνόλου σημείων του επιπέδου Τελική Έκδοση Σελίδα 42 από 50

43 5.1.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Έστω δύο σημεία στο επίπεδο p:(p x, p y ) και q:(q x, q y ) και dist(p,q) η Ευκλείδεια απόσταση μεταξύ τους: dist( p, q) : = ( p q ) + ( p q ) 2 2 x x y y Έστω P:={p 1, p 2,..., p n }ένα σύνολο n σημείων (μονάδων) στο επίπεδο. Ορίζουμε ως διάγραμμα Voronoi του Ρ την υποδιαίρεση του επιπέδου σε n χωρία (ένα για κάθε μία μονάδα του Ρ) τέτοια ώστε ένα σημείο q να βρίσκεται στο χωρίο που αντιστοιχεί στη μονάδα p i αν και μόνο αν dist(q, p i ) < dist(q, p j ) για κάθε σημείο p j P, j i. Το διάγραμμα Voronoi του P συμβολίζεται ως Vor(P). Χωρίο Voronoi v(p i ) μιας μονάδας p i P ονομάζεται το χωρίο μέσα στο οποίο βρίσκεται η μονάδα p i. Το σύνολο όλων των χωρίων Voronoi σχηματίζουν ένα κυψελοειδές σύμπλεγμα. Μία από τις βασικές ιδιότητες των διαγραμμάτων Voronoi είναι ότι κάθε σημείο πάνω στην κοινή πλευρά δύο χωρίων Voronoi ισαπέχει από τις αντίστοιχες μονάδες που περικλείονται στα χωρία αυτά. Παρομοίως, μια κοινή κορυφή δύο ή/και περισσοτέρων χωρίων ισαπέχει από τις αντίστοιχες μονάδες που περικλείονται στα χωρία αυτά. Σχήμα 33. Τα δύο ημιεπίπεδα που ορίζονται από τη μεσοκάθετο του ευθύγραμμου τμήματος pq Για να κατανοηθούν όμως καλύτερα οι ιδιότητες των διαγραμμάτων Voronoi ας μελετήσουμε τη δομή και τον τρόπο κατασκευής των χωρίων. Για δύο σημεία p και q στο επίπεδο (σχήμα 33) ορίζουμε τη διχοτόμο των p και q ως την κάθετη διχοτόμο του ευθύγραμμου τμήματος pq. Η διχοτόμος χωρίζει το επίπεδο σε δύο ημιεπίπεδα. Το ανοιχτό ημιεπίπεδο που περιέχει το p δηλώνεται ως h(p, q) και το ανοιχτό ημιεπίπεδο που περιέχει το q δηλώνεται ως h(q, p). Εξ ορισμού, ένα σημείο r h(p, q) αν και μόνο αν dist(r, p) < dist(r, q). Γίνεται δηλαδή φανερό ότι για σημείο p i που ανήκει σε σύνολο Ρ n σημείων (μονάδων) το χωρίο Voronoi v(p i ) ορίζεται από τη διασταύρωση n-1 ημιεπιπέδων κι έτσι είναι μια ανοικτή κυρτή πολυγωνική περιοχή η οποία περιορίζεται από το πολύ n-1 κορυφές και το πολύ n-1 πλευρές. Ένα παράδειγμα χωρίου γύρω από μία μονάδα φαίνεται στο σχήμα 34. Τελική Έκδοση Σελίδα 43 από 50

44 Σχήμα 34. Χωρίο Voronoi v(p i ), όπου p i η μονάδα που βρίσκεται εντός της γραμμοσκιασμένης περιοχής Για τη μορφή ενός ολοκληρωμένου διαγράμματος Voronoi συνόλου Ρ n μονάδων ισχύει ότι εάν οι μονάδες είναι συγγραμικές, τότε το Vor(P) θα αποτελείται από n-1 παράλληλες ευθείες, αλλιώς οι πλευρές του ενώνονται και θα είναι είτε ευθύγραμμα τμήματα είτε ημιάπειρες ευθείες (σχήμα 