Over The Top services in Long Term Evolution networks: The Quality of Experience perspective

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ " ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ " ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Over The Top services in Long Term Evolution networks: The Quality of Experience perspective Αναστασία Γ. Καραχάλιου Επιβλέπων: Λάζαρος Μεράκος, Καθηγητής ΑΘΗΝΑ ΜΑΡΤΙΟΣ 2017

2 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Over The Top services in Long Term Evolution networks: The Quality of Experience perspective Αναστασία Γ. Καραχάλιου Α.Μ.: Μ1270 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Λάζαρος Μεράκος, Επίκουρος Καθηγητής ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Λάζαρος Μεράκος, Επίκουρος Καθηγητής Μάρτιος 2017

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τη σημερινή εποχή, με τη συνεχή αύξηση του πλήθους των υπηρεσιών που βασίζονται στο Internet και τα πολυμέσα, δίνεται ολοένα και πιο μεγάλη έμφαση στo σχεδιασμό δικτύων τα οποία μπορούν να υποστηρίξουν αυτές τις υπηρεσίες με επαρκή ποιότητα υπηρεσίας. Στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας παρατηρείται μία ραγδαία μετάβαση από την ανάγκη για μέτρηση της ποιότητας υπηρεσίας QoS στην ανάγκη για εκτίμηση της ποιότητας εμπειρίας του χρήστη QoE. Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διπλωματική επικεντρώνεται στη μελέτη της έννοιας QoE και στην εκτίμησή της, με τη βοήθεια προσομοιωτών του δικτύου και την ανάλυση αποτελεσμάτων σε ρεαλιστικά παραδείγματα προσομοίωσης. Αρχικά, παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του LTE-A συστήματος και οι βασικές έννοιες αυτού οι οποίες σχετίζονται με τη λειτουργία του δικτύου και είναι υπεύθυνες για την εξασφάλιση της αναμενόμενης ποιότητας εμπειρίας στον χρήστη. Έπειτα περιγράφεται η έννοια του QoS και πώς μπορεί μέσα από τις μονάδες του LTE-A δικτύου (bearers), να διαφοροποιηθεί ως προς επιλεγμένους παρόχους (OTT Over The Top Providers). Στη συνέχεια, περιγράφεται ο προσομοιωτής NS3 και η μελέτη της απόδοσης των σεναρίων προσομοίωσης για την LTE-A τεχνολογία δικτύωσης. Τέλος, παρουσιάζεται το εργαλείο QoE Monitor, το οποίο έχει δημιουργηθεί στα πλαίσια του NS3 προσομοιωτή για να προβλέψει την ποιότητα του βίντεο ή του ήχου έτσι όπως γίνεται αντιληπτός στον τελικό χρήστη μέσω αντικειμενικών μετρήσεων. Για την εξαγωγή αποτελεσμάτων QoE παρουσιάζονται δύο πραγματικά σενάρια προσομοίωσης με διαφορετικά είδη τοπολογίας δικτύου στα οποία διασταυρώνεται κίνηση. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: Δίκτυα κινητής τηλεφωνίας ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: LTE Advanced σύστημα, NS3 προσομοιωτής, QoE εποπτεία, Over the top πάροχοι, Ποιότητα εμπειρίας

4 ABSTRACT Nowadays, due to the continuous increase in Internet-based multimedia services, there is placed great emphasis in the design of networks that can support those services with adequate quality of service. In mobile networks, there has been observed a rapid transition from having the need to measure the Quality of Service to assess the user s Quality of Experience. Due to this fact, this thesis focuses on the concept and the assessment of the QoE, with the aid of network simulators by demonstrating results of the analysis in realistic simulation examples. Initially, the architecture of the LTE-A system is presented and its basic concepts related to the networks operation, in order to guarantee the user s expected quality of experience. Then, the QoS (Quality of Service) is described and how it can be differentiated for selected providers (OTT( Over The Top Providers)). Next, NS3 simulator is described as well as some scenarios that test the performance of the LTE-A networking technology. Finally, the QoE Monitor tool is shown, which has been created, within the NS3 simulator, to predict through objective measurements the quality of the video or audio as it is perceived by the end user. To export simulation results, user experience is examined on two real scenarios of cross traffic on different network topologies. SUBJECT AREA: Mobile Communication Networks KEYWORDS: LTE-Advanced system, NS3 Simulator, QoE monitoring, Over the top providers, Quality of Experience

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Τον ερευνητή κύριο Δημήτρη Τσόλκα για την υπομονή και στήριξη του για τη διεκπεραίωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας.

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αρχιτεκτονική του LTE-Advanced συστήματος User Equipment E-UTRAΝ The access network Evolved Packet Core ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ LTE QoS σε επίπεδο bearer QoS Class Identifier Over The Top provides ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΕΜΠΕΙΡΙΑΣ Μετάβαση από την ποιότητα υπηρεσίας στην ποιότητα εμπειρίας Ποιότητα της εμπειρίας Διαχείριση της Ποιότητας εμπειρίας σε Δίκτυα κινητής τηλεφωνίας NS3 SIMULATOR Στοιχεία για την υλοποίηση της προσομοίωσης NS3 προσομοιωτής στο LTE σύστημα Ανάλυση αποτελεσμάτων σεναρίων Παράμετροι ( Parameters) Προγραμματίζοντας τους αλγορίθμους QOE MONITORING IN NS Αρχιτεκτονική και Σχεδιασμός... 30

7 5.2 Σχεδιασμός κλάσεων Αναφορικό σενάριο και αριθμητικά αποτελέσματα ΑΝΑΦΟΡΕΣ... 38

8 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1: Αχιτεκτονική του συστήματος LTE-Advanced Εικόνα 2: Αρχιτεκτονική E-UTRAN Εικόνα 3: LTE QoS σε επίπεδο bearer Εικόνα 4: Το framework διαχείρισης της ποιότητας εμπειρίας QoE Εικόνα 5: QoE διάγραμμα κλάσεων Εικόνα 6: Τοπολογία δικτύου πρώτου σεναρίου Εικόνα 7: PSNR και SSIM Σενάριο με PER = 0,001 και PER = 0, Εικόνα 8: Τοπολογία δικτύου δευτέρου σεναρίου Εικόνα 9: PSNR και SSIM Σενάριο 2 με UDP cross-κίνηση... 36

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1: Κύριες προδιαγραφές του LTE-Advanced συστήματος Πίνακας 2: QCI (Quality Class Identifiers) για το LTE... 19

10 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών του Τμήματος Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών, με ειδίκευση στα «Συστήματα Επικοινωνιών και Δίκτυα». Σκοπός της εργασίας αυτής, είναι η μελέτη της ποιότητας υπηρεσίας (QoS) και ποιότητας εμπειρίας του χρήστη (QoE) στα δίκτυα τέταρτης γενιάς (LTE-A). Η έννοια του QoE είναι μια υποκειμενική παράμετρος, που εκφράζει την εμπειρία του χρήστη από την υπηρεσία που χρησιμοποίησε. Από τη στιγμή που δεν μπορεί να μετρηθεί με τις παραδοσιακές μετρικές της ποιότητας υπηρεσίας, μελετήθηκαν κάποια σύγχρονα μοντέλα προσομοίωσης του LTE-Α συστήματος για την εκτίμηση της. Έπειτα, με την υλοποίηση των σεναρίων προσομοίωσης για διάφορους τύπους δικτύων, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ποιότητας εμπειρίας. Η ενασχόληση μου με την παρούσα εργασία, με βοήθησε να κατανοήσω σε μεγαλύτερο βαθμό τις έννοιες των LTE-Α δικτύων. Μέσα από αυτήν, ανέπτυξα μια καλύτερη αντίληψη της ποιότητα υπηρεσίας καθώς και του πώς μπορεί αυτή να διαφοροποιηθεί για συγκεκριμένες υπηρεσίες, όπως για παράδειγμα οι over the top services. Επιπλέον μελέτησα σε μεγαλύτερο βαθμό την έννοια του QoE και τους τρόπους εκτίμησής της.

11 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα LTE-Advanced είναι το πιο εξελιγμένο τηλεπικοινωνιακό σύστημα που έχει αναπτυχθεί μέχρι σήμερα και έχει ως σκοπό να παρέχει μεγαλύτερες ταχύτητες, μεγαλύτερη χωρητικότητα, βελτιωμένη κάλυψη, μηδαμινά περιθώρια σφάλματος και ταυτόχρονα καλύτερο χρόνο ζωής της μπαταρίας των τερματικών ώστε να αποτελέσει ένα αποδοτικό δίκτυο πρόσβασης. Σε ένα τέτοιο δίκτυο, είναι πολύ σημαντικός ο κατάλληλος σχεδιασμός της κατανομής των ραδιοπόρων για την αποτελεσματικότητα του συστήματος αλλά και για την ικανοποίηση των απαιτήσεων των χρηστών για ποιότητα υπηρεσίας (Quality of Service, (QoS)). Ο οργανισμός 3GPP, βάση κανονισμών, καθορίζει τις προδιαγραφές, τη διαδικασία προτυποποίησης και την ανάθεση αρμοδιοτήτων για το σύστημα LTE-A. Στη θέσπιση των κανονισμών αυτών υπολογίζει και τους περιορισμούς της κάθε γεωγραφικής ζώνης όπως λειτουργία σε συγκεκριμένες ζώνες συχνοτήτων και επιβολή συγκεκριμένων συνθηκών ασφάλειας, αλλά και τις συστάσεις που προέρχινται από τον οργανισμό ITU. Στα πλαίσια αυτών των κανονισμών, η διαδικασία προτυποποίησης εξελίσσεται αδιάκοπα για να καλύψει νέες ανάγκες για περισσότερες ή πιο εξέλιγμένες υπηρεσίες. Τα στάδια της διαδικασίας αυτής είναι αρχικά ο καθορισμός των απαιτήσεων και έπειτα αποφασίζονται οι δομικές μονάδες και οι διεπαφές που θα χρησιμοποιηθούν με βάση την αρχιτεκτονικη του συστήματος.στη συνέχεια καθορίζονται οι προδιαγραφές και τέλος υπάρχει μία δοκιμαστική φάση στην οποία ελέγχεται για να αρχίσει η διαδικασία υλοποίησης. Οι προδιαγραφές του LTE- Advanced συστήματος καθορίστηκαν με βάση τους στόχους που αναγράφονται στον παρακάτω πίνακα. Παράμετρος Πίνακας 1: Κύριες προδιαγραφές του LTE-Advanced συστήματος Τιμή Εύρος φορέα Ρυθμός μετάδοσης σε στατικό χρήστη Ρυθμός μετάδοσης σε κινούμενο χρήστη 5-20 MHz 1 Gbit/s 100 Mbits/s Φασματική απόδοση (Downlink) Φασματική απόδοση (Uplink) 15 bit/s/hz 6.75 bit/s/hz Φασματική απόδοση (Συστήματος) Φασματική απόδοση (Συστήματος σε εσωτερικό χώρο) 3 bit/s/hz 2.25 bit/s/hz Α.Καραχάλιου 11

