Π Α Ν Δ Π Ι Σ Η Μ Ι Ο Π Α Σ Ρ Ω Ν

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Π Α Ν Δ Π Ι Σ Η Μ Ι Ο Π Α Σ Ρ Ω Ν"

Transcript

1 Π Α Ν Δ Π Ι Σ Η Μ Ι Ο Π Α Σ Ρ Ω Ν ΠΟΛΤΣΔΥΝΙΚΗ ΥΟΛΗ ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΗΛΔΚΣΡΟΝΙΚΩΝ ΤΠΟΛΟΓΙΣΩΝ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Μ Δ Σ Α Π Σ Τ Υ Ι Α Κ Η Γ Ι Π Λ Ω Μ Α Σ Ι Κ Η Δ Ρ Γ Α Ι Α ΣΑ ΠΛΑΙΙΑ ΣΟΤ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΟ ΜΕΣΑΠΣΤΥΙΑΚΩΝ ΠΟΤΔΩΝ «Δπηζηήκε θαη Σερλνινγία Τπνινγηζηώλ» ΑΛΑΙΠΖ ΡΖΠ ΑΞΝΓΝΠΖΠ ΡΝ FORWARD ERROR CORRECTION ΠΔ ΘΗΛΖΡΑ ΓΗΘΡΑ ΔΞΗΘΝΗΛΥΛΗΥΛ ΡΔΣΛΝΙΝΓΗΑΠ LONG TERM EVOLUTION ΝΙΚΟΛΑΟ Δ. ΚΑΝΑΚΗ A.M.: 702 ΠΑΣΡΑ 2011

2

3 Μ Δ Σ Α Π Σ Τ Υ Ι Α Κ Η Γ Ι Π Λ Ω Μ Α Σ Ι Κ Η Δ Ρ Γ Α Ι Α ΣΑ ΠΛΑΙΙΑ ΣΟΤ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΟ ΜΕΣΑΠΣΤΥΙΑΚΩΝ ΠΟΤΔΩΝ «Δπηζηήκε θαη Σερλνινγία Τπνινγηζηώλ» ΑΛΑΙΠΖ ΡΖΠ ΑΞΝΓΝΠΖΠ ΡΝ FORWARD ERROR CORRECTION ΠΔ ΘΗΛΖΡΑ ΓΗΘΡΑ ΔΞΗΘΝΗΛΥΛΗΥΛ ΡΔΣΛΝΙΝΓΗΑΠ LONG TERM EVOLUTION ΔΠΙΒΛΔΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΣΗ: Υξήζηνο Μπνύξαο, Καζεγεηήο ΣΡΙΜΔΛΗ ΔΠΙΣΡΟΠΗ: Ισάλλεο Γαξνθαιάθεο, Καζεγεηήο Κσλζηαληίλνο Μπεξκπεξίδεο, Καζεγεηήο Υξήζηνο Μπνύξαο, Καζεγεηήο