35). Σχήμα 35. Διάγραμμα Voronoi συνόλου Ρ n μονάδων ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ VORONOI Έχοντας εξετάσει τη βασική δομή των διαγραμμάτων Voronoi, σε αυτή την ενότητα θα εξετάσουμε τον τρόπο κατασκευής τους. Ο βασικός αλγόριθμος για τον υπολογισμό του v(p i ) για κάθε μονάδα p i ενός συνόλου Ρ(i=1, 2,, n) είναι η εύρεση της κοινής τομής των ημιεπιπέδων h(p i, p j ) j i. Η μέθοδος όμως αυτή για τον υπολογισμό κάθε v(p i ) (i=1, 2,, n) απαιτεί τη χρησιμοποίηση κάθε μιας από τις υπόλοιπες n-1 μονάδες. Κι έτσι για τον υπολογισμό n χωρίων για n μονάδες θα πρέπει συνολικά να γίνει ο υπολογισμός n( n-1) n 2 ημιεπιπέδων. Ένας πολύ δημοφιλής αλγόριθμος για την κατασκευή διαγραμμάτων Voronoi είναι ο αλγόριθμος Fortune, από το όνομα του ερευνητή που τον κατασκεύασε. Ο αλγόριθμος αυτός βασίζεται στη σάρωση του επιπέδου από μια οριζόντια ευθεία γραμμή από πάνω προς τα κάτω. Η γενική ιδέα είναι η ακόλουθη: είναι γνωστό ότι δοθέντων ενός σημείου (μονάδας) και μιας ευθείας, τα σημεία που ισαπέχουν τόσο από τη μονάδα όσο και από την ευθεία βρίσκονται πάνω σε μία παραβολή. Έτσι, Τελική Έκδοση Σελίδα 44 από 50

45 κατά τη διάρκεια της σάρωσης του επιπέδου δημιουργούνται παραβολές (όσες και οι μονάδες) οι οποίες ορίζουν τα σημεία που ισαπέχουν από τις μονάδες και τη γραμμή σάρωσης. Η καμπύλη που δημιουργείται από τα κατώτατα παραβολικά τόξα κατά τη σάρωση του επιπέδου από πάνω προς τα κάτω ονομάζεται ακτογραμμή (beach line). Τα σημεία ένωσης των παραβολικών τόξων πάνω στην ακτογραμμή συνεισφέρουν στην εύρεση των πλευρών του διαγράμματος Voronoi. Ο αλγόριθμος Fortune έχει αποδειχθεί ότι είναι ο βέλτιστος χρονικά αλγόριθμος για την κατασκευή διαγραμμάτων Voronoi. Άλλοι αλγόριθμοι οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαγραμμάτων Voronoi είναι οι αλγόριθμοι Bowyer-Watson και Lloyd. 5.2 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ VORONOI ΣΤΗΝ ΕΥΡΕΣΗ ΠΙΘΑΝΩΝ ΣΗΜΕΙΩΝ ΛΗΨΗΣ ΟΠΤΙΚΟ- ΑΚΟΥΣΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ Για τη λήψη οπτικο-ακουστικού υλικού από διάφορα σημεία ενός χώρου (ας τα ονομάσουμε κρίσιμα σημεία) απαιτείται προετοιμασία για τη μεταφορά, το στήσιμο, τις λήψεις και το μάζεμα των μηχανημάτων. Όλα αυτά κοστίζουν προφανώς τόσο σε χρόνο όσο και σε χρήμα. Ο σκοπός είναι να ευρεθεί τρόπος ελαχιστοποίησης των λήψεων ώστε από ένα σημείο το οποίο θα βρίσκεται ενδεχομένως μεταξύ 2, 3 ή και παραπάνω κρίσιμων σημείων να ληφθεί οπτικο-ακουστικό υλικό το οποίο να καλύπτει ικανοποιητικά την παρουσίαση όλων των σημείων αυτών. Για την εύρεση πιθανών τέτοιων σημείων μεταξύ των κρίσιμων σημείων ως ο πιο ενδεδειγμένος τρόπος προτείνεται η κατασκευή διαγραμμάτων Voronoi. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, μια από τις βασικές ιδιότητες των διαγραμμάτων Voronoi είναι ότι τα σημεία που βρίσκονται πάνω στις πλευρές ή οι κορυφές των χωρίων Voronoi ισαπέχουν από τα αντίστοιχα κρίσιμα σημεία (μονάδες) που περικλείονται σε αυτά. Αν υπάρχουν κατάλληλα σημεία για λήψη, τότε αυτά θα βρίσκονται πάνω στις πλευρές ή τις κορυφές των χωρίων Voronoi που περικλείουν τα κρίσιμα σημεία. Αυτό συμβαίνει γιατί όλα τα σημεία αυτά πάνω στις πλευρές των χωρίων Voronoi απέχουν την ίδια (και κατά συνέπεια τη βέλτιστη δυνατή) απόσταση από όλα τα κρίσιμα σημεία που περικλείονται από τα χωρία αυτά. Κατ αυτόν λοιπόν τον τρόπο, το σημείο που έχει τη βέλτιστη δυνατή απόσταση από δύο κρίσιμα σημεία που βρίσκονται σε γειτονικά χωρία θα βρίσκεται στη μέση του ευθύγραμμου τμήματος που τα ενώνει και είτε θα είναι κορυφή χωρίου είτε σημείο πάνω σε πλευρά χωρίου και μάλιστα τέτοιο που η πλευρά του χωρίου να σχηματίζει ορθή γωνία με το ευθύγραμμο τμήμα που ενώνει το σημείο αυτό με το κρίσιμο σημείο. Η μεθοδολογία που πρέπει να ακολουθηθεί για την εύρεση πιθανών κατάλληλων σημείων λήψης γύρω από τα κρίσιμα σημεία είναι η ακόλουθη: Τελική Έκδοση Σελίδα 45 από 50

46 - Καθορισμός των κρίσιμων σημείων πάνω σε δισδιάστατο κάναβο της περιοχής - Κατασκευή του διαγράμματος Voronoi για τα κρίσιμα σημεία (έχοντας κάνει κατάλληλη αντιστοίχηση των αποστάσεων μεταξύ των κρίσιμων σημείων) - Επιτόπιος έλεγχος της περιοχής για: o Εξέταση καταλληλότητας πρώτα των κορυφών χωρίων Voronoi που περικλείουν κρίσιμα σημεία για πιθανότητα πραγματοποίησης του πλέον ελάχιστου αριθμού λήψεων o Στη συνέχεια (και εάν οι κορυφές των χωρίων Voronoi απορριφθούν), εξέταση καταλληλότητας σημείων πάνω σε πλευρές των χωρίων γύρω από γειτονικά κρίσιμα σημεία για πιθανότητα μείωσης του αριθμού λήψεων που πρέπει να πραγματοποιηθούν. 5.3 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΗΝ ΠΟΛΗ ΤΟΥ ΑΓΙΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΥ Για να γίνει κατανοητός ο τρόπος με τον οποίο θα καθοριστούν τα πιθανά σημεία λήψης θα δοθεί ένα παράδειγμα για την πόλη του Αγίου Νικολάου Κρήτης. Στην πόλη αυτή επιλέχθηκαν έξι σημεία για την λήψη πλάνων, όπως φαίνεται στο σχήμα 36. Οι αποστάσεις μεταξύ των σημείων αυτών δίδονται στον παρακάτω πίνακα. Για να κατασκευάσουμε το αντίστοιχο διάγραμμα Voronoi για τα έξι αυτά κρίσιμα