12 Αναλύοντας τον πίνακα βλέπουμε οτι η μέγιστη ταχύτητα είναι 1Gbit/s για το downlink για στάσιμους χρήστες, ενώ για χρήστες εν κινήση η μέγιστη επιτεύξιμη ταχύτητα είναι 100 Mbit/s. Αξίζει να σημειωθεί οτι η μέγιστη ταχύτητα χρήστη που μπορεί να υποστηριχθεί είναι 350 km/h. Φασματική απόδοση είναι η ελάχιστη χωριτικότητα του δικτύου και εκφράζει το βαθμό εκμετάλλευσης του φάσματος. Σε ιδανικες συνθήκες (χωρίς υψηλές ταχύτητες και οχι σε εσωτερικούς χώρους) το LTE-A σύστημα μπορεί να υποστηρίξει 30 bps/hz στο downlink και 15 bps/hz στο uplink. 1.1 Αρχιτεκτονική του LTE-Advanced συστήματος Με σκοπό να παρέχει ύψιστη ποιότητα παρεχόμενων υπηρεσιών και παράλληλα υψηλότερες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, η αρχιτεκτονική του δικτύου στο LTE Advanced σύστημα σχεδιάστηκε ώστε να υποστηρίζει την κυκλοφορία με μεταγωγή πακέτων. Το LTE αποτελείται από τα 3 ακόλουθα μέρη: User Equipment (UE). Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). The Evolved Packet Core (EPC). To evolved packet core επικοινωνεί με εξωτερικά δίκτυα πακέτων δεδομένων, όπως είναι το internet, ιδιωτικά εταιρικά δίκτυα ή το υποσύστημα πολυμέσων IP. Η παρακάτω εικόνα απεικονίζει τη συνολική αρχιτεκτονική του δικτύου με το εξελιγμένο σύστημα πακέτων (EPS) μαζί με τα στοιχεία του δικτύου και τις τυποποιημένες διεπαφές. Εικόνα 1: Αχιτεκτονική του συστήματος LTE-Advanced Α.Καραχάλιου 12

13 1.1.1 User Equipment Ο εξοπλισμός χρήστη(ue) είναι η συσκευή που διαθέτει ο χρήστης για την πραγματοποίηση φωνητικών κλήσεων και για εφαρμογών επικοινωνίας όπως για παράδειγμα VoIP. Είναι η διεπαφή του τελικού χρήστη με το δίκτυο το οποίο και επιτελεί όλες τις λειτουργίες. Αντίστοιχα με την εσωτερική αρχιτεκτονική του κινητού εξοπλισμού (user equipment) που χρησιμοποιείται από το UMTS και το GSM, έτσι και στο LTE, ο κινητός εξοπλισμός (Mobile equipment: ΜΕ) αποτελείται απο τα ακόλουθα μέρη: Mobile Termination (MT) : Χειρίζεται όλες τις λειτουργίες επικοινωνίας. Terminal Equipment (TE) :Τερματίζει τις ροές δεδομένων. Universal Integrated Circuit Card (UICC). Η UICC βασίζεται στην εφαρμογή (USIM)Παγκόσμια Μονάδα Ταυτότητας Συνδρομητή. Για κινητές συσκευές που τρέχουν πάνω σε LTE σύστηματα είναι η γνωστή κάρτα SIM. Η Παγκόσμια Μονάδα Ταυτότητας Συνδρομητή (USIM) περιέχει τα στοιχεία και τα δεδομένα κάθε χρήστη. Τέτοια στοιχεία είναι για παράδειγμα ο αριθμός τηλεφώνου του χρήστη, τα κλειδιά ασφαλείας του, η ταυτότητα του οικιακού του δικτύου και άλλα E-UTRAΝ The access network Το E-UTRAN πραγματεύεται την ασύρματη επικοινωνία ανάμεσα στο κινητό και στο εξελιγμένο πυρήνα πακέτων (evolved packet core). Αποτελείται από το enodeb ή αλλιώς enb ( evolved base stations), που ειναι ο εξελιγμένος σταθμός βάσης. Κάθε enodeb έχει υπό τον έλεγχο του ένα σύνολο κινητών μίας ή περισσοτέρων κυψελών. Το serving enb σε κάθε κινητό είναι ο σταθμός βάσης ο οποίος είναι υπεύθυνος για την επικοινωνία του κινητού.σε κάθε δεδομένη χρονική στιγμή, το LTE μπορεί να επικοινωνήσει μόνο με μία κυψέλη και με ένα σταθμό βάσης. Από το eνβ μπορούν να υποστηριχθούν οι δύο ακόλουθες λειτουργίες. To enb διεκπεραιώνει τις ασύρματες μεταδόσεις (αποστολή και λήψη ασύρματων σημάτων ) για όλα τα κινητά με τη χρήση αναλογικών και ψηφιακών λειτουργιών επεξεργασίας σήματος του LTE air interface. To enb με την αποστολή μηνυμάτων σηματοδοσίας, όπως εντολές (μεταβίβασης), έχει υπο τον έλεγχο του τη χαμηλού επιπέδου λειτουργία όλων των κινητών τηλεφώνων που εξυπηρετούνται από αυτόν. Κάθε ένα enb συνδέεται με το Evolved Packet Core μέσω της διεπαφής S1 και της διεπαφής Χ2 όταν συνδέεται με κοντινούς σταθμούς βάσης. Η διεπαφή Χ2 χρησιμοποιείται κυρίως για τη σηματοδοσία και τη δρομολόγηση της ροής πακέτων καθώς πραγματοποιείται ένα handover. Επιπλέον το enodeb είναι το σημείο τερματισμού όλων των ραδιο-πρωτοκόλλων προς τον UE και ταυτόχρονα το σημείο απο το οποίο αναμεταδίδονται τα δεδομένα προς το EPC. Επίσης, το enodeb εκτελεί κρυπτογράφηση/αποκρυπτογράφηση των δεδομένων του User Equipment και συμπίεση/αποσυμπίεση των IP κεφαλίδων, ώστε να μην επαναλαμβάνεται η αποστολή ίδιων δεδομένων στην IP κεφαλίδα. Το home enb (HeNB) αγοράζεται από τον χρήστη και αποτελεί έναν σταθμό βάσης που παράγει femtocell κάλυψη (μέσω φεμτοκυψέλης) μέσα σε ένα σπίτι. Επιπλέον, εξυπηρετεί τα κινητά τηλέφωνα μίας κλειστής ομάδας συνδρομητών (CSG) των οποίων Α.Καραχάλιου 13

14 τα κινητά τηλέφωνα προσεγγίζουν αυτό το σταθμό βάσης μέσω της USIM με την προυπόθεση οτι και η USIM τους ανήκει σε αυτή τη συγκεκριμένη κλειστή ομάδα συνδρομητών. Ένας ΗeNB συνδέεται με τον EPC είτε μέσω μιας ενδιάμεσης συσκευής, μιας πύλης HeNB που συλλέγει πληροφορίες απο διάφορους HeNB, είτε με τον ίδιο τρόπο που συνδέεται κάθε άλλος σταθμός βάσης. Σε αντίθεση με το Enb, το HeNB δεν υποστηρίζει τη Χ2 διεπαφή και έχει υπο τον έλεγχο του μία μόνο κυψέλη. Εικόνα 2: Αρχιτεκτονική E-UTRAN Διεπαφή X2 Η διεπαφή Χ2 διεκπεραιώνει την επικοινωνία μεταξύ των enodebs. Επίσης μεταφέρει πληροφορίες επιπέδου χρήστη καθώς και επιπέδου δικτύου και έχει ως στόχο να εκτελείται η επικοινωνία κατά τη διαρκεια κινητικότητας του χρήστη με την ελάχιστη δυνατή απώλεια πακέτων. Η διεπαφή αυτή προωθεί τα μη απεσταλμένα πακέτα από το παλιό enodeb στο νέο κατά την κίνηση του τερματικού του χρήστη μέσα στο δίκτυο πρόσβασης. Διεπαφή S1 Η διεπαφή S1 διεκπεραιώνει την επικοινωνία του enobe και του S-GW ως S1-U, μέσω της οποίας γίνεται η μεταφορά των δεδομένων του χρήστη, αλλά και του enodeb με το MME.Η διεπαφή αυτή ονομάζεται S1-MME και χρησιμοποιείται για τη μεταφορά πληροφοριών επιπέδου ελέγχου, όπως υποστήριξης κινητικότητας, υπηρεσίες τοποθεσίας και διαχείρισης δικτύου. Α.Καραχάλιου 14

15 1.1.3 Evolved Packet Core Ο πυρήνας δικτύου EPC (Evolved Packet Core) είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο όλων των User Equipments και την εγκατάσταση και τη λειτουργία των φορέων (bearers). Αποτελείται από τους παρακάτω κόμβους: HSS: Ο Home Subscriber διακομιστής (HSS) αποτελεί την κεντρική βάση δεδομένων του δικτύου η οποία προέρχεται από την αρχιτεκτονική του GSM και UMTS και περιλαμβάνει στοιχεία και πληροφορίες για τους συνδρομητές όλων των φορέων εκμετάλλευσης (operators) του δικτύου αυτού. Ο HSS περιλαμβάνει δυναμικές πληροφορίες όπως είναι η ταυτότητα του MME στην οποία είναι συνδεδεμένος ο χρήστης τη δεδομένη χρονική στιγμή και μπορεί επίσης να ενσωματώσει το κέντρο ελέγχου ταυτότητας (AUC authentication center), το οποίο πραγματοποιεί έλεγχο ταυτότητας και των κλειδιών ασφαλείας. PCRF: O PCRF (Policy Control and Charging Rules Function) είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο της πολιτικής λήψης αποφάσεων καθώς και για τον έλεγχο των λειτουργιών χρέωσης με βάση τη ροή στο PCEF (Policy Control Enforcement Function). Επιπλέον, εξουσιοδοτεί το QoS (QoS class identifier [QCI]) σύμφωνα με το οποίο αποφασίζεται πως θα αντιμετωπιστεί μια συγκεκριμένη ροή δεδομένων και οτι η αντιμετώπιση αυτή είναι σύμφωνη με τη συνδρομή του χρήστη. P-GW: Το PDN (P-GW) αντιπροσωπεύει την πύλη δικτύου πακέτων δεδομένων και είναι το σημείο επαφής του Evolved Packet Core με τον εξωτερικό κόσμο. Μέσω της διεπαφής SGi, κάθε πύλη PDN ανταλλάσει δεδομένα με εξωτερικές συσκευές (PDNs) όπως είναι για παράδειγμα οι συνδρομητές φορέων εκμετάλλευσης δικτύου, το διαδικτυο ή και το IMS. Κάθε δίκτυο πακέτων δεδομένων χαρακτηρίζεται από το APN, ένα όνομα σημείου πρόσβασης. Κάθε φορέας εκμετάλλευσης δικτύου συνήθως χρησιμοποιεί ένα ΑΡΝ για τους δικούς του διακομιστές και ένα ΑΡΝ για το διαδίκτυο. Μια προεπιλεγμένη πύλη PDN εκχωρείται σε κάθε κινητό όταν ενεργοποιείται για πρώτη φορά, ώστε να μπορεί να δίνει ενεργή σύνδεση σε ένα προεπιλεγμένο δίκτυο πακέτων δεδομένων όπως είναι για παράδειγμα το διαδίκτυο. Έπειτα αν το κινητό επιθυμήσει να συνδεθεί σε περισσότερα PDNs, όπως για παράδειγμα σε ιδιωτικά εταιρικά δίκτυα, τότε θα μπορέσει να εκχωρηθεί σε περισσότερες από μία πύλες PDN. Κάθε πύλη PDN παραμένει η ίδια καθόλη τη διάρκεια της σύνδεσης δεδομένων. S-GW: Το S-GW αποτελεί μία πύλη εξυπηρέτησης η οποία ενεργεί σαν ένας δροµολογητής ο οποίος προωθεί τα δεδοµένα µεταξύ της πύλης PDN και του σταθµού βάσης. Κάθε πύλη S-GW εξυπηρετεί ένα σύνολο κινητών εντός μίας συγκεκριµένης γεωγραφικής περιοχής και κάθε δίκτυο µπορεί να περιέχει ελάχιστα διαφορετικά S- GWs. Κάθε κινητό εκχωρείται σε µια συγκεκριμενη πύλη S-GW, αλλά το S-GW µπορεί να αλλάξει αν το κινητό µετατοπιστεί αρκετά µακριά από τη γεωγραφική περιοχή την οποία καλύπτει αυτό ΜΜΕ: Ο φορέας διαχείρισης της κινητικότητας (MME) ελέγχει την υψηλού επιπέδου λειτουργία του κινητού μέσω των μηνυμάτων σηματοδοσίας και του Home Subscriber Server (HSS). Όπως ισχύει και µε την πύλη εξυπηρέτησης S-GW, κάθε τυπικό δίκτυο µπορεί να περιέχει ελάχιστο αριθμό από MME, όπου ο καθένας από αυτούς καλύπτει µια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Κάθε κινητό εκχωρείται σε έναν ενιαίο MME, ο οποίος είναι γνωστός ως ο MME εξυπηρέτησής του, αλλά αυτό µπορεί να αλλάξει αν το κινητό κινείται σε μεγάλη απόσταση. Επίσης, ο MME επικοινωνεί με τα άλλα στοιχεία του δικτύου, µέσω των µηνυµάτων σηµατοδοσίας που είναι στο εσωτερικό του EPC. Α.Καραχάλιου 15