4

5 Ξεξίιεςε Ξ Δ Ο Η Ι Ζ Τ Ζ Long Term Evolution (LTE) είλαη ην όλνκα πνπ έδσζε ην 3GPP ζην πξόγξακκα εμέιημεο ησλ θηλεηώλ ζπζηεκάησλ επηθνηλσληώλ ηξίηεο γεληάο UMTS, κε ζηόρν ηελ αληηκεηώπηζε ησλ κειινληηθώλ απαηηήζεσλ ηεο αγνξάο ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ. Βαζηθνί ζηόρνη ηνπ λένπ πξνηύπνπ LTE απνηεινύλ ε απμεκέλε απόδνζε, ην κηθξόηεξν θόζηνο πινπνίεζεο, ε κείσζε ηεο πνιππινθόηεηαο ιεηηνπξγίαο θαη ε παξνρή λέσλ εμειηγκέλσλ ππεξεζηώλ, θάλνληαο ρξήζε λέσλ θαζκάησλ ιεηηνπξγίαο. Νη πξνζδνθίεο από ην LTE είλαη ηδηαίηεξα πςειέο θαη βαζίδνληαη ζηελ παξνρή ππεξεζηώλ απαιιαγκέλσλ από ηηο απώιεηεο. Ππλεπώο, ε επηηπρία ηνπ LTE ζα θαζνξηζηεί από ηελ ηθαλόηεηα παξνρήο θηλεηώλ ζπζθεπώλ θαη αζύξκαηεο ππνδνκήο πνπ ζα αληαπνθξίλνληαη ζηα πξόηππα ηνπ 3GPP θαη ζα είλαη ηδηαίηεξα αλζεθηηθά ζηηο απώιεηεο ηεο αζύξκαηεο κεηάδνζεο, ώζηε λα πξνζθέξνληαη βειηησκέλεο ππεξεζίεο πςειήο απόδνζεο. Κία βαζηθή πηπρή ησλ πξνδηαγξαθώλ ηνπ ζπζηήκαηνο LTE είλαη ε ελίζρπζε ηεο ππεξεζίαο Multimedia Broadcast/Multicast Services, όπνπ ην ίδην πεξηερόκελν κεηαδίδεηαη ζε πνιιαπινύο ρξήζηεο πνπ βξίζθνληαη ζε κία ζπγθεθξηκέλε πεξηνρή κεηάδνζεο ηεο ππεξεζίαο. Ζ ππεξεζία MBMS πξσηνπαξνπζηάζηεθε ζαλ έλα λέν ραξαθηεξηζηηθό ζηελ έθδνζε 6 ηνπ 3GPP, ώζηε λα πξνζθέξεη broadcast θαη multicast κεηάδνζε πνιπκεζηθνύ πεξηερνκέλνπ ζε θηλεηνύο ρξήζηεο κέζσ MBMS αζύξκαησλ θνξέσλ κεηάδνζεο. Ζ ππεξεζία MBMS παξέρεη δύν δηαθνξεηηθέο κεζόδνπο δηαλνκήο πεξηερνκέλνπ, ηε κέζνδν download θαη ηε κέζνδν streaming. Γηα λα ππνζηεξίμεη ηελ απνδνηηθή δηαλνκή MBMS πεξηερνκέλνπ, ην 3GPP ζπκπεξηέιαβε έλα κεραληζκό Forward Error Correction ζην επίπεδν εθαξκνγώλ (AL-FEC). Ρν FEC είλαη κία κέζνδνο πνπ πξνζθέξεη έιεγρν ιαζώλ θαηά ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ, ε νπνία ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα ππνζηεξίμεη ή λα αληηθαηαζηήζεη άιιεο κεζόδνπο παξνρήο αμηνπηζηίαο. Πην FEC, ν απνζηνιέαο εηζάγεη πιενλάδνπζα πιεξνθνξία ζηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ. Απηή ε πιεξνθνξία επηηξέπεη ζην δέθηε λα αλαθαηαζθεπάζεη ηα αξρηθά δεδνκέλα. Ρέηνηα ζρήκαηα αλαπόθεπθηα πξνζζέηνπλ έλα ζηαζεξό overhead ζηα κεηαδηδόκελα δεδνκέλα κε απνηέιεζκα λα είλαη ππνινγηζηηθά αθξηβά. Ξαξόια απηά ζηα multicast πξσηόθνιια, ε ρξήζε FEC ηερληθώλ πξνζθέξεη πνιύ ηζρπξά θίλεηξα. Ζ θσδηθνπνίεζε κπνξεί λα εμαιείςεη ηηο αλεμάξηεηεο απώιεηεο ζηνπο δηαθνξεηηθνύο δέθηεο. Δπηπξόζζεηα, ε δξακαηηθή κείσζε ηνπ ξπζκνύ απώιεηαο παθέησλ κεηώλεη θαηά έλα κεγάιν κέξνο ηελ αλάγθε επαλαπνζηνιήο ησλ ρακέλσλ παθέησλ από ηνλ απνζηνιέα. Δπνκέλσο, νη FEC ηερληθέο είλαη πνιύ εύθνιν λα εθπιεξώζνπλ έλαλ πξσηαξρηθό ζθνπό ησλ multicast θηλεηώλ ππεξεζηώλ, πνπ είλαη ε πξνζαξκνζηηθόηεηα ζε εθαξκνγέο κε κεγάιν αξηζκό δεθηώλ. Απηόο είλαη ν ιόγνο πνπ ην 3GPP ζπληζηά ηε ρξήζε ηνπ AL-FEC γηα ηελ ππεξεζία MBMS θαη πην ζπγθεθξηκέλα, πηνζεηεί ηε ρξήζε ησλ ζπζηεκαηηθώλ θσδίθσλ Raptor. Ιακβάλνληαο ππόςηλ ηα παξαπάλσ, ζηόρνο ηεο παξνύζαο κεηαπηπρηαθήο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη ε κειέηε ηεο απόδνζεο ηνπ AL-FEC πάλσ ζε ππεξεζίεο MBMS, εζηηάδνληαο ζηελ ππεξεζία ηεο streaming κεζόδνπ παξάδνζεο δεδνκέλσλ. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 5

6 Ξεξίιεςε Ξξνο απηή ηελ θαηεύζπλζε, ζηελ παξνύζα εξγαζία κειεηάκε ηελ εθαξκνγή ηνπ κεραληζκνύ AL-FEC πάλσ ζε multicast streaming ππεξεζίεο ησλ LTE, δηεξεπλώληαο πσο ην πνζό ηεο πιενλάδνπζαο πιεξνθνξίαο πνηθίιιεη ζε πνιιαπινύο ρξήζηεο ρξεζηκνπνηώληαο ξεαιηζηηθά πεξηβάιινληα πξνζνκνίσζεο. Δπίζεο, εμεηάδνπκε ηελ απόδνζε ηνπ AL-FEC γηα δηάθνξεο δηαηάμεηο ηνπ δηθηύνπ αζύξκαηεο πξόζβαζεο, δηάθνξα κνληέια θηλεηηθόηεηαο ησλ ρξεζηώλ θαζώο θαη δηάθνξεο παξακέηξνπο ηεο FEC θσδηθνπνίεζεο. 6 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

