ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΤΕΧΝΩΝ

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΤΕΧΝΩΝ Γραφικές Τέχνες και Πολυμέσα ΓΤΠ61 Θέμα: «Ασύρματα δίκτυα και πολυμέσα» Αντωνοπούλου Ευθυμία Επιβλέπων καθηγητής Ζευγώλης Δημήτριος

2 Για χρόνια η παγκόσμια κοινότητα ανυπομονεί την άφιξη προϊόντων τα οποία θα επιτυγχάνουν οπτική επικοινωνία και πλούσια εμπειρία πολυμέσων παντού και πάντα. Αυτή η προσδοκία έγινε πραγματικότητα με την παρουσίαση των συστημάτων κινητών τρίτης γενιάς (3G). Τα χαρακτηριστικά αυτής της τεχνολογίας είναι ότι συνδυάζει τη χρήση φωνής και δεδομένων με ασύρματη πρόσβαση στο Internet, πολυμεσικές εφαρμογές και υψηλή ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων. Οι εφαρμογές οι οποίες συνδυάζουν τα πολυμέσα και τα ασύρματα δίκτυα αυξάνονται με εκθετικούς ρυθμούς. Έχουμε την ασύρματη πρόσβαση στο Internet, την μεταφορά πολυμέσων στους χώρους εργασίας, την ασύρματη αναπαραγωγή βίντεο και ήχου, τα πολυμέσα στα οχήματα από το αυτοκίνητο μέχρι τα δίκτυα αισθητήρων στα μέσα μαζικής μεταφοράς, την εμφάνιση των έξυπνων συσκευών μέσα στα σπίτια του μέλλοντος, τα οποία μας ενημερώνουν ακόμη και για το αν τέλειωσε το γάλα στο ψυγείο, την εξ αποστάσεως μάθηση, την τηλεϊατρική και πολλές ακόμα εφαρμογές. Αναμφισβήτητα οι εφαρμογές αυτές έχουν αλλάξει τον τρόπο ζωής μας, παρ όλα αυτά η μετάδοση των δεδομένων μέσα από τα ασύρματα δίκτυα αντιμετωπίζει και τις δυσκολίες της. Ένα ασύρματο κανάλι δεν μπορεί να πετύχει μεγάλες ταχύτητες μετάδοσης όπως η ενσύρματη σύνδεση. Η δύναμη λήψης των δεδομένων μειώνεται καθώς απομακρυνόμαστε από τον πομπό με αποτέλεσμα να μειώνεται και η ταχύτητα. Ο πομπός ενός ασύρματου δικτύου να αλλάζει κατά τη μετακίνηση του χρήστη με αποτέλεσμα να αλλάζουν τα κανάλια. Ο βασικός τρόπος μετάδοσης των δεδομένων είναι μέσω πακέτων. Κατά την μεταφορά του πακέτου μέσα από πολλαπλές διαδρομές δεν γίνεται παρά να έχουμε μεγάλη απώλεια πακέτων. Τα φυσικά εμπόδια (αυτοκίνητα, κτίρια, άνθρωποι, κ.α.) αποτελούν ακόμη ένα τρόπο απώλειας δεδομένων. Τέλος εξαιτίας της ύπαρξης πολλών διαφορετικών πομπών υπάρχει ο κίνδυνος να διασταυρωθούν δύο ή περισσότερα σήματα. Εκτός από το ασύρματο κανάλι που αφορά την μετάδοση του σήματος, υπάρχουν δυσκολίες και στο συντονισμό του ασύρματου δικτύου μιας 13-Δεκεμβρίου