16 2. ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ Η LTE ποιότητα υπηρεσίας (QoS) έχει γίνει ένας πολύ σημαντικός παράγοντας στο σχεδιασμό του δικτύου στα πλαίσια της ανάπτυξης του LTE- Advanced συστήματος. Καθώς υπάρχουν συνδρομητές που χρησιμοποιούν τις υπηρεσίες LTE για την εξυπηρέτηση κρίσιμων λειτουργιών (π.χ. φωνητικές κλήσεις, τραπεζικές συναλλαγές, λειτουργίες του νοσοκομείου), αλλά και συνδρομητές που θέλουν απλά να περιηγηθούν στο Διαδίκτυο και να χρησιμοποιήσουν εφαρμογές, το LTE σχεδιάστηκε έτσι ώστε να ανταποκρίνεται σε αυτές τις αυξημένες απαιτήσεις για δεδομένα αλλά και στις απαιτήσεις για εφαρμογές με αξιόπιστες συνδέσεις και χαμηλό κόστος εγκατάστασης. Το QoS στο LTE Advanced ορίζει προτεραιότητες για ορισμένους πελάτες ή για κάποιες υπηρεσίες κατά τη συμφόρηση του δικτύου. QoS είναι δηλαδή η δυνατότητα να δοθεί διαφορετική προτεραιότητα σε διαφορετικές εφαρµογές, και με αυτο τον τρόπο να εγγυηθεί το δίκτυο ένα ορισµένο επίπεδο απόδοσης ροής δεδοµένων. Καθώς η ικανότητα δικτύων είναι περιορισµένη, η ποιότητα υπηρεσίας είναι σηµαντική, ειδικά για τις εφαρµογές πραγµατικού χρόνου streaming media, όπως Voice over IP (VoIP) και της IP-TV, δεδοµένου ότι αυτές απαιτούν σταθερό ρυθµό μετάδοσης και είναι ευαίσθητες στην ανοχή της καθυστέρησης. Οι σημαντικότερες παράμετροι που καθορίζουν την ποιότητα υπηρεσίας QoS είναι οι εξής: Καθυστέρηση: Όσο πιο μεγάλη είναι η καθυστέρηση μεταφοράς των δεδομένων, τόσο μικρότερη είναι η ταχύτητα συναλλαγής. Διακύμανση καθυστέρησης: Αναφέρεται στη μεταβλητότητα του χρόνου άφιξης των πακέτων στον παραλήπτη και είναι πιο εμφανής στις υπηρεσίες πραγματικού χρόνου. Απώλεια δεδομένων: Αναφέρεται στο ποσοστό των δεδομένων που δεν παραδίδονται στον παραλήπτη ή που παραδίδονται με μη ανεκτό περιθώριο σφάλματος. Κάποιες εφαρμογές είναι ανεκτές σε ένα περιορισμένο βαθμό απώλειας δεδομένων αλλά άλλες όπως η μεταφορά αρχείων όχι. 2.1 LTE QoS σε επίπεδο bearer Στο LTE-Α δίκτυο το QoS εφαρμόζεται σε ένα σύνολο φορέων (bearers). «Φορέας» είναι εικονική έννοια και αντιστοιχεί σε ένα σύνολο συνθέσεων του δικτύου ώστε να παρέχει ειδική μεταχείριση για ορισμένη ροή δεδομένων. Η κίνηση μεταξύ μίας εφαρμογής χρήστη και μιας υπηρεσίας μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε διαφορετικές ροές δεδομένων, καθεμία από τις οποίες ονομάζεται ροή δεδομένων υπηρεσιών (Service Data Flows, (SDFs)). Οι SDFs που οδηγούνται στον ίδιο φορέα λαμβάνουν ίδια QoS. Όμως, για διαφορετικές εφαρμογές διαδικτύου σε LTE κυκλοφορία(traffic), μπορούν να εφαρμοστούν διάφορετικά επίπεδα QoS. Για παράδειγμα, το δίκτυο δίνει μεγαλύτερη προτεραιότητα στα πακέτα VoIP σε σύγκριση με την κίνηση του web φυλλομετρητή. Υπάρχουν τρία είδη bearers: Οι ράδιο-κομιστές σύνδεσης (radio bearer). Οι κομιστές σύνδεσης (S1 bearer). Οι EPS bearers σύνδεσης. Α.Καραχάλιου 16

17 Οι radio bearers φέρουν πληροφορία πάνω στην ραδιο-διεπαφή και εγκαθιδρύονται χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο RRC, ενώ οι S1 bearers υπάρχουν μεταξύ enodeb και του MME/S-GW και υπάρχει μια ένα προς ένα αντιστοίχηση μεταξύ των radio bearers, των S1 bearers και των EPS bearers. Οι EPS bearers βρίσκονται μεταξύ του MME και του S-GW και παρέχουν υπηρεσίες σύνδεσης ώστε να έχει πρόσβαση το E- UTRAN στο EPS. Μία σημαντική έννοια που αφορά τους EPS bearers είναι το Πρότυπο Ροής Κίνησης (TFT,Traffis Flow Template) η οποία χρησιμοποιείται για να διακρίνονται τα διαφορετικά φορτία κίνησης. Το TFT χρησιμοποιεί κεφαλίδα IP, όπως διεύθυνση IP ή νούμερο θύρας, για να πραγματοποιήσει την διάκριση των φορτίων. Κάθε TFT αντιστοιχεί σε ένα QoS και έτσι όλα τα δεδομένα που αντιστοιχούν σε ένα TFT έχουν την ίδια μεταχείριση όσον αφορά το QoS. Στο LTE-Advanced σύστημα υπάρχουν δύο ειδών EPS bearers: Guaranteed Bit Rate, (GBR): Στην περίπτωση αυτή οι πόροι εντός του δικτύου κατανέμονται μόνιμα όταν ο bearer εγκαθίσταται ή διαμορφώνεται. Non-Guaranteed Bit Rate (Non-GBR): Στην περίπτωη αυτή οι bearers δεν εγγυώνται ελάχιστο ρυθμό μετάδοσης και δεν αφιερώνουν μόνιμα πόρους. Έτσι, μια υπηρεσία που χρησιμοποιεί ένα Non-GBR bearer, όπως για παράδειγμα μία υπηρεσία ιστού, σε κατάσταση συμφόρησης ενδεχομένως να αντιμετωπίσει απώλειες πακέτων. Ένας Non-GBR bearer αναφέρεται και ως dedicated bearer και χρησιμοποιείται επίσης για την εγκατάσταση σύνδεσης IP και παραμένει εγκατεστημένος καθ όλη τη διάρκεια της σύνδεσης με το PDN για να προσφέρει αδιάκοπη συνδεσιμότητα προς αυτό. Η αρχιτεκτονική LTE-Advanced υποστηρίζει ολοκληρωμένο QoS, με end-to-end ποιότητα υπηρεσιών και εγγυημένο bit rate ( Guaranteed Bit Rate) για ράδιο φορείς (radio bearers). Τα δεδομένα μεταδίδονται από το ένα τμήμα του συστήματος στο άλλο μέσω των φορέων( bearers). Για διαφορετικές εφαρμογές διαδικτύου, σε LTE κυκλοφορία (traffic), μπορούν να εφαρμοστούν διάφορετικά επίπεδα QoS. Η ποιότητα υπηρεσιών QoS είναι χαρακτηριστική του κάθε φορέα και καθορίζει πώς τα δεδομένα θα μεταφερθούν, χρησιμοποιώντας παραμέτρους όπως η ταχύτητα δεδομένων, το ποσοστό σφάλματος και η καθυστέρηση.οι πληροφορίες που μεταφέρονται από έναν φορέα περιλαμβάνουν μια ή περισσότερες υπηρεσίες ροών δεδομένων, καθεμιά από τις οποίες μεταφέρει πακέτα για μια συγκεκριμένη υπηρεσία όπως το βίντεο. Με τη σειρά της, κάθε υπηρεσία ροής δεδομένων περιλαμβάνει μια ή περισσότερες ροές πακέτων,όπως οι ροές ήχου και βίντεο που συνθέτουν αυτή την υπηρεσία. Σε όλες τις ροές πακέτων όμως μέσα σε ένα συγκεκριμένο φορέα, το LTE προσφέρει την ίδια ποιότητα υπηρεσίας (QoS). Οι φορείς είναι δηλαδή αυτοί που προ-καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζεται η κίνηση ενος τελικού χρήστη στο LTE δίκτυο. Για κάποιους χρήστες το δίκτυο μπορεί να χειρίζεται κάποιους τύπους πληροφορίας με προτεραιότητα και να παρέχει εγγυημένο bit rate στη μετάδοση τους, ενώ για κάποιους άλλους να παρέχει χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης. Πιο απλά,οι LTE φορείς είναι σύνολα των παραμέτρων ενος δικτύου που καθορίζουν το χειρισμό των δεδομένων μετάδοσης. Ένα παράδειγμα χρήσης των φορέων ειναι οτι ένας «πριμοδοτημένος» συνδρομητής θα έχει ταχύτητα μετάδοσης τουλάχιστον 5Mbps, ενώ ένας απλός συνδρομητής δεν θα έχει εγγυημένο και σταθερό ρυθμό μετάδοσης και η ταχυτητα της μετάδοσης που θα παρέχεται σε αυτον θα εξαρτάται απο τις συνθήκες κίνησης στο δίκτυο. Ένας bearer είναι default ή dedicated bearer προκειμένου να χαρακτηριστεί ως GBR ή non-gbr. Α.Καραχάλιου 17