7 Executive Summary E X E C U T I V E S U M M A R Y Long Term Evolution (LTE) is the name given to a project within the Third Generation Partnership Project (3GPP) to improve the UMTS 3G mobile system standard to cope with future requirements. Goals include improving efficiency, lowering cost, reducing complexity and improving services, making use of new spectrum opportunities. Expectations are high for LTE and are based on the premise of fault-free performance. Therefore, LTE s initial success will be determined by the ability of handset and radio infrastructure manufacturers to deliver products that conform to 3GPP standards and are robust enough to allow operators to introduce improved services. A key aspect of LTE specifications is the enhancement of Multimedia Broadcast/Multicast Services (MBMS), where the same content is transmitted to multiple users located in a specific service area. MBMS was firstly standardized as a new feature in 3GPP Release 6, in order to broadcast and multicast multimedia content to mobile terminals via MBMS radio bearer. The MBMS provides two different delivery methods, the download delivery and the streaming delivery method. To support efficient download and streaming delivery, 3GPP has included Application Layer Forward Error Correction (AL-FEC) in the MBMS standard. FEC is a method for error control for data transmission that is used to augment or replace other reliability methods. In FEC, the sender introduces redundant information in the data transmitted. This information allows the receiver to reconstruct the source data. Such schemes inevitably add a constant overhead in the transmitted data and are computationally expensive. In multicast protocols however, the use of FEC techniques has very strong motivations. The encoding eliminates the effect of independent losses at different receivers. This makes these schemes able to scale irrespectively of the actual loss pattern at each receiver. Additionally, the dramatic reduction in the packet loss rate largely reduces the need for retransmission of lost data from the sender. FEC schemes are therefore so simple as to meet a prime objective for mobile multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. This is the reason why 3GPP recommends the use of AL-FEC for MBMS and, more specifically, adopts the use of systematic Raptor code. After taking into account the above analysis, objective of this master thesis is the study of AL-FEC in MBMS, focusing on the streaming delivery method. To this direction, in this work we study the application of AL-FEC for the streaming delivery method over LTE networks. We investigate how the amount of FEC overhead varies at multiple receivers using realistic simulation scenarios and we investigate the performance of AL-FEC overhead considering different cell deployments, user mobility models and FEC encoding parameters. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 7

8

9 Ξξόινγνο Ξ Ο Ν Ι Ν Γ Ν Π Ζ παξνύζα κεηαπηπρηαθή δηπισκαηηθή εξγαζία απνηειεί ηνλ επίινγν ησλ ζπνπδώλ κνπ ζην Ξξόγξακκα Κεηαπηπρηαθώλ Ππνπδώλ «Δπηζηήκε θαη Ρερλνινγία πνινγηζηώλ» ηνπ Ρκήκαηνο Κεραληθώλ Ζιεθηξνληθώλ πνινγηζηώλ θαη Ξιεξνθνξηθήο (ΡΚΖΞ) ηνπ Ξαλεπηζηεκίνπ Ξαηξώλ. Ν ηίηινο ηεο κεηαπηπρηαθήο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη «Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution». Ξξηλ ηελ παξνπζίαζε ησλ απνηειεζκάησλ ηεο κεηαπηπρηαθήο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο, αηζζάλνκαη ηελ αλάγθε λα επραξηζηήζσ ζεξκά όζνπο κε βνήζεζαλ, κε ζπκβνύιεπζαλ θαη κνπ ζπκπαξαζηάζεθαλ όιν απηό ην δηάζηεκα. Ν Θαζεγεηήο κνπ θ. Σξήζηνο Κπνύξαο, Θαζεγεηήο ηνπ ΡΚΖΞ ηνπ Ξαλεπηζηεκίνπ Ξαηξώλ, ππήξμε ν ζύκβνπινο θαη δάζθαιόο κνπ ζε όιε ηε δηάξθεηα νινθιήξσζεο ησλ πξνπηπρηαθώλ θαη κεηαπηπρηαθώλ κνπ ζπνπδώλ. Θέισ λα ηνλ επραξηζηήζσ ζεξκά γηα ηελ θαζνδήγεζε θαη ηελ επηκνλή ηνπ γηα ζπζηεκαηηθή δνπιεηά. Πηε ζπλέρεηα ζέισ λα επραξηζηήζσ ηα κέιε ηεο ηξηκεινύο επηηξνπήο: ηνλ Θαζεγεηή ηνπ ΡΚΖΞ, θ. Ησάλλε Γαξνθαιάθε θαη ηνλ Θαζεγεηή ηνπ ΡΚΖΞ θ. Θσλζηαληίλν Κπεξκπεξίδε, εμαηξεηηθνύο θαζεγεηέο κε βαξύλνπζα άπνςε θαη θύξνο, γηα ηελ θαζνδήγεζή ηνπο θαη ηελ ππνζηήξημή ηνπο ζηελ νινθιήξσζε απηήο ηεο εξγαζίαο. Δπηπιένλ, αηζζάλνκαη ηελ αλάγθε λα επραξηζηήζσ ηνπο Γξ. Βαζίιεην Θόθθηλν θαη Γξ. Αλδξέα Ξαπαδώε, άξηζηνπο επηζηήκνλεο κε πινύζηα πλεπκαηηθά πξνζόληα θαη ζπνπδαίν ήζνο, νη νπνίνη κε ηηο πνιύηηκεο θαη νπζηαζηηθέο ηνπο γλώζεηο θαη ζπκβνπιέο κε θαζνδήγεζαλ θαη κε βνήζεζαλ ζεκαληηθά ζηελ εθπόλεζε ηεο παξνύζαο κεηαπηπρηαθήο εξγαζίαο. Θιείλνληαο, ζα ήζεια λα απεπζύλσ έλα κεγάιν επραξηζηώ ζηνπο γνλείο κνπ, Δπζύκην θαη Διέλε, ζηελ αδεξθή κνπ, Καξία θαζώο θαη ζηε ζύληξνθν ηεο δσήο κνπ, Πηέιια, γηα ηε ζπκβνιή θαη ηε ζηήξημή ηνπο ζε απηή ηελ πξνζπάζεηα αιιά θαη γηα όια όζα έρνπλ θάλεη γηα εκέλα. Ξάηξα, Ηνύληνο 2011 Ληθόιανο Δ. Θαλάθεο Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 9