3 περιοχής. Σε περίπτωση που δεν είναι δυνατή η άμεση πρόσβαση στο δίκτυο κάποιος μπορεί να επιχειρήσει επανειλημμένα να συνδεθεί. Οι πολλαπλές προσπάθειες προσβάσεις όμως είναι δύσκολο να συντονιστούν. Στην προσπάθεια αυτή του συντονισμού ανάλογα με τον τρόπο που γίνεται η δρομολόγηση των πακέτων μπορεί ο δρομολογητής να υπερπηδά κάποιες προσπάθειες πρόσβασης. Όταν μιλάμε για κινητό ασύρματο δίκτυο η τοπολογία πρέπει να είναι δυναμική και ο χρήστης να μπορεί να βγαίνει και να φεύγει συχνά από το δίκτυο. Για τον ίδιο λόγο δυναμικά πρέπει να είναι και τα χαρακτηριστικά των συνδέσεων ώστε το σήμα να μπορεί να μετακινείται καθώς κινείται ο χρήστης. Μια από τις βασικές μεταβλητές που πρέπει να ελέγχει κάποιος σε ένα δίκτυο είναι η τιμή του Signal to Noise Ratio. Το SNR είναι το ποσοστό του καθαρού σήματος που εκπέμπεται από τον πομπό ως προς το «θόρυβο» που υπάρχει κατά τη μετάδοση του σήματος. Όσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό αυτό, τόσο λιγότερο ενοχλητικός είναι ο «θόρυβος» για το σήμα. Τέλος για να είναι αποδοτικό ένα δίκτυο θα πρέπει να διαθέτει τους πόρους του ανάλογα με τις ανάγκες του. Τις ώρες αιχμής ή της περιοχές με μεγαλύτερο ποσοστό προσπαθειών πρόσβασης θα πρέπει να μπορεί να παραχωρεί μεγαλύτερο ποσοστό από τις πηγές του. κάτι τέτοιο όμως είναι πολύ δύσκολο να εφαρμοστεί. Όλες αυτές οι παραπάνω αιτίες δυσχεραίνουν και αλλοιώνουν τη μετάδοση του σήματος. Τα πολυμέσα όμως μπορούν να «ανεχτούν» ένα συγκεκριμένο αριθμό απώλειας πακέτων αλλιώς μετά δεν θα μπορούν να είναι κατανοητά. Δεν μιλάμε για ένα κείμενο που μπορεί να βγάλουμε νόημα από τα συμφραζόμενα, αλλά για βίντεο και ήχο, στα οποία μετά από ένα σημείο δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτά. Πως πρέπει όμως να είναι τα ασύρματα δίκτυα προκειμένου να πετύχουμε ένα ανταγωνιστικό, χρήσιμο και πλήρες προς τον πελάτη ασύρματο δίκτυο; Κατ αρχήν οι απαιτήσεις της εποχής οδηγούν σε δίκτυα τα οποία κάποιος μπορεί να έχει συνεχή και αδιάλειπτη πρόσβαση. Ταυτόχρονα ο σημερινός άνθρωπος θέλει να έχει παντού πρόσβαση από το σπίτι, το γραφείο του, μέχρι το αυτοκίνητο ή τις διακοπές του σε ένα νησί. Η 13-Δεκεμβρίου

4 πλήρης κάλυψη εξάλλου των περιοχών ήταν ένα από τους βασικούς στόχους όλων των δικτύων. Τώρα πλέον η εργασία έχει μεταφερθεί και έξω από το χώρο των γραφείων. Οι φορητοί υπολογιστές και τα κινητά έχουν γίνει επέκταση του τρόπους εργασίας του σύγχρονου εργαζόμενου. Ακόμη όμως και στις μικρές ηλικίες μια πολυμεσική συσκευή δεν γίνεται να απουσιάζει από τα χέρια ενός παιδιού (i-pod, psp, i-phone κ.α.). Σε όλες αυτές τις συσκευές ο χρήστης επιθυμεί να έχει άμεση αλληλεπίδραση με τις εφαρμογές που του παρέχουν και να μπορεί να κάνει τις ατομικές του επιλογές. Ένας επίσης βασικός στόχος ενός ασύρματου δικτύου είναι να είναι εύχρηστο, απλό και εύκολα κατανοητό από το μέσο χρήστη. Όσο εξοικειωμένος και αν είναι κάποιος με την τεχνολογία προτιμά ένα δίκτυο που θα του προσφέρει ευκολία και ταχύτητα πρόσβασης και πλοήγησης. Τέλος επειδή όπως αναφέραμε παραπάνω η ασύρματη τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για επαγγελματικές υποχρεώσεις δεν πρέπει να αμελείται το θέμα της ασφάλειας και της αξιοπιστίας στην μετάδοση δεδομένων ενός ασύρματου δικτύου. Εξαιτίας της ύπαρξης πολλών άλλων δικτύων και της μετάδοσης απουσία καλωδίωσης γίνεται πιο εύκολη η υποκλοπή. Η πρώτη τεχνολογία που κατάφερε να μεταφέρει πολυμέσα μέσα από ασύρματα δίκτυα ήταν η τεχνολογία τρίτης γενιάς(3g). Η ασύρματη τεχνολογία 3G είναι μια παγκόσμια τεχνολογία επικοινωνίας βασισμένη σε μεταφορά πακέτων ψηφιακού ήχου, δεδομένων και βίντεο. Συμπεριλαμβάνει πολλές ανταγωνιστικές ασύρματες τεχνολογίες όπως οι: Code Division Multiple Access, Universal Mobile Telecommunication Service Wideband Code Division Multiple Access Το 3G μπορεί να φτάσει ταχύτητες των: 144Kbit/s μέσα σε κινούμενο όχημα 384 Kbit/s σε σταθερή θέση ή βάδισμα 2 Mbit/s σε συγκεκριμένη περιοχή, χρησιμοποιώντας τεχνολογίες μεταφοράς πακέτων αντί ζεύξεις καναλιών, επιτρέποντας την παγκόσμια επικοινωνία. 13-Δεκεμβρίου

5 Τα δύο βασικότερα πρωτόκολλα επικοινωνίας στα ασύρματα δίκτυα που επιτρέπουν διαδραστικότητα είναι το Wireless Application Protocol και το i-mode. Το WAP είναι ένα ανοιχτό παγκόσμιο πρότυπο για δικτυακές επικοινωνίες επίπεδου εφαρμογών, σε ένα ασύρματο περιβάλλον. Η βασικότερη χρήση του είναι η ασύρματη πρόσβαση στο δίκτυο μέσω κινητού τηλεφώνου ή Personal Digital Assistant. Πριν από το WAP, οι παροχείς υπηρεσιών είχαν πολύ περιορισμένες δυνατότητες προσφοράς διαδραστικών υπηρεσιών, αλλά χρειαζόντουσαν τη διαδραστικότητα για να υποστηρίξουν εφαρμογές όπως μέσω κινητού τηλεφώνου, παρακολούθηση μετοχών στο χρηματιστήριο, αποτελέσματα αγώνων, επικεφαλίδες εφημερίδων και downloading μουσικών κομματιών. Η NTT DoCoMo, ο μεγαλύτερος ιαπωνικός ασύρματος διαχειριστής δημιούργησε ένα σύστημα πάνω στο δικό του WCDMA και το Freedom of Mobile Multimedia Access. Το σύστημα αυτό είναι γνωστό ως i- motion ή αλλιώς i-mode. Σε αντίθεση με το WAP, το i-mode, περιλαμβάνει μεγαλύτερη ποικιλία προτύπων διαδικτύου, όπως η πρόσβαση στο διαδίκτυο, η αποστολή , παιχνίδια, κρατήσεις εισιτηρίων, πρόγνωση του καιρού, οικονομικές συναλλαγές. Είναι ένα σύστημα βασισμένο σε μεταγωγή πακέτων και υποστηρίζει html σελίδες. Ο IEEE είναι ο βασικότερος οργανισμός προτυποποίησης και μερικά από τα πρότυπα του είναι το b, a, g και το HiperLan2. Το bluetooth είναι ένα βιομηχανικό πρότυπο για ασύρματα προσωπικά δίκτυα υπολογιστών (Wireless Personal Area Networks). Πρόκειται για μια ασύρματη τηλεπικοινωνιακή τεχνολογία μικρών αποστάσεων, η οποία μπορεί να μεταδώσει σήματα μέσω μικροκυμάτων σε ψηφιακές συσκευές. Παρέχει φθηνή, ασφαλής, παγκοσμίως διαθέσιμη, χωρίς ειδική άδεια ραδιοσυχνότητα μικρής εμβέλειας. Εκτός από τη μεταφορά αποθηκευμένων πολυμέσων μια νέα εφαρμογή είναι η μεταφορά πολυμέσων σε πραγματικό χρόνο γνωστό και ως multimedia streaming. Κατά τη διαδικασία του streaming ένας χρήστης αναπαράγει ένα ακουστικό ή τηλεοπτικό αρχείο το οποίο κατεβάζει από ένα εξυπηρετητή προτού παραλάβει ολόκληρο το αρχείο. 13-Δεκεμβρίου

6 Μόλις αρχίσει η αναπαραγωγή, τα δεδομένα πρέπει να παραδοθούν μέσα στους χρονικούς περιορισμούς για να μπορέσει το αρχείο να παίξει κανονικά, κατά συνέπεια είναι πολύ ευαίσθητο στις μεγάλες καθυστερήσεις. Για να καταλάβουμε τον τρόπο μεταφοράς τον δεδομένων στα ασύρματα δίκτυα ας εξετάσουμε μια από τις πιο δημοφιλής περιπτώσεις που είναι η μεταφορά βίντεο, βασικό περιεχόμενο πολλών πολυμεσικών εφαρμογών, στο επίπεδο μεταφοράς και δικτύου. Το επιλεγμένο βίντεο περνάει από έναν κωδικοποιητή ο οποίος συμπιέζει το αρχείο(π.χ. MPEG-4). Στη συνέχεια το συμπιεσμένο αρχείο μετατρέπεται σε πακέτα. Τα πακέτα περνούν από τον κωδικοποιητή του καναλιού και στη συνέχεια αποστέλλονται μέσω του διαμορφωτή στο ασύρματο κανάλι. Το σήμα φτάνει στο δέκτη και περνάει από τον αποδιαμορφωτή και τον αποκωδικοποιητή του καναλιού. Τέλος έχουμε τη σύνθεση των πακέτων και την αποκωδικοποίηση των τελικών αρχείων βίντεο. Τα τελευταία χρόνια έχουμε ραγδαία εξέλιξη των ασύρματων δικτύων με μεγάλη αύξηση τόσο στο εύρος μετάδοσης όσο και στις ταχύτητες. Τα ασύρματα δίκτυα του μέλλοντος θα πρέπει να συνοδεύονται και από ταυτόχρονη εξέλιξη στον τομέα του υλικού. Οι ασύρματες συσκευές θα πρέπει να είναι εξοπλισμένες με καλύτερες μπαταρίες, ταχύτερους επεξεργαστές, τα δίκτυα να μπορούν να κατανέμουν δυναμικά τους πόρους τους και να έχουν προσαρμοστικότητα. Με αυτή την εξέλιξη των ασύρματων δικτύων θα έχουμε και ανάπτυξη των πολυμεσικών και διαδραστικών εφαρμογών. Αυτό που απαιτείται είναι καινοτομία και πρόοδο σε καλύτερα πρωτόκολλα MAC και δρομολόγησης πακέτων, καθιέρωση συνόδων, αρχιτεκτονικές σημάτων, αλληλεπίδραση ανάμεσα στα επίπεδα και βελτιστοποίηση της μεταξύ τους επικοινωνίας. Παροχή ποιότητας υπηρεσιών (Quality of Service) και συνοχή, προσαρμόσιμες τεχνικές μετάδοσης ανάλογα με το είδος και την κατάσταση και διαβαθμισμένη υποστήριξη τόσο σε τομέα υλικού όσο και λογισμικού. 13-Δεκεμβρίου

7 Αναφορές: Multimedia over Wireless Networks: Compression, Networking & Implementation, Mohammad Zulhasnine, Dept. of System Engineering, Carleton University, Canada Andrea Goldsmith, Wireless Communications, Cambridge University Press web pro-forum tutorials ml Comparative Performance of Wireless and Powerline LANs for Streaming Media, Gent G.P., Downing C., Dalton J. Overview of video transmission services over Wireless mobile networks 13-Δεκεμβρίου