18 Εικόνα 3: LTE QoS σε επίπεδο bearer Default bearer Όταν ένας χρήστης συνδέεται στο LTE δίκτυο, για πρώτη φορά, θα πρέπει να ανατεθεί σε αυτόν ένας προεπιλεγμένος φορέας (default bearer), που παραμένει για όσο διάστημα είναι συνδεδεμένος ο χρήστης. Κάθε προεπιλεγμένς φορέας έχει μια διεύθυνση IP. Ο κάθε χρήστης μπορεί να έχει παραπάνω από εναν προεπιλεγμένο φορεα, κατα τη σύνδεσή του στο δίκτυο, αλλά με μια ξεχωριστή διεύθυνση IP για τον καθένα. Σε προεπιλογμένους φορείς το QCI (Quality Class Identifier), που μπορεί να τους ανατεθεί ανάλογα με τον πάροχο, κυμαίνεται από 5 μέχρι 9 που αντιστοιχεί σε μη εγγυημένο ρυθμό μετάδοσης (Non GBR). Dedicated bearers Οι αποκλειστικοί φορείς λειτουργούν ως επιπρόσθετοι του προεπιλεγμένου φορέα και παρέχουν ειδική σωλήνωση για κάποια κίνηση. Λόγω του οτι οι αποκλειστικοί φορείς είναι πάντα συνδεδεμένοι με κάποιον προεπιλεγμένο φορέα που έχει ήδη ανατεθεί πριν απο αυτούς, δεν έχουν ξεχωριστή IP διεύθυνση. Επίσης, οι αποκλειστικοί φορείς μπορεί να είναι είτε GBR είτε Non-GBR και βρίσκουν ιδιαίτερη εφαρμογή για υπηρεσίες που απαιτούν πολύ καλή ποιότητα εμπειρίας απο το χρήστη. Ένας αποκλειστικός φορέας έχει συνήθως μια καλύτερη QoS από ό,τι μπορεί να προσφέρει ο φορέας προεπιλογής και ειδικότερα μπορεί να έχει ένα εγγυημένο ρυθμό μετάδοσης bit. Έπομένως ένας ή περισσότεροι αποκλειστικοί φορείς απαιτούνται για την παροχή διαφορετικής QoS στο δίκτυο στην περίπτωση που υπάρχουν δύο διαφορετικές ροές πακέτου προς το ίδιο τερματικό. Ο διαχειριστής μπορεί να ελέγξει ποιες ροές πακέτου αντιστοιχίζονται στον dedicated bearer καθώς και το επίπεδο QoS του dedicated bearer μέσω των πολιτικών που προέρχονται από την PCRF. Ένα κινητό μπορεί να έχει ένα ανώτατο όριο 11 φορέων EPS [50], για να του δώσει συνδεσιμότητα σε διάφορα δίκτυα χρησιμοποιώντας πολλές διαφορετικές ποιότητες υπηρεσιών. Α.Καραχάλιου 18

19 2.2 QoS Class Identifier Στο LTE δίκτυο ένα σύνολο προκαθορισμένων QCI μεταβλητών εκφράζει κάποια χαρακτηριστικά, όπως είναι το περιθώριο καθυστέρησης πακέτων, τον αποδεκτό ρυθμό απώλειας πακέτων ή και παραμέτρους όπως τα κατώφλια υποδοχής, τα κατώφλια διαχείρισης ουράς και την ρύθμιση του πρωτοκόλλου επιπέδου σύνδεσης. Κάθε bearer έχει διαφορετική αντιμετώπιση από τον κόμβο πρόσβασης (π.χ. τον enodeb), η οποία είναι ανάλογη της τιμής του QCI που τον χαρακτηρίζει. Για παράδειγμα, ένα πακέτο με υψηλότερη προτεραιότητα μπορεί να προγραμματιστεί πριν από ένα πακέτο με χαμηλότερη προτεραιότητα. Επίσης για τους φορείς με χαμηλό αποδεκτό ποσοστό απώλειας, για να εξασφαλιστεί ότι τα πακέτα παραδίδονται επιτυχώς κατά μήκος της ράδιο διεπαφής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας αναγνωρισμένος τρόπος αναφοράς παράδοσης (Aknowledged Mode, (AM)). Πίνακας 2: QCI (Quality Class Identifiers) για το LTE 2.3 Over The Top provides O όρος over-the-top content (OTT) αναφέρεται στην παράδοση του ήχου, βίντεο και άλλων μέσων ενημέρωσης μέσω του Internet, χωρίς τη συμμετοχή του operator του δικτύου για τον έλεγχο ή τη διανομή του περιεχομένου. Ο πάροχος υπηρεσιών Internet μπορεί να γνωρίζει το περιεχόμενο των Internet Protocol πακέτων, αλλά δεν είναι υπεύθυνος, ούτε είναι σε θέση να ελέγχει, τα δικαιώματα, ή και πιθανές αναδιανομές του περιεχομένου. Το μοντέλο αυτό έρχεται σε αντίθεση με την αγορά ή τη μίσθωση του βίντεο ή ήχου από μια υπηρεσία παροχής Internet (ISP), όπως είναι η συνδρομητική τηλεόραση, το video on demand ή μια υπηρεσία IPTV βίντεο. Αξίζει να σημειωθεί ότι μια υπηρεσία OTT δεν είναι ένα δίκτυο μετάδοσης, αλλά μια υπηρεσία που τρέχει πάνω από ένα δίκτυο Internet. Επιπλέον, ο πάροχος υπηρεσιών OTT συνήθως διακρίνεται από τον πάροχο του υποκείμενου δικτύου. Ο όρος OTT που σημαίνει "over-the-top," Α.Καραχάλιου 19

20 χρησιμοποιείται για το delivery ταινιών και τηλεοπτικού περιεχομένου μέσω του Διαδικτύου, χωρίς να απαιτείται από τους χρήστες να εγγραφούν σε ένα παραδοσιακό κανάλι καλωδιακής ή δορυφορικής υπηρεσίας συνδρομητικής τηλεόρασης. Μια overthe-top (OTT) εφαρμογή είναι οποιαδήποτε εφαρμογή ή υπηρεσία που παρέχει ένα προϊόν μέσω του Διαδικτύου και παρακάμπτει την παραδοσιακή κατανομή καναλιών. Υπηρεσίες που έρχονται over-the-top συνήθως σχετίζονται με τα μέσα ενημέρωσης και επικοινωνίας και γενικά, αν και όχι πάντα, παρέχονται με χαμηλότερο κόστος συγκριτικά με την παραδοσιακή μέθοδο. Μια over-the-top εφαρμογή ειναι κάτι που εναντιώνεται στα παραδοσιακά μοντέλα χρέωσης, όπως από τηλεφωνικές εταιρίες ή καλωδιακές/ δορυφορικές εταιρείες. Παραδείγματα αποτελούν το Hulu ή το Netflix για το βίντεο, όπου αντικαθιστάται η τακτική ύπαρξης παροχέα της τηλεόρασής, ή το Skype όπου αντικαθίσταται, σε μεγάλη απόσταση, ο πάροχος. Η δημιουργία των εφαρμογών OTT έχει οδηγήσει σε μια ευρεία σύγκρουση μεταξύ των εταιρειών που προσφέρουν παρόμοιες υπηρεσίες. Για παράδειγμα, η σύγκρουση μεταξύ μιας εταιρείας όπως το Netflix και μιας παραδοσιακής καλωδιακής εταιρείας έγκειται στο γεγονός οτι οι καταναλωτές εξακολουθούν να πληρώνουν την καλωδιακή εταιρεία για πρόσβαση στο Internet, αλλά θα μπορούσαν να απαλλαγούν από το πακέτο διανομής καλωδίου (cable package) λόγω της ύπαρξης φτηνότερου video streaming μέσω του Διαδικτύου. Έτσι ενώ η καλωδιακή εταιρεία θέλει να προσφέρει γρήγορες λήψεις, υπάρχει εγγενής σύγκρουση συμφερόντων ώστε να μην υποστηρίζουν έναν ανταγωνιστή, όπως το Netflix, που παρακάμπτει το παραδοσιακό κανάλι διανομής καλωδίου. Η έλευση των smartphones έχει αυξήσει με ραγδαίο ρυθμό τις υπηρεσίες OTT, δηλαδή υπηρεσίες φωνής και βίντεο μέσω ασύρματων δικτύων, δεδομένου ότι έχουν πολυμέσα και προηγμένες λειτουργίες επικοινωνίας.οι περισσότεροι από εμάς έχουμε χρησιμοποιήσει τις υπηρεσίες OTT. Για την καλύτερη κατανόηση του όρου OTT, έστω ένα πακέτο δεδομένων 3G μιας εταιρείας κινητής τηλεφωνίας, από την οποία ένας χρήστης έχει αγοράσει ένα smartphone με το οποίο παρέχονται κλήσεις GSM και αποστολή SMS μηνυμάτων. Ο χρήστης μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει το Skype ή οποιαδήποτε άλλη VoIP υπηρεσία για φθηνότερες ή και δωρεάν φωνητικές κλήσεις και αποστολή SMS χρησιμοποιώντας το δίκτυο 3G. Εδώ η εφαρμογή Skype αναφέρεται ως OTT υπηρεσία. Ο πάροχος υπηρεσιών του οποίου οι υπηρεσίες δικτύου χρησιμοποιούνται για την OTT υπηρεσίες, δεν μπορεί να ελέγχει την ΟΤΤ υπηρεσία και δεν έχει κανένα δικαίωμα και καμία ευθύνη για αυτές τις υπηρεσίες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο χρήστης θα πρέπει να είναι ελεύθερος να κάνει χρήση του Διαδικτύου κατά τη βούληση του. Η μεταφορά στο δίκτυο έγγυται μόνο στη μεταφορά των πακέτων IP από την πηγή στον προορισμό. Το δίκτυο μπορεί να έχει επίγνωση των πακέτων και του περιεχόμενου τους, αλλά δεν είναι στη δικαιοδοσία του κάποια ευθύνη για αυτά. Άλλωστε, αυτό είναι που κάνει το VoIP να είναι μία πολύ οικονομικότερη και συχνά δωρεάν εναλλακτική λύση σε σύγκριση με τα ακριβά τηλεφωνήματα. Ο καλών δεν πληρώνει για μία συγκεκριμένη τηλεφωνική γραμμή, όπως συμβαίνει με την παραδοσιακή τηλεφωνία, αλλά χρησιμοποιεί το υπάρχον Internet χωρίς να έχει την αποκλειστικότητα της γραμμής. Στην πραγματικότητα, όσο αναφορά τους μηχανισμούς τιμολόγησης των περισσότερων υπηρεσιών VoIP, οι κλήσεις που διεκπεραιώνονται εντός του δικτύου (μεταξύ των χρηστών της ίδιας υπηρεσίας) είναι δωρεάν, ενώ αυτές που χρεώνονται είναι όσες αφορούν τη μετεγκατάσταση σε PSTN ή σε άλλο δίκτυο κινητής τηλεφωνίας. Α.Καραχάλιου 20

21 3. ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΕΜΠΕΙΡΙΑΣ 3.1 Μετάβαση από την ποιότητα υπηρεσίας στην ποιότητα εμπειρίας Τα τελευταία χρόνια, τα ασύρματα δίκτυα και οι επικοινωνίες πολυμέσων που σχετίζονται με την ανάπτυξη εφαρμογών, έχουν σημειώσει ραγδαία ανάπτυξη και αύξηση των απαιτήσεων των χρηστών για βελτιστοποιημένη ποιότητα δικτύου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να καταστήσει την ποιότητα του δικτύου έναν από τους κύριους στόχους για τις υπηρεσίες βελτιστοποίησης και συντήρησής του. Παραδοσιακά, οι μετρήσεις στα πλαίσια του δικτύου που περιορίζονταν στην προσβασιμότητα και την ποιότητα συντήρησης, ήταν αρκετές για να αξιολογηθεί η εμπειρία του χρήστη στις υπηρεσίες φωνής. Ωστόσο πλέον, για τις υπηρεσίες δεδομένων, οι μετρήσεις αυτές του δικτύου δεν αντικατοπτρίζουν απόλυτα και τα οφέλη εμπειρίας του χρήστη. Πρώτον, το σύστημα δεδομένων, λόγω της χρήσης της μεταγωγής πακέτων έναντι της μεταγωγής κυκλώματος, επηρεάζεται από την απόδοση των επιμέρους κόμβων και από τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση της πληροφορίας. Δεύτερον, οι ασύρματοι πόροι μοιράζονται τώρα μεταξύ πολλαπλών διαφορετικών εφαρμογών. Υπό αυτές τις συνθήκες, η αξιολόγηση της επίδοσης των υπηρεσιών δεδομένων διεξάγεται συνήθως με την παρακολούθηση επιμέρους ακροδεκτών στο πραγματικό δίκτυο. Η end-to-end ποιότητα υπηρεσίας που βιώνει ένας τελικός χρήστης προέρχεται από ένα συνδυασμό στοιχείων καθόλη τη στοίβα πρωτοκόλων και των συστατικών του συστήματος. Έτσι, η αξιολόγηση της επίδοσης των υπηρεσιών απαιτεί μια λεπτομερή ανάλυση των επιδόσεων στο σύνολο του δικτύου, από τον εξοπλισμό του χρήστη(user equipment) μέχρι τον server της εφαρμογής. Η ποιότητα εμπειρίας (QoE) είναι μια υποκειμενική μέτρηση της ποιότητας που βιώνει ένας χρήστης, όταν αυτός χρησιμοποιεί μια υπηρεσία τηλεπικοινωνιών. Ο στόχος που επιδιώκεται κατά την αξιολόγηση της ποιότητας υπηρεσίας (QoS) είναι η προσέγγιση της βελτιστοποιημένης λειτουργίας του δικτύου με καθαρά αντικειμενικές παραμέτρους, ή η ανάγκη προσδιορισμού της ποιότητας στην οποία ο χρήστης είναι ικανοποιημένος, καθώς και το επίπεδο ικανοποίησης του. Ωστόσο, η ποιότητα εμπειρίας(qoe) πηγαίνει πιο μακρυά και λαμβάνει υπόψη της την ικανοποίηση που ένας χρήστης λαμβάνει τόσο όσον αφορά το περιεχόμενο, όσο και τη χρήση των εφαρμογών. Με αυτή την έννοια, η εισαγωγή των smartphones αποτελεί ένα μεγάλο άλμα στις προσδοκίες του χρήστη για QoE. 3.2 Ποιότητα της εμπειρίας Η ποιότητα εμπειρίας (QoE) ασχολείται κυρίως με το πόσο ένα άτομο είναι ικανοποιημένο από την παρεχόμενη υπηρεσία από την άποψη της χρηστικότητας, της προσβασιμότητας και της διατήρησης της ακεραιότητας της υπηρεσίας. Η ποιότητα εμπειρίας λαμβάνει υπόψη της τις end-to-end επιπτώσεις του συστήματος, όπως τα αποτελέσματα στον χρήστη του δικτύου και την υποδομή των υπηρεσιών. Λαμβάνει επίσης υπόψη της τη διάθεση του τελικού χρήστη, τα συναισθήματα και τη φυσική κατάσταση η οποία περιβάλλει την ψυχολογία του. Έτσι, δεν υπάρχει κάποιος συγκεκριμένος ορισμός του QoE, που να είναι παγκοσμίως αποδεκτός. Η QoE εξετάζει την ατομική εμπειρία του συνδρομητή με μια υπηρεσία, σε αντίθεση με το QoS που εξετάζει τα τεχνικά χαρακτηριστικά του δικτύου. Η γνώση της πραγματικής εμπειρίας του χρήστη είναι πολύ σημαντική για τους παράχους στην προσπάθεια τους Α.Καραχάλιου 21

22 να ανταποκριθούν στα επίπεδα ικανοποίησης του πελάτη. Κι έτσι γι αυτό το λόγο, οι πάροχοι μπορούν να στρέψουν την προσοχή τους προς αυτή την κατεύθυνση. Το QoE λοιπόν ανήκει σε ένα υψηλότερο, πιο αφηρηµένο επίπεδο το οποίο αφορά την εµπειρία του τελικού χρήστη και µπορεί να θεωρηθεί και ως επέκταση στο επίπεδο εφαρµογής. Έτσι, το QoE γίνεται αντιληπτό σαν µια επέκταση του QoS. Ορισμένοι εξωτερικοί παράγοντες του δικτύου από τους οποίους εξαρτάται η ποιότητα υπηρεσίας ειναι οι εξής: Ο τύπος και το περιεχόµενο της υπηρεσίας Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του τερματικού του χρήστη Η πολιτική κοστολόγησης Η ευρωστία του συστήματος 3.3 Διαχείριση της Ποιότητας εμπειρίας σε Δίκτυα κινητής τηλεφωνίας Οι τηλεπικοινωνιακοί φορείς αντιμετώπισαν τα τελευταία χρόνια μία ραγδαία αλλαγή απαιτήσεων από την ανάγκη για εγγύηση τεχνικής ποιότητας στην ανάγκη για εγγυήσεις ικανοποίησης της εμπειρίας του πελάτη. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να επινοηθούν νέοι όροι για τη μέτρηση, τη διαχείριση και τη βελτίωση της ποιότητας εμπειρίας του χρήστη, με κυρίαρχο όρο το QoE. Ως ποιότητα της εμπειρίας (QoE) ορίζεται από την ITU-T η αποδοχή της εφαρμογής ή υπηρεσίας από τον χρήστη. Είναι δηλαδή μία ευρεία και γενική έννοια, και ως εκ τούτου ενσωματώνει συνειδητές ή ασυνείδητες πτυχές, που επηρεάζουν τη συνολική ικανοποίηση του χρήστη, και περιγράφουν «το βαθμό της απόλαυσης ή ενόχλησης» του όταν χρησιμοποίησε αυτή την εφαρμογή ή υπηρεσία. Για το σκοπό αυτό, υλοποιήθηκε ένα framework που επιτρέπει τη διαχείριση της ποιότητας εμπειρίας στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Τα δομικά στοιχεία, οι δυνατότητες των λειτουργιών τους και οι μεταξύ τους απαιτούμενες αλληλεπιδράσεις παρουσάζονται παρακάτω. Α.Καραχάλιου 22

23 Εικόνα 4: Το framework διαχείρισης της ποιότητας εμπειρίας QoE Στον πυρήνα αυτού του framework υπάρχει μία κεντρική οντότητα διαχείρισης του QoE, η οποία εφαρμόζεται σε μία διοικητική θέση στο δίκτυο του χρήστη πάνω από το κυψελοειδές δίκτυο κινητής τηλεφωνίας. Αυτή η οντότητα είναι σε θέση να συλλέξει τα δεδομένα εισόδου, που σχετίζονται με το QoE, και να εφαρμόσει αποφάσεις με γνώμονα τη διαχείριση του QoE του δικτύου. Αποτελείται από τρία βασικά δομικά στοιχεία: το QoE-ελεγκτή(QoE-controller), τον QoE-επόπτη(QoE-monitor) και τον QoEδιαχειριστή(QoE-manager). QoE-controller Ο QoE-ελεγκτής (QoE-controller) αναλαμβάνει τη διασύνδεση μεταξύ της κεντρικής οντότητας και του υποκείμενου δικτύου, συγχρονίζοντας την επικοινωνία και στις δύο κατευθύνσεις, ενώ ακόμα είναι υπεύθυνος για τη διαδικασία απόκτησης δεδομένων, ζητώντας και συλλέγοντας ανατροφοδότηση από κατάλληλες πηγές δεδομένων όπως π.χ. ορισμένους δείκτες QoS. Επιπλέον, ο QoE-ελεγκτής αποφασίζει και επιβάλλει την περιοδικότητα αυτής της διαδικασίας (μέσω (1)), δηλαδή ελέγχει το πόσο συχνά θα πρέπει να δημιουργούνται ή να συγκεντρώνονται δεδομένα εισόδου QoE, και κατά συνέπεια πόσο συχνά θα αξιολογείται η ποιότητα της εμπειρίας (QoE). Έχοντας συγκεντρώσει τα απαραίτητα δεδομένα, το συστατικό αυτό παρέχει δεδομένα εισόδου και για τον QoE-επόπτη (QoE-monitor) και για τον QoE-διαχειριστή (QoEmanager),((3α) και (3β), αντίστοιχα). Πιο συγκεκριμένα, παρέχει QoE-δεδομένα εισόδου ανα ροή στο προηγούμενο στοιχείο και πληροφορίες σχετικά με την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου (όπως για παράδειγμα τοπολογία δίκτυου,διαθεσιμότητα πόρων, κ.λπ.) στο επόμενο. Τέλος, ο QoE-ελεγκτής εφαρμόζει κάθε QoE απόφασή του πίσω στο δίκτυο κατά τη διάρκεια του τελικού σταδίου του βρόχου διαχείρισης του QoE (6). Α.Καραχάλιου 23

24 QoE- monitor Ο QoE- επόπτης (QoE- monitor) είναι υπεύθυνος για την εκτίμηση του QoE ανά session του χρήστη, καθώς και για την αναφορά αυτής στον QoE- διαχειριστή (QoEmanager)(4). Χρησιμοποιώντας σαν είσοδο δεδομένα που προέρχονται από τον QoEελεγκτή (QoE- controller), ο QoE- επόπτης αρχικά εκτελεί ταξινόμηση της κυκλοφορίας για να συμπεράνει το είδος της κίνησης της εξεταζόμενης ροής, όπου αυτή η διαδικασία είναι εφικτή με τη χρήση στατιστικής ανάλυσης. Στον QoE-επόπτη υπάρχουν ήδη ενσωματωμένες λειτουργίες για την αξιολόγηση της ποιότητας εμπειρίας (QoE). Αυτές οι διαθέσιμες λειτουργίες αναφέρονται ως "Μοντέλα QoE", δηλαδή φόρμουλες για τον ποσοτικό προσδιορισμό του QoE μίας υπηρεσίας, και είναι διαφορετικές ανά κυκλοφορία ή τύπο υπηρεσίας (π.χ. βίντεο / φωνής / δεδομένων). Ανάλογα με τον τύπο κυκλοφορίας, το μοντέλο σωστής εκτίμησης του QoE επιλέγεται από τον QoE-επόπτη, και έπειτα ακολουθεί εκτίμηση της ποιότητας υπηρεσίας. Πρέπει να σημειωθεί ότι όλα τα διαθέσιμα QoE μοντέλα ενσωματώνονται offline στον QoE-επόπτη από τους operators, δηλαδή κατά τη φάση σχεδιασμού της κεντρικής οντότητας διαχείρισης του QoE και πριν τη λειτουργία σε πραγματικό χρόνο. Αυτό το γεγονός κάνει την αρχική επιλογή των QoE μοντέλων πολύ σημαντική. QoE- Manager Ο QoE-διαχειριστής (QoE- Manager) αποτελεί το τελευταίο στοιχείο αυτού του framework και είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση οποιουδήποτε τύπου εμπειρίας του πελάτη (5a) or (5b). Χρησιμοποιεί δεδομένα εισόδου από τον QoE-ελεγκτή σχετικά με την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου, εκτιμώμενες βαθμολογίες της ποιότητας της εμπειρίας μέσω της QoE-επόπτη, και πληροφορίες ειδικές για κάθε φορέα, όπως είναι πολιτικές του δικτύου ή συμφωνίες επιπέδου υπηρεσιών (SLAs). Αυτό είναι ένας τρόπος να αποφασίσει και να επιβάλει τα αναγκαία μέτρα που χρειάζεται να επιβληθούν στο δίκτυο για την επίλυση των προβλημάτων ποιότητας. Κάθε απόφαση σχετική με την ποιότητα της εμπειρίας QoE είναι ειδική για κάθε σύστημα, που σημαίνει ότι η πραγμάτωσή της εξαρτάται από το υποκείμενο δίκτυο. Οι δράσεις προσαρμογής / ελέγχου που απορρέουν από αυτές τις αποφάσεις εφαρμόζονται στο δίκτυο μέσω του QoE-ελεγκτή (6). Το framework αυτό για end-to-end διαχείριση της QoE συμβάλλει στην παροχή ενός πιο δομημένου τρόπου διαχείρισης της ποιότητας της εμπειρίας σε δίκτυα κινητής τηλεφωνίας και φιλοδοξεί στην προσαρμογή του ανάλογα με τις μελλοντικές ανάγκες και απαιτήσεις για QoE Management. Α.Καραχάλιου 24

25 4. NS3 Simulator Ο Ns-3 ως προσομοιωτής δικτύου διακριτού τύπου συμβάντων, έχει ως στόχο να εξυπηρετήσει τις ερευνητικές και εκπαιδευτικές ανάγκες εξομοίωσης των δικτύων. Το συγκεκριμένο λογισμικό παρέχει επεκτάσιμο και ανοιχτό κώδικα που προσομοιώνει το δίκτυο. Με τη δημιουργία ενός εύχρηστου και καλά τεκμηριωμένου κώδικα, το ns-3 έχει ως στόχο να χρησιμοποιηθεί ως εξομοιωτής δικτύων πραγματικού χρόνου, τα οποία συνδέονται με τον πραγματικό κόσμο και επιτρέπουν πολλές από τις υπάρχουσες εφαρμογές του να χρησιμοποιηθούν για δικτυακή έρευνα. Είναι ενημερωμένο με τις πιο πρόσφατες ανάγκες της δικτυακής έρευνας, έτσι ώστε να ενθαρρύνει τη συμμετοχή της κοινότητας χρηστών του και να επιτρέπει την επαλήθευση του λογισμικού του. Ακόμα ένα προσόν του ns-3 είναι ότι πρόκειται για έναν προσομοιωτή με πολύ υψηλούς στόχους σχεδίασης. Όντας γραμμένος σε Python και C++ και σε συνδυασμό με τα διαθέσιμα σενάρια προσομοίωσης έχει ως σκοπό να διευκολύνει τους χρήστες με την ολοκληρωμένη υποστήριξή που διαθέτει για την κάθε γλώσσα. Η χρήση γεγονότος με την επανάκληση είναι μια απλή κλήση μίας συνάρτησης η οποία έχει χρονοπρογραμματιστεί να εκτελείτε σε συγκεκριμένο χρόνο εξομοίωσης, με αυτόν τον τρόπο παύει πλέον να είναι απαραίτητη η ανάγκη για παρουσία ειδικευμένων συναρτήσεων έτσι ώστε να εποπτεύουν κεντρικά την όποια επεξεργασία των γεγονότων η οποία πραγματοποιείται στα αντικείμενα της εξομοίωσης. Ο πυρήνας του ns-3 είναι ευέλικτος και διαθέτει παράλληλα ένα επίπεδο αντικειμένων που έχει ως σκοπό να βοηθήσει. Επι προσθέτως, δίνει ιδιαίτερη σημασία στην εξομοίωση, δηλαδή επιτρέπει την αλληλεπίδραση χρήστη-πραγματικού κόσμου. Ο ns-3 έχει εκμεταλλευτεί την αρχιτεκτονική του λειτουργικού Linux έτσι ώστε να σχεδιάσει τα αντικείμενα-κόμβους του, έχοντας ως αποτέλεσμα την επαναχρησιμοποίηση του κώδικα που προϋπάρχει και την βελτίωση των μοντέλων της τα οποία προσεγγίζουν την ρεαλιστικότητα. Ο εξομοιωτής χρησιμοποιεί ένα ενοποιημένο σύστημα ιδιοτήτων το οποίο εξυπηρετεί την διαχείριση των παραμέτρων στην φάση της εξομοίωσης. Το μόνο που απουσιάζει από τον συγκεκριμένο προσομοιωτή είναι το περιβάλλον ανάπτυξης που χρησιμοποιείται για την διαμόρφωση, διόρθωση, εκτέλεση και οπτικοποίηση που πραγματοποιείται στις εξομοιώσεις στο παράθυρο εφαρμογής όπως όπως είθισται σε άλλους εξομοιωτές. 4.1 Στοιχεία για την υλοποίηση της προσομοίωσης Μία εξομοίωση για να υλοποιηθεί προαπαιτείται η δημιουργία ενός προγράμματος πάνω σε γλώσσα C++.Το πρόγραμμα αυτό θα χρησιμοποιεί τις βιβλιοθήκες του ns-3 έτσι ώστε να πετύχει την προσομοίωση που θέλουμε. Υπάρχουν κάποια βασικά αντικείμενα που μας διευκολύνουν ως προς την δημιουργία του σεναρίου που επιθυμούμε, αυτά είναι : Κόμβοι (Nodes). Με τον όρο κόμβο στο ns-3 ονομάζουμε την βασική έννοια της υπολογιστικής συσκευής. Η υλοποίηση της έννοιας αυτής στην γλώσσα C++ πραγματοποιείται από την κλάση Node.Ο κόμβος μπορεί να διαθέτει στοίβες πρωτοκόλλων, εφαρμογές καθώς ακόμα και περιφερειακές κάρτες σύνδεσης οι οποίες επιτρέπουν στον υπολογιστή να εκτελέσει χρήσιμες λειτουργίες για την εξομοίωση. Εφαρμογές (Applications).Οι έννοιες λειτουργικό σύστημα και κλήσεις συστήματος δεν υπάρχουν στον ns-3.σε αντίθεση με αυτές όμως χρησιμοποιείται η έννοια της εφαρμογής. Με τον ίδιο τρόπο που εκτελείται μια εφαρμογή σε έναν υπολογιστή για να διατελέσει μια εργασία στον πραγματικό κόσμο με τον ίδιο τρόπο Α.Καραχάλιου 25

26 εκτελούνται και οι εφαρμογές στον ns-3 σε κόμβους Node έτσι ώστε να διατελέσουν εργασίες στην εξομοίωση. Επομένως η κεντρική αφαιρετική έννοια η οποία περιγράφεται μέσω ενός προγράμματος χρήστη και δημιουργεί κάποια δραστηριότητα η οποία πρέπει να εξομοιωθεί ονομάζεται εφαρμογή και αναπαρίσταται με την κλάση Application. Κανάλια επικοινωνίας (Channels). Οι υπολογιστές μπορούν να συνδεθούν σε ένα δίκτυο. Η ροή των δεδομένων πραγματοποιείται μέσα από ένα μέσο το οποίο ονομάζεται κανάλι επικοινωνίας. Στον ns-3 για την σύνδεση υπολογιστή-δικτύου πρέπει να πραγματοποιηθεί η σύνδεση μεταξύ ενός αντικειμένου που αναπαριστά το κανάλι επικοινωνίας και του αντικειμένου κλάσης Node.Το κανάλι επικοινωνίας αναπαρίσταται μέσω της κλάσης Channel η οποία έχει μεθόδους που αφορούν την διαχείριση δικτυακών αντικειμένων καθώς και την σύνδεση υπολογιστών-κόμβων σε αυτά. Δικτυακές Συσκευές (Net Devices). Όπως οι πραγματικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν την έννοια δικτυακή συσκευή έτσι και ο ns-3.στον ns-3 η γενική έννοια Δικτυακή Συσκευή περιλαμβάνει τόσο το εξομοιωμένο υλικό όσο και το λογισμικό οδηγό και υλοποιείται με την κλάση Net Device.Ένα αντικείμενο της κλάσης αυτής εγκαθίσταται σε έναν κόμβο έτσι ώστε να αφήσει την επικοινωνία μεταξύ άλλων αντικειμένων nodes στην φάση της εξομοίωσης μέσω σύνδεσης με αντικείμενα κλάσης Channel.Για να δημιουργηθεί μια Net Device στον πυρήνα του ns-3 απαιτείται η ανάθεση διεύθυνσης MAC, η εγκατάσταση της συσκευής αυτής σε έναν κόμβο,η δημιουργία στοίβας πρωτοκόλλων και τέλος η σύνδεση του συγκεκριμένου Net Device με το αντικείμενο Channel. 4.2 NS3 προσομοιωτής στο LTE σύστημα O ns-3 πλέον στην βασική του έκδοση έχει ενσωματώσει μοντέλο LTE-EPC. Τα βασικά μοντέλα είναι δυο και είναι τα εξής: Το LTE Το EPC Το LTE περιλαμβάνει την στοίβα πρωτοκόλλου LTE του ασύρματου μέσου (MAC,RRC,PHY,RLC,PDCP).Οι συγκεκριμένες οντότητες συναντώνται εξ ολοκλήρου στους κόμβους enodeb και στα UE οντοτήτων που υπάρχουν στα UEs και στους enodebs. To EPC περιλαμβάνει τις διασυνδέσεις μεταξύ κεντρικού δικτύου, και οντοτήτων οι οποίες βρίσκονται στα PGW,SGW, στους κόμβους ΜΜΕ αλλά εν μέρει και στους κόμβους EnodeB. 4.3 Ανάλυση αποτελεσμάτων σεναρίων Ο ns-3 διαθέτει μια ολοκληρωμένη γκάμα εργαλείων και εφαρμογών που ως στόχο έχουν να αναλύσουν και να αξιολογήσουν τα αποτελέσματα μιας εξομοίωσης. Η αρχική λειτουργία που διαθέτει είναι η συλλογή πακέτων.η συγκεκριμένη λειτουργία δίνει την δυνατότητα συλλογής πακέτων για κάθε: α) ροή δεδομένων β) κόμβο του δικτύου γ) διεπαφή του κάθε κόμβου. Η συλλογή πακέτων πραγματοποιείται με την αποθήκευση αρχείων.pcap η οποία συμβαίνει στην διάρκεια της προσομοίωσης. Τα αρχεία αυτού του τύπου μας δίνουν αρκετές πληροφορίες που αφορούν τα πακέτα τα οποία έχουν συλλεχθεί. Κάποιες από αυτές τις πληροφορίες είναι: Ο χρόνος αποστολής για το κάθε πακέτο Α.Καραχάλιου 26

27 Η διεύθυνση πηγής και προορισμού του κάθε πακέτου Τα πρωτόκολλα για το κάθε πακέτο (όπως UDP, IP,TCP) Το μέγεθος του πακέτου και το μέγεθος του υποπλαισίου. Στην συνέχεια με την χρήση ειδικού λογισμικού πραγματοποιείται η επεξεργασία αυτών των αρχείων έτσι ώστε να εξάγει σημαντικά συμπεράσματα και στατιστικά. Το μοντέλο ns-3 LTE έχει την ικανότητα να εξάγει τα level Key Performance Indicators (KPLs) των επιπέδων RLC,MAC,PDCP και RLC σε αρχεία ανά περίπτωση ένα για downlink και ένα για το uplink. Η δεύτερη λειτουργία του ns-3 είναι αυτή της παρακολούθησης των ροών που προσφέρονται μέσω του flowmonitor. Με την λειτουργία αυτή στην φάση της εξομοίωσης καταγράφονται όλες οι ροές δεδομένων. Ακόμα πραγματοποιείται η συλλογή σε πραγματικό χρόνο των στοιχείων που ακολουθούν για την κάθε ροή: Του χρόνου αποστολής του πρώτου και του τελευταίου πακέτου Του χρόνου λήψης του πρώτου και του τελευταίου πακέτου Της συνολικής καθυστέρησης όλων των πακέτων που ελήφθησαν Της συνολικής διακύμανσης της καθυστέρησης των πακέτων που ελήφθησαν. Του συνολικού αριθμού πακέτων τα οποία εστάλησαν. Του συνολικού αριθμού πακέτων τα οποία ελήφθησαν. Του συνολικού αριθμού bytes κατά την αποστολή. Του συνολικού αριθμού bytes κατά την λήψη. Του συνολικού αριθμού των πακέτων τα οποία χάθηκαν. Όλα τα παραπάνω στοιχεία εμφανίζονται διαθέσιμα με την ολοκλήρωση της εξομοίωσης και γίνεται είτε να τυπωθούν στην οθόνη είτε να γίνει η εγγραφή τους σε αρχείο αυξάνοντας έτσι τον χρόνο εξομοίωσης. Στην συνέχεια η επεξεργασία των στοιχείων αυτών μας δίνει σημαντικές πληροφορίες όπως η ρυθμοαπόδοση και η καθυστέρηση. Η τρίτη ενότητα και η μεγαλύτερη, είναι αυτή η οποία χρησιμοποιείται για να αξιολογήσει μια ενότητα καταγραφών (logging module).μέσω αυτής ο κάθε χρήστης μπορεί να ενεργοποιήσει επίπεδα καταγραφών, μέσω των οποίων προσφέρονται πληροφορίες για την λειτουργία των τμημάτων κατά την διάρκεια της εξομοίωσης οι οποίες πληροφορίες τυπώνονται στην οθόνη του τερματικού. Η συγκεκριμένη εφαρμογή έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστική γίνεται. Αυτό επιτυγχάνεται επειδή τα συσχετισμένα αντικείμενα έρχονται σε συνεργασία με τα πρωτόκολλα (σχεδιαζόμενα) για να φέρουν ένα αποτέλεσμα ρεαλιστικό και όσο γίνεται πιο πραγματικό. Με την ενσωμάτωση πολλών εφαρμογών δικτύου ο ns-3 καλύπτει την ανάγκη για επαναχρησιμοποίηση των μοντέλων προσομοίωσης. Ο ns-3 προσομοιωτής αναπτύσσει ένα περιβάλλον το οποίο βοηθάει στον εντοπισμό-συλλογή των στατιστικών στοιχείων με το οποίο προσπαθεί να επιτύχει την προσαρμογή των αποτελεσμάτων χωρίς να χρειάζεται η επανοικοδόμηση του πυρήνα. Ακόμα ο προσομοιωτής μέσω ενός κατάλληλου και ελεγχόμενου περιβάλλοντος επιτρέπει την μελέτη σε ένα μεγάλο σύνολο διαδικτυακών πρωτοκόλλων αλλά και συστημάτων μεγάλης έκτασης. Επιπλέον είναι ένα καινοτόμο εργαλείο, σύμφωνο με τις ανάγκες προσομοίωσης που υπάρχουν στην σύγχρονη έρευνα καθώς και στην ανάπτυξη πρωτοκόλλων αλλά και αρχιτεκτονικής δικτύωσης. Ακόμα μια εξίσου σημαντική Α.Καραχάλιου 27

28 παράμετρος του NS-3 είναι η ικανότητα του προσομοιωτή να ενσωματώνει απευθείας τις σύγχρονες τεχνολογίες των δικτύων για παράδειγμα τις τεχνολογίες Wimax. Modules Τα modules είναι τα δομικά στοιχεία του μοντέλου τα οποία θα χαρακτηρίζαμε ως αυτόνομες μονάδες που επικοινωνούν κατά την μεταφορά των μηνυμάτων. Τα ενεργά modules τα οποία είναι αυτά που ονομάζουμε simple modules είναι αυτά τα οποία διαθέτουν λειτουργικότητα και τους αλγορίθμους. Τα ενεργά modules γράφονται σε C++ και κάνουν χρήση της βιβλιοθήκης προσομοίωσης. Αυτό που πρέπει να καταλάβουμε πάνω στα simple modules είναι ότι επαναχρησιμοποιούνται και έχουν την δυνατότητα να συνδυαστούν μεταξυ τους δημιουργώντας σύνθετες οντότητες τις οποίες ονομάζουμε compound modules.επομένως ουσιαστικά ένα compound module είναι και το τελικό μοντέλο αφού αυτό δημιουργείται με τον συνδυασμό πολλών simple module.τα modules simple-compound είναι στιγμιότυπα ενός τύπου module τα οποίο έχει οριστεί από τον χρήστη. Τα module types έχουν την δυνατότητα να αποθηκευτούν σε διαφορετικά αρχεία με τα οποία δημιουργούν βιβλιοθήκες οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τον χρήστη σε διάφορα projects. Messages, gates, connections Τα modules μέσω ανταλλαγής μηνυμάτων επικοινωνούν μεταξύ τους. Ένα μήνυμα μπορεί σε μια πραγματική προσομοίωση να αναπαριστά ένα πακέτο ή ένα πλαίσιο σε δίκτυο υπολογιστών. Το μήνυμα μπορεί να σταλεί είτε μέσω των θυρών και των συνδέσεων είτε χωρίς μεσολάβηση κατευθείαν στον τελικό προορισμό τους. Το περιεχόμενο ενός μηνύματος μπορεί να αποτελείται από αφηρημένα δεδομένα. Όταν ένα module στέλνει ένα μήνυμα στον εαυτό του, αυτό ονομάζεται self-message.τα modules διασυνδέονται μέσω θυρών. Υπάρχουν τρείς διαφορετικοί τύποι :input, output και inout.οι θύρες output στέλνουν τα μηνύματα έξω τα οποία φτάνουν στο module στην θύρα input.για να συνδεθούν δύο θύρες μεταξύ τους απαιτείται μια σύνδεση. Σε μια σύνδεση υπάρχουν τρείς παράμετροι που καθορίζουν σε ένα δίκτυο τον βαθμό της ρεαλιστικής μοντελοποίησης του. Οι τρείς παράμετροι είναι οι εξής: Αναπαραγωγή καθυστέρησης (Propagation delay) Η συγκεκριμένη παράμετρος καθορίζει το πόσο καθυστερεί ένα μήνυμα όταν ταξιδεύει μέσω σύνδεσης. Πιθανότητα λάθους στην μετάδοση (Bit error rate) Η συγκεκριμένη παράμετρος καθορίζει το πόσο πιθανό είναι ένα λάθος κατά την μετάδοση. Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (Data rate) Η συγκεκριμένη παράμετρος καθορίζει τον ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ο οποίος μετριέται σε bits/sec. 4.4 Παράμετροι ( Parameters) Πολλές φορές τα modules διαθέτουν παραμέτρους. Τις παραμέτρους αυτές θα μπορούσαμε να τις χαρακτηρίσουμε ως μια σειρά μεταβλητών οι οποίες χρησιμοποιούνται για να καθορίσουν τα simple modules ως προς την συμπεριφορά τους και την τοπολογία τους.οι τιμές των παραμέτρων οι οποίες μπορούν να δοθούν είναι αλφαβητικές, αριθμητικές ή και Boolean. 4.5 Προγραμματίζοντας τους αλγορίθμους Τα simple modules διαθέτουν αλγορίθμους οι οποίοι βασίζονται σε συναρτήσεις C++ και μπορούν να συνδυαστούν με κάποιες υπάρχουσες κλάσεις οι οποίες είναι διαθέσιμες από την βιβλιοθήκη προσομοίωσης. Η αναπαράσταση των αντικειμένων όπως για παράδειγμα modules, queues κ.α πραγματοποιείται μέσω των κλάσεων της Α.Καραχάλιου 28

29 προσομοίωσης, οι οποίες είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε να δουλεύουν μαζί και με αποτέλεσμα. Α.Καραχάλιου 29

30 5. QoE MONITORING in NS3 Στη σημερινή εποχή, με τη συνεχή άνοδο των υπηρεσιών που βασίζονται στο Internet και τα πολυμέσα όπως είναι βίντεο με ιστοσελίδες, διαδικτυακά ραδιόφωνα και IP-based τηλεφωνία, υπάρχει αυξανόμενη ανάγκη για ανάπτυξη στις επικοινωνίες των πολυμέσων. Από την πλευρά του φορέα παροχής υπηρεσιών, υπάρχει ανάγκη για παροχή υψηλής ποιότητας περιεχομένου, ενώ ταυτόχρονα, από την πλευρά του παροχέα δικτύου, υπάρχει η ανάγκη σχεδίασης δικτύων που μπορούν να υποστηρίξουν αποτελεσματικά αυτές τις υπηρεσίες με ικανοποιητική ποιότητα υπηρεσίας (QoS). Και στις δύο περιπτώσεις, οι μηχανικοί και οι ερευνητές πρέπει να σχεδιάσουν κατάλληλα εργαλεία που να ειναι χρήσιμα για την παροχή των κατάλληλων σχεδίων. Για όλους αυτούς τους λόγους, οι ερευνητές δικτύων επικεντρώθηκαν στο σχετικά σχεδιασμό και την εφαρμογή ενός νέου εργαλείου ανοικτού κώδικα, που ονομάζεται QoE Monitor, το οποίο αποτελείται από τον προσομοιωτή NS-3 που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της ποιότητας εμπειρίας (QoE) σε κάθε προσομοίωση του δικτύου. Ο στόχος αυτού του εργαλείου είναι να προβλέψει την ποιότητα του βίντεο και / ή του ήχου που αντιλαμβάνεται ο τελικός χρήστης μέσω αντικειμενικών μετρήσεων. Επιπλέον, η opensource φύση του εργαλείου αυτού προωθεί την ανταλλαγή γνώσεων εντός της ερευνητικής κοινότητας, και διευκολύνει την εφαρμογή των πρόσθετων στοιχείων λογισμικού για την επέκταση του (π.χ. νέες μετρήσεις QoE). 5.1 Αρχιτεκτονική και Σχεδιασμός Tο QoE Monitor είναι ένα νέο στοιχείο του NS3, γραμμένο σε C++, του οποίο σκοπός ειναι η αξιολόγηση της ποιότητας του βίντεο που βιώνει ένας θεατής με βάση αντικειμενικές μετρήσεις που απορρέουν από την παρατήρηση των διαφορών ανάμεσα στο αρχικό και το κωδικοποιημένο/ληφθέν βίντεο. Συνεπώς καθώς έχει στόχο να προβλέψει πως τα πλαίσια του βίντεο που μεταδίδονται μέσω της προσωμοίωσης του δικτύου γίνονται αντιληπτά απο έναν θεατή, ένα μέρος του βίντεο που χρησιμοποιείται ως αναφορά κωδικοποιείται χρησιμοποιώντας ένα συγκεκριμένο κωδικοποιητή. Έπειτα το κωδικοποιημένο βίντεο μετατρέπεται απο το στοιχείο packetizer σε μία σειρα από πακέτα που περιέχει πληροφορίες όπως το ID του πακέτου, το μέγεθος του και το χρονικό στιγμιότυπο μετάδοσης του. Τα παραγόμενα πακέτα μεταδίδονται στο προσoμοιωμένο από τον NS-3 δίκτυο μέσω του «MultimediaApplicationSender». Αρμοδιότητα του MultimediaApplicationSender είναι να κάνει το Real-time Transmission Protocol (RTP) να μεταδίδει τα πακέτα μέσω UDP προτοκόλλου και να παράγει μία ροή πακέτων για αποστολή που θα περιέχει το ID του πακέτου και το χρονικό στιγμιότυπο. Στην πλευρά του δέκτη τα πακέτα λαμβάνονται από την MultimediaApplicationReceiver συνιστώσα, η οποία εξάγει τις πληροφορίες επικεφαλίδας απο κάθε πακέτο και αναπαράγει τη διαδικασία στο δέκτη περιλαμβάνοντας το ID του κάθε πακέτου και το χρονικό στιγμιότυπο του. Η ροή πακέτων στον αποστολέα και στο δέκτη χρησιμοποιείται απο τη συνιστώσα MultimediaFileRebuilder για την ανακατασκευή του βίντεο, αναφέροντας πιθανά κατεστραμμένα μέρη του. Η ποιότητα του ανακατασκευασμένου βίντεο εξαρτάται από το πλήθος των πακέτων που έχουν ληφθεί και, ως εκ τούτου, από παραμέτρους του δικτύου όπως η καθυστέτηση των πακέτων, η διακύμανση στην καθυστέρηση και ο ρθυμός σφάλματος( error rate), οι οποίες επηρεάζουν την ποιότητα υπηρεσίας(qos). Στο σημείο αυτό το ανακατασκευασμένο βίντεο αποκωδικοποιείται για να αποκτήσει μία άλλη ροή πακέτων του βίντεο που θα προβληθούν στην πλευρά του δέκτη. Τώρα, το Α.Καραχάλιου 30

31 βίντεο που έχει ληφθεί στο δέκτη συγκρίνεται με το βιντεο αναφοράς μέσω των μετρήσεων του PSNR και του SSIM προκειμένου να παρέχει μία πρόβλεψη της αντιλαμβανόμενης ποιότητας της μετάδοσης του βίντεο και έτσι να προσδιοριστούν τα αποτελέσματα της μετάδοσης του βίντεο μέσω του προσομοιωτή του δικτύου(ns-3). Τέλος, το QoE Monitor επιτρέπει την εκτέλεση πολλών ειδών σύγκρισης, όπως των αποτελεσμάτων μετάδοσης ή των αποτελεσμάτων κωδικοποίησης ή και των δύο και έπειτα εξάγει αριθμητικά αποτελέσματα. 5.2 Σχεδιασμός κλάσεων Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται μία επισκόπηση των βασικών κλάσεων που συνθέτουν το εργαλείο NS-3 QoE Monitor, με τη βοήθεια ενός UML διαγράμματος κλάσσεων, αναφέροντας τις κλάσσεις που έχουν δημιουργηθεί μεχρι τώρα καθώς και τις ενώσεις και τους συσχετισμούς μεταξύ τους. Α.Καραχάλιου 31

32 Εικόνα 5: QoE διάγραμμα κλάσεων Α.Καραχάλιου 32

33 Μία απο τις πιο σημαντικές κλάσσεις είναι η SimulationDataset,η οποία περιέχει όλες τις μεταβλητές κατάστασης που απαιτούνται για την εκτέλεση της διαδικασίας αξιολόγησης της εμπειρίας QoE. Αποθηκεύει όλα τα ονόματα των αρχείων πολυμέσων που απαιτούνται για την αξιολόγηση της εμπειρίας και όλη την αλληλουχία γεγονότων που σχετίζονται με την πραγματική μετάδοση. Δεδομένου ότι το εργαλείο QoE Monitor λειτουργεί με το περιεχόμενο των πολυμέσων, υπάρχουν πολλές κλάσσεις που έχουν σχεδιαστεί για να χειρίζονται τα αρχεία βίντεο και ήχου. Πιο συγκεκριμένα, η pure virtual κλάσση Container και όλες οι κλάσσεις που την κληρονομούν (derived classes) έστω για παράδειγμα οι κλάσσεις Mpeg4Container και WavContainer, είναι υπεύθυνες για τη συνεργασία με ειδικά επιλεγμένα συστήματα (π.χ., Mpeg4, Wave). Ουσιατικά η μετάδοση περιεχομένου πολυμέσων σε μία γενική προσομοίωση δικτύου εκτελείται από την κλάσση MultimediaApplicationSender, η οποία προέρχεται από την κλάσση Application η οποία παρέχεται απο το NS-3 framework. Για να υπάρχει ένας γενικός αποστολέας, εκμεταλεύσιμος απο κάθε πιθανό κωδικοποιητή, δημιουργήθηκε η pure virtual κλάσση Packetizer, η οποία κρύβει την πραγματική διαδικασία πακετοποίησης από την εφαρμογή. Δεδομένου οτι ο στόχος είναι να υποστηριχθούν RTP-based επικοινωνίες πολυμέσων, στο αναφερόμενο εργαλείο υλοποιούνται τα πιο βασικά RTP χαρακτηριστικά μέσω της κλάσσης RTPProtocol. Σε αυτή την κλάσση παρέχεται μία επικεφαλίδα πακέτου που μεταβιβάζει το ID και το χρονικο στιγμιότυπο του πακέτου στο δέκτη. Οι πιο χρήσιμες πληροφορίες για κάθε πακέτο που προέρχεται απο έναν packetizer αποθηκεύονται σε μία αλληλουχία πακέτων (packet trace) που περιέχεται στην κλάση SimulationDataset. Συγκεκριμένα, για κάθε πακέτο δημιουργείται η δομή PacketTraceRow στην οποία δίνεται το ID του κάθε πακέτου, το μέγεθος του καθώς και το RTP χρονικό στιγμιότυπο αλλά και τo χρονικό στιγμιότυπο της αποκωδικοποίησης του. Μόλις η εφαρμογή αποκτήσει το RTP πακέτο από τον packetizer, το μεταδίδει μέσα στο δίκτυο. Οι πληροφορίες που σχετίζονται με κάθε πακέτο που στέλνεται (όπως το ID του πακέτου και η ώρα αποστολής του) συνθέτουν τη δομή SenderTraceRow, η οποία προωθείται στη δομή του αποστολέα μέσω της SimulationDataset. Ο δεκτης υλοποιείται από την κλάση MultimediaApplicationReceiver. Μετά απο κάθε λήψη πακέτων, εκτελείται έλεγχος παραμόρφωσης και πραγματοποιείται εκτίμηση για το κατά πόσο έφτασαν τα πακέτα στην ώρα τους ή με καθυστέρηση. Για κάθε επιτυχώς ληφθέν πακέτο, πληροφορίες όπως το ID του πακέτου η ώρα λήψης και η εκτιμώμενη τιμή διακύμανσης της καθυστέρησης του αποθηκεύονται στη δομη JitterTraceRow η οποία και αυτή με τη σειρά της αποθηκεύεται στην κλάσση SimulationDataset. Τέλος, κάθε πακέτο που λαμβάνεται σωστά στο δέκτη πηγαίνει στον MultimediaFileRebuilder, όπου αναδομείται το μεταδιδόμενο αρχείο. Η αναδόμηση του αρχείου θα μπορούσε ενδεχομένως να σταματήσει, αν συγκρινόμενο με το μεταδιδόμενο αρχείο, διαπιστωθούν απώλειες πακέτων κατα τη διαδικασία της μετάδοσης ή και της κωδικοποίησης. Δεδομένου ότι η διαδικασία αξιολόγησης της QoE κάνει χρήση και του μεταδιδόμενου και του λαμβανόμενου αρχείου (για να υπολογιστεί η διαφορά μεταξύ του μεταδιδόμενου και του λαμβανόμενου πλαισίου ενός συγκεκριμένου αρχείου του βίντεο),είναι απαραίτητο να ευθυγραμμιστεί το ληφθέν αρχείο με το μεταδιδόμενο, διότι το πλήθος των ληφθέντων δεδομένων ενδέχεται να είναι σημαντικά μικρότερο από αυτό των δεδομένων στην πλευρά του αποστολέα, στην περίπτωση μεγάλου ρυθμού απώλειας πακέτων. Γι αυτό το λόγο, για κάθε χαμένο πακέτο, αντιστοιχούνται dummy δεδομένα στο αρχείο εξόδου. Α.Καραχάλιου 33

34 5.3 Αναφορικό σενάριο και αριθμητικά αποτελέσματα Στο κεφάλαιο αυτό, περιγράφονται δύο σενάρια δικτύων στα οποία γίνεται μία λεπτομερή επισκόπηση του πως λειτουργεί το QoE Monitor. Τα αριθμητικά αποτελέσματα των σεναρίων αυτών δείχνουν τις δυνατότητες σε QoE του κάθε δικτύου. Στο πρώτο σενάριο, έχουμε ένα δίκτυο δύο κόμβων που επικοινωνούν με μία point to point σύνδεση ταχύτητας 2Mbit / s και με καθυστέρηση 2ms, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 6: Τοπολογία δικτύου πρώτου σεναρίου Ο στόχος αυτού του απλού σεναρίου είναι να παρουσιαστεί η εκτίμηση της QoE σε ένα βίντεο κωδικοποιημένου με H.264, με PSNR και SSIM μετρικές, αρχικά σε μία απλή τοπολογία δικτύου. Ο ρυθμός σφαλμάτων ανά πακέτο (PER) μπορεί να μεταβάλλεται ανάλογα με το επιλεγμένο βιντεο και με τη διάρκεια της προσομοίωσης. Πιο συγκεκριμένα, επειδή το βίνετο που επιλέχτηκε αποτελείται απο 2000 πλαίσια και ο συνολικός αριθμός των IP πακέτων που συνθέτουν τη ροή δεδομένων είναι περίπου ίση με Η τιμή του PER δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 0.001, προκειμένου να παρέχει αξιόπιστα στατιστικά αποτελέσματα. Γι αυτό το λόγο στις αξιολογήσεις θεωρήθηκαν δύο τιμές για το PER, PER1 = και PER2 = Τα κύρια αποτελέσματα της προσομοίωσης παρουσιάζονται στην εικόνα 7. Για την περίπτωση (α) με PER1 και για την περίπτωση (β) με PER2, αντίστοιχα. Όπως φαίνεται, στις δύο περιπτώσεις οι τιμές του PSNR και SSIM είναι διαφορετικές, που σημαίνει οτι στην πρώτη περίπτωση υπήρχε αρκετά καλύτερη QoE συγκριτικά με τη δεύτερη. Πιο αναλυτικά, λαμβάνοντας υπόψη και πάλι την εικόνα 7 και παίρνοντας το χιλιοστό πλαίσιο ως παράδειγμα, γίνεται αντιληπτό οτι στην περίπτωση που το ποσοστό σφάλματος είνα χαμηλότερο (έστω PER1), η ποιότητα του πλαισίου είναι υψηλή, ενώ στην περίπτωση που το ποσοστό σφαλματος είναι υψηλότερο, είναι εμφανής η υποβάθμιση της εικόνας. Α.Καραχάλιου 34

35 Εικόνα 7: PSNR και SSIM Σενάριο με PER = 0,001 και PER = 0,01 Α.Καραχάλιου 35