10

11 Ξεξηερόκελα Ξ Δ Ο Η Δ Σ Ν Κ Δ Λ Α Ξεξίιεςε... 5 Executive Summary... 7 Ξξόινγνο... 9 Ξεξηερόκελα Ιίζηα Δηθόλσλ Ιίζηα Ξηλάθσλ ΘΔΦΑΙΑΗΝ 1: Δηζαγσγή ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Ηζηνξηθά Πηνηρεία Ξξώηεο Γεληάο (1G) Θπςεισηά Ππζηήκαηα Γεύηεξεο Γεληάο (2G) Θπςεισηά Ππζηήκαηα Ρξίηεο Γεληάο (3G) Θπςεισηά Ππζηήκαηα Long Term Evolution Απαηηήζεηο Απόδνζεο ηνπ ζπζηήκαηνο LTE Νη Ρερλνινγίεο ηνπ Long Term Evolution Τετνολογία Πολλαπλών Φεροσζών Τετνολογία Πολλαπλών Κεραιών Αζύρμαηη Διεπαθή Μεηαγωγής Πακέηοσ Ζ Αξρηηεθηνληθή ηνπ Γηθηύνπ LTE Σσνολική Επιζκόπηζη ηης Αρτιηεκηονικής Το Δίκησο Κορμού Το Δίκησο Πρόζβαζης Ζ Αξρηηεθηνληθή Ξξσηνθόιισλ User Plane Control Plane Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 11

12 Ξεξηερόκελα 2.6 Ρέηαξηεο Γεληάο (4G) Θπςεισηά Ππζηήκαηα Ζ Γηαδηθαζία Ξξνηππνπνίεζεο ηνπ 3GPP ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Δηζαγσγηθά Πηνηρεία Ρα Ιεηηνπξγηθά Δπίπεδα ηεο πεξεζίαο MBMS Νη Ιεηηνπξγηθέο Νληόηεηεο ηεο Αξρηηεθηνληθήο MBMS Content Provider/Multicast Broadcast Source Broadcast-Multicast Service Centre (BM-SC) MBMS Gateway (GW) Mobility Management Entity (MME) eutran User Equipment (UE) Ξαξνρή ηεο MBMS πεξεζίαο Multicast Ιεηηνπξγία Χρονοδιάγραμμα ηης Multicast Λειηοσργίας Broadcast Ιεηηνπξγία Χρονοδιάγραμμα ηης Broadcast Λειηοσργίας Νη Πηνίβα Ξξσηνθόιισλ ηεο πεξεζίαο MBMS Νη Κέζνδνη Ξαξάδνζεο Γεδνκέλσλ Ζ Κέζνδνο Download Η Χρήζη ηοσ FLUTE ζηο Download Ζ Κέζνδνο Streaming Το Πρωηόκολλο Μεηαθοράς Στήμαηα ηοσ RTP Payload για Πολσμέζα Μητανιζμός FEC για ηο RTP Περιγραθή ηης Streaming Σσνόδοσ Ππκπιεξσκαηηθέο Ιεηηνπξγίεο ησλ Κεζόδσλ Ξαξάδνζεο Ιεηηνπξγία Δπηζθεπήο Αξρείνπ Ιεηηνπξγία Αλαθνξάο Ιήςεο Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

13 Ξεξηερόκελα 3.8 Ζ Ιεηηνπξγία MBSFN MBMS Ξεξηβάιινληα Κεηάδνζεο ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor Δηζαγσγηθά Πηνηρεία Δθαξκνγή ησλ FEC θσδίθσλ Θώδηθεο FEC Απινί Θώδηθεο Κηθξνί Block FEC Θώδηθεο Κεγάινη Block FEC Θώδηθεο Δπεθηάζηκνη FEC Θώδηθεο Θέκαηα Αζθάιεηαο Νη Θώδηθεο Raptor Fountain Θώδηθεο LT Θώδηθεο Κε Ππζηεκαηηθνί Θώδηθεο Raptor Ν Ππζηεκαηηθόο Ξξνηππνπνηεκέλνο Θώδηθαο Raptor Η Απόδοζη ηοσ Προησποποιημένοσ Κώδικα Raptor Νη Θώδηθεο RaptorQ Ν Θώδηθαο Raptor ζηελ πεξεζία MBMS Streaming Θαηαζθεπή Ξεγαίνπ Block Θαηαζθεπή Θσδηθνπνηεκέλνπ Ξαθέηνπ Κεηαθνξά Δλδεηθηηθά Ξαξαδείγκαηα ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο AL-FEC ζηελ ππεξεζία MBMS Download AL-FEC ζηελ ππεξεζία MBMS Streaming Ξεξηβάιινληα Ξξνζνκνίσζεο Θπςεισηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ Ξξνζνκνησηήο SA Ξξνζνκνησηήο E.U.R.A.N.E Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 13

14 Ξεξηερόκελα Ξξνζνκνησηήο LTE Link Level Ξξνζνκνησηήο LTE System Level ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο Ζ Ξιαηθόξκα LTE-Sim Βαζηθή Ρνπνινγία Γηθηύνπ Θηλεηηθόηεηα Σξεζηώλ Ρν Δπίπεδν Δθαξκνγώλ θαη ε Πηνίβα Ξξσηνθόιισλ Κνληέια Θαλαιηώλ Ζ Γηαδηθαζία Ξξνζνκνίσζεο Ξεξηβάιινλ Ξξνζνκνίσζεο LTE MBMS Ζ Ιεηηνπξγία ηνπ Ξεξηβάιινληνο Ξξνζνκνίσζεο LTE MBMS ΘΔΦΑΙΑΗΝ 7: Δξεπλεηηθά Απνηειέζκαηα Ξεξηβάιινλ Ξξνζνκνίσζεο Απόδνζε ηεο πεξεζίαο MBMS Streaming Ππρλνηηθό Δύξνο Ιεηηνπξγίαο Ξιεζπζκόο Σξεζηώλ Γηάηαμε Αζύξκαηνπ Γηθηύνπ Ξξόζβαζεο Απόδνζε ηνπ MBMS FEC Raptor AL-FEC Overhead έλαληη Ξιεζπζκνύ Σξεζηώλ AL-FEC Overhead έλαληη Δύξνπο Θπςέιεο Ηθαλνπνίεζε Σξεζηώλ έλαληη AL-FEC Overhead Ηθαλνπνίεζε Σξεζηώλ έλαληη Κήθνπο Ξεγαίνπ Block Ξηζαλόηεηα Απνηπρίαο Απνθσδηθνπνίεζεο έλαληη AL-FEC Overhead ΘΔΦΑΙΑΗΝ 8: Ππκπεξάζκαηα ΘΔΦΑΙΑΗΝ 9: Κειινληηθέο Δπεθηάζεηο ΞΑΟΑΟΡΖΚΑ I: Ππζηεκαηηθόο Θσδηθνπνηεηήο Raptor I.1 Ξξώην Βήκα Θσδηθνπνίεζεο: Ξαξαγσγή Δλδηάκεζσλ Ππκβόισλ Η.1.1 Ρξηάδεο Ξεγαίνπ Ππκβόινπ I.1.2 Πρέζεηο Ξξνθσδηθνπνίεζεο Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

15 Ξεξηερόκελα I.1.3 Δλδηάκεζα Πύκβνια Η.2 Γεύηεξν Βήκα Θσδηθνπνίεζεο: LT Θσδηθνπνίεζε I.3 Γελλήηξηεο I.3.1 Γελλήηξηα LT I.3.2 Γελλήηξηα Ρξηάδαο I.3.3 Ρπραία Γελλήηξηα I.3.4 Γελλήηξηα Ράμεο ΞΑΟΑΟΡΖΚΑ II: Αλαθνξέο ΞΑΟΑΟΡΖΚΑ ΗΗΗ: Αθξώλπκα ΞΑΟΑΟΡΖΚΑ IV: Δπξεηήξην Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 15

16

17 Ιίζηα Δηθόλσλ Ι Η Π Ρ Α Δ Η Θ Ν Λ Υ Λ Δηθόλα 1. Ζ Αξρηηεθηνληθή ηνπ Γηθηύνπ GSM Δηθόλα 2. Νη Ξξνηάζεηο θάζε SDO γηα ηε Ρερλνινγία Αζύξκαηεο Ξξόζβαζεο πξνο ηνλ ITU-R Δηθόλα 3. Ζ Γηαρείξηζε ζην Ξεδίν ηεο Ππρλόηεηαο ησλ LTE Πρεκάησλ Ξνιιαπιήο Ξξόζβαζεο Δηθόλα 4. Ρα 3 Βαζηθά Νθέιε ησλ Ξνιιαπιώλ Θεξαηώλ: (a) Θέξδνο Ξνηθηινκνξθίαο; (b) Θέξδνο Γηάηαμεο; (c) Θέξδνο Σσξηθήο πνιππιεμίαο Δηθόλα 5. Ζ Αξρηηεθηνληθή ηνπ Γηθηύνπ EPS Δηθόλα 6. Ιεηηνπξγηθόο Γηαρσξηζκόο κεηαμύ ηνπ eutran θαη ηνπ EPC Δηθόλα 7. Ζ Αξρηηεθηνληθή ηνπ eutran Δηθόλα 8. Ζ User Plane Πηνίβα Ξξσηνθόιισλ Δηθόλα 9. Ζ Control Plane Πηνίβα Ξξσηνθόιισλ Δηθόλα 10. Ρν Σξνλνδηάγξακκα Αλάπηπμεο ηνπ IMT-Advanced θαη ηνπ LTE- Advanced Δηθόλα 11. 3GPP, Κία Ξαγθόζκηα Ππλεξγαζία 6 SDOs Δηθόλα 12. Ζ Γνκή ηεο Νκάδαο Δξγαζίαο ηνπ 3GPP Δηθόλα 13. Ρα 3 Ιεηηνπξγηθά Δπίπεδα ηεο πεξεζίαο MBMS Δηθόλα 14. Ζ Αξρηηεθηνληθή ηνπ EPS γηα ηελ ππεξεζία MBMS Δηθόλα 15. Νη Ιεηηνπξγίεο ηνπ BM-SC Δηθόλα 16. Νη θάζεηο Ξαξνρήο κίαο MBMS Multicast πεξεζίαο Δηθόλα 17. Ξαξάδεηγκα Σξνληθήο Δμέιημεο κίαο Multicast Ππλόδνπ Δηθόλα 18. Νη Φάζεηο Ξαξνρήο κίαο MBMS Broadcast πεξεζίαο Δηθόλα 19. Ξαξάδεηγκα Σξνληθήο Δμέιημεο κίαο Broadcast Ππλόδνπ Δηθόλα 20. Νη Πηνίβα Ξξσηνθόιισλ ησλ MBMS πεξεζηώλ Δηθόλα 21. Ζ Γνκή ελόο FLUTE Block Δηθόλα 22. Ν Κεραληζκόο FEC ηεο MBMS Streaming Κεηάδνζεο Δηθόλα 23. Γνκή ησλ FEC Ξεγαίσλ Ξαθέησλ Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 17

18 Ιίζηα Δηθόλσλ Δηθόλα 24. Γνκή ησλ FEC Ξαθέησλ Δπηζθεπήο Δηθόλα 25. Έλα Ξεγαίν Block Απνηεινύκελν από 3 UDP Ξαθέηα Κήθνπο 26, 52 θαη 103 Bytes Δηθόλα 26. Ζ Αύμεζε ζηε Φαζκαηηθή Απόδνζε ηεο MBSFN Ιεηηνπξγίαο Δηθόλα 27. Ζ embms Αξρηηεθηνληθή Δηθόλα 28. Γηαθνξεηηθά Ξεξηβάιινληα MBMS Κεηάδνζεο Δηθόλα 29. Έλαο FEC Block Θσδηθνπνηεηήο Δηθόλα 30. Ξαξάδεηγκα ελόο Θώδηθα LT Δηθόλα 31. Ξαξάδεηγκα ελόο Θώδηθα Raptor Δηθόλα 32. Ξαξάδεηγκα ελόο Ππζηεκαηηθνύ Θώδηθα Raptor Δηθόλα 33. Ξηζαλόηεηα Απνηπρίαο vs. Overhead Κεηάδνζεο Δηθόλα 34. Ξηζαλόηεηα Απνηπρίαο vs. Overhead Ιήςεο Δηθόλα 35. Ν Ξξνζνκνησηήο SA Δηθόλα 36. Ξαξάδεηγκα Δμόδνπ ηνπ Ξξνζνκνησηή SA Δηθόλα 37. Ζ Γνκή ηνπ Ξξνζνκνησηή LTE Link Level Δηθόλα 38. Ρα Ξεξηβάιινληα Ξξνζνκνίσζεο ηνπ LTE-Sim Δηθόλα 39. Ζ ινπνηεκέλε Πηνίβα Ξξσηνθόιισλ ηνπ Ξξνζνκνησηή LTE-Sim Δηθόλα 40. Ξαξάδεηγκα Δμόδνπ ηνπ Ξξνζνκνησηή LTE-Sim Δηθόλα 41. Ρν Ξεξηβάιινλ Ξξνζνκνίσζεο ηεο πεξεζίαο LTE MBMS Δηθόλα 42. Ζ Πηνίβα Ξξσηνθόιισλ ησλ MBMS Streaming πεξεζηώλ Δηθόλα 43. H Ιεηηνπξγία ηνπ Θσδηθνπνηεηή FEC Δηθόλα 44. Ρν Κνληεινπνηεκέλν Ξεξηβάιινλ MBMS Κεηάδνζεο Κίαο Θπςέιεο Δηθόλα 45. Ξαξάδεηγκα Δμόδνπ ηνπ Ξεξηβάιινληνο Ξξνζνκνίσζεο MBMS Δηθόλα 46. Οπζκόο Απώιεηαο Ξαθέησλ γηα Δύξνο Ιεηηνπξγίαο 5 MHz Δηθόλα 47. Οπζκόο Απώιεηαο Ξαθέησλ γηα Δύξνο Ιεηηνπξγίαο 10 MHz Δηθόλα 48. Οπζκόο Απώιεηαο Ξαθέησλ vs. Ξιεζπζκνύ Σξεζηώλ Δηθόλα 49. Οπζκόο Απώιεηαο Ξαθέησλ vs. Ξιεζπζκνύ Σξεζηώλ γηα Γηαθνξεηηθέο Γηαηάμεηο Θπςέιεο Δηθόλα 50. AL-FEC Overhead vs. Ξιεζπζκνύ Σξεζηώλ Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

19 Ιίζηα Δηθόλσλ Δηθόλα 51. AL-FEC Overhead vs. Δύξνπο Θπςέιεο Δηθόλα 52. Ηθαλνπνηεκέλνη Σξήζηεο vs. AL-FEC Overhead γηα ην Κνληέιν Θίλεζεο Ξεδώλ Δηθόλα 53. Ηθαλνπνηεκέλνη Σξήζηεο vs. AL-FEC Overhead γηα ην Κνληέιν Θίλεζεο Νρεκάησλ Δηθόλα 54. Ηθαλνπνηεκέλνη Σξήζηεο vs. AL-FEC Overhead γηα Δύξνο Ιεηηνπξγίαο 5 MHz Δηθόλα 55. Ηθαλνπνηεκέλνη Σξήζηεο vs. AL-FEC Overhead γηα Δύξνο Ιεηηνπξγίαο 10 MHz Δηθόλα 56. Ηθαλνπνηεκέλνη Σξήζηεο vs. AL-FEC Overhead γηα Δύξνο Ιεηηνπξγίαο 20 MHz Δηθόλα 57. Ηθαλνπνηεκέλνη Σξήζηεο vs. Κήθνπο Ξεγαίνπ Block γηα ξνή 128 kbps. 139 Δηθόλα 58. Ηθαλνπνηεκέλνη Σξήζηεο vs. Κήθνπο Ξεγαίνπ Block γηα ξνή 440 kbps.139 Δηθόλα 59. Ξηζαλόηεηα Απνηπρίαο FEC Απνθσδηθνπνίεζεο vs. AL-FEC Overhead. 141 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 19

20

21 Ιίζηα Ξηλάθσλ Ι Η Π Ρ Α Ξ Η Λ Α Θ Υ Λ Ξίλαθαο 1. Πηόρνη Απόδνζεο ηνπ ζπζηήκαηνο LTE Ξίλαθαο 2. Ρα Ξιενλεθηήκαηα ηνπ Θώδηθα RaptorQ Ξίλαθαο 3. Ξαξαδείγκαηα ησλ Ξαξακέηξσλ Κεηαθνξάο ηνπ Θσδηθνπνηεηή Raptor Ξίλαθαο 4. Κνληέια Θαλαιηώλ ηνπ Ξξνζνκνησηή LTE-Sim Ξίλαθαο 5. Οπζκίζεηο Ξξνζνκνίσζεο Ξίλαθαο 6. Ζ Δπίδξαζε ηνπ Κήθνπο Ξεγαίνπ FEC Block ζην AL-FEC Overhead (%) Ξίλαθαο 7. Θαζνξηζκόο ηεο Ράμεο Θαηαλνκήο ησλ Θσδηθνπνηεκέλσλ Ππκβόισλ Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 21

22

23 Θ Δ Φ Α Ι Α Η Ν 1: Δ Η Π Α Γ Υ Γ Ζ

24

25 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 1: Δηζαγσγή ΔΙΑΓΩΓΗ Ρν πεδίν ησλ αζύξκαησλ δηθηύσλ έρεη γλσξίζεη ηεξάζηηα αλάπηπμε ηα ηειεπηαία ρξόληα θαη έρεη αλαδεηρζεί ζε κία από ηηο ηαρύηεξα αλαπηπζζόκελεο βηνκεραλίεο παγθνζκίσο. Ρα αζύξκαηα ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα, κε εγέηε ηα θπςεισηά ζπζηήκαηα επηθνηλσληώλ, έρνπλ πιένλ επξέσο δηαδεδνκέλε ρξήζε θαη έρνπλ γίλεη απαξαίηεην εξγαιείν ζηελ θαζεκεξηλή δσή δηζεθαηνκκπξίσλ αλζξώπσλ παγθνζκίσο. Ζ δηείζδπζε ησλ αζύξκαησλ δηθηύσλ είλαη ηόζν δηαδεδνκέλε ζηηο κέξεο καο, ώζηε ζύληνκα αλακέλεηαη λα θζάζνπκε ζην ζεκείν όπνπ ν αξηζκόο ησλ θηλεηώλ ζπλδξνκεηώλ ζα είλαη κεγαιύηεξνο από ηνλ αξηζκό ησλ ρξεζηώλ ελζύξκαησλ δηθηύσλ. Ζ άλζηζε απηή νθείιεηαη ζηα πιενλεθηήκαηα ησλ αζύξκαησλ ηειεπηθνηλσληώλ πνπ ζπλνςίδνληαη ζην παξάδεηγκα ησλ 3Ν: επηθνηλσλία νπνπδήπνηε, νπνηεδήπνηε, κε νπνηνλδήπνηε. Ζ επόκελε γεληά ηεο θπςεισηήο ηειεθσλίαο ζα αιιάμεη δξακαηηθά ην ηνπίν ησλ αζύξκαησλ ηειεπηθνηλσληώλ, αιιάδνληαο ηνλ ηξόπν κε ηνλ νπνίν νη ρξήζηεο πξνζπειαύλνπλ πιεξνθνξία θαη αιιειεπηδξνύλ κεηαμύ ηνπο. Πηελ πξώηε γξακκή ηεο λέαο ηερλνινγίαο βξίζθεηαη ην ζύζηεκα Long Term Evolution (LTE), ην νπνίν εμειίζζεηαη από ην Third Generation Partnership Project (3GPP) θαη ήδε έρνπλ εκθαληζηεί θάπνηεο εκπνξηθέο εθδνρέο ηνπ ζε ρώξεο, όπσο νη Ζλσκέλεο Ξνιηηείεο ηεο Ακεξηθήο θαη ε Ηαπσλία. Ρν LTE πξνζθέξεη ζηνπο ρξήζηεο έλα λέν επίπεδν δπλαηνηήησλ πξόζβαζεο ζε λέεο θηλεηέο ππεξεζίεο, πνπ μεθεύγνπλ πιένλ από ηελ θιαζηθή θιήζε θσλήο. Ζ πξώηε θάζε αλάπηπμεο ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ ήηαλ αθηεξσκέλε ζηελ θίλεζε θσλήο θαη ε δεύηεξε θάζε, ηελ νπνία δηαηξέρνπκε, ήηαλ επηθεληξσκέλε ζηελ θίλεζε δεδνκέλσλ. Ζ ηξίηε θάζε αλάπηπμεο πνπ εμειίζζεηαη δπλακηθά, είλαη πξνζαλαηνιηζκέλε ζε πνιπκεζηθή θίλεζε πςειώλ απαηηήζεσλ. Ξιένλ κε ηε κεγάιε δηείζδπζε ησλ λέσλ έμππλσλ θηλεηώλ ηεξκαηηθώλ ζπζθεπώλ, παξαηεξείηαη κία κεγάιε έθξεμε ζηελ αγνξά ησλ λέσλ πνιπκεζηθώλ ππεξεζηώλ θαη εηδηθόηεξα ζηηο ππεξεζίεο κεηάδνζεο πεξηερνκέλνπ video, όπσο video streaming θαη ηειεζπλδηάζθεςε. Παλ απνηέιεζκα, ηα κειινληηθά θηλεηά δίθηπα πξέπεη λα βειηηζηνπνηεζνύλ ώζηε λα παξέρνπλ απνδνηηθή δηαλνκή πνιπκεζηθνύ πεξηερνκέλνπ ζε πνιιαπινύο ρξήζηεο