σημεία, θεωρήθηκε ότι οι χιλιομετρικές αποστάσεις αυτές δίδονται για τις ευθείες που ενώνουν τα σημεία αυτά μεταξύ τους. Χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα VoroGlide που δημιουργήθηκε από ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Fern της Γερμανίας και το διάγραμμα Voronoi που κατασκευάστηκε παρουσιάζεται στο σχήμα 37. Τελική Έκδοση Σελίδα 46 από 50

47 Σχήμα 36 Άποψη του Αγίου Νικολάου και των έξι επιλεχθέντων σημείων. ΑΜΜΟΣ (Α1) ΜΑΡΙΝ Α (Μ) ΑΜΜΟΥ ΔΙ (Α2) ΚΙΤΡΟΠΛΑΤ ΕΙΑ (Κ) ΛΙΜΝ Η (Λ) ΓΕΦΥΡ Α (Γ) Α km 0.48 km 0.65 km 0.46 km Μ 0.09 km km 0.58 km 0.47 km Α km 0.42 km km 0.36 km Κ 0.65 km 0.58 km 0.17 km km 0.47 km 0.46 km 0.26 km 0.38 km Λ 0.46 km 0.47 km 0.36 km 0.49 km km Γ 0.47 km 0.46 km 0.26 km 0.38 km 0.11 km - Πίνακας 3 Αποστάσεις μεταξύ επιλεχθέντων σημείων στην πόλη του Αγίου Νικολάου. Τελική Έκδοση Σελίδα 47 από 50

48 Σχήμα 37 Το διάγραμμα Voronoi για τα έξι επιλεχθέντα κρίσιμα σημεία στο οποίο είναι σημειωμένες και οι κορυφές των χωρίων Voronoi Όπως παρατηρείται, στο σχήμα έχουν σημειωθεί εκτός από τα έξι κρίσιμα σημεία και οι κορυφές των χωρίων Voronoi (V1, V2, V3, V4) ως πιθανά σημεία εξέτασης για την ελαχιστοποίηση των λήψεων. Οι αποστάσεις των κορυφών από τα σημεία μπορούν πολύ εύκολα να υπολογιστούν εφόσον γνωρίζουμε τις αποστάσεις των σημείων μεταξύ τους. Έτσι, για παράδειγμα, η κορυφή V1 των χωρίων v(κ), v(α2) και v(γ) απέχει από τα 3 κρίσιμα αυτά σημεία 0.17 km. Αρχικά πρέπει να εξεταστούν κατά πόσο οι κορυφές των χωρίων είναι κατάλληλες για να επιτευχθεί ο μικρότερος δυνατός αριθμός λήψεων. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα βλέπουμε ότι ο ελάχιστος αριθμός λήψεων για να περιληφθούν και τα έξι σημεία είναι δύο. Μία από την κορυφή V4, πού είναι κοινή για τα χωρία v(λ), v(α1) και v(μ) (για λήψεις των κρίσιμων σημείων Λ, Α1 και Μ) και μία για την κορυφή V1 που είναι κοινή για τα χωρία v(κ), v(α2) και v(γ) (για λήψεις των κρίσιμων σημείων Κ, Α2 και Γ). Η απόσταση της V4 από τα τρία κρίσιμα σημεία Λ, Α1 και Μ είναι 0.21 km, ενώ της V1 από τα Κ, Α2 και Γ είναι 0.17 km. Εν συνεχεία, η επόμενη επιλογή (εάν η επιλογή των κορυφών αποδειχθεί ακατάλληλη) θα είναι να γίνουν τρεις λήψεις, μία για τα σημεία Α1 και Μ, μία για τα Α2 και Κ και μία για τα Λ και Γ. Τα σημεία για τη λήψη (Τ1, Τ2 και Τ3 αντίστοιχα) είναι τα σημεία που ορίζονται από την τομή του ευθύγραμμου τμήματος που ενώνει τα κρίσιμα σημεία αυτά με την κοινή πλευρά των χωρίων που περιέχουν τα κρίσιμα αυτά σημεία Τελική Έκδοση Σελίδα 48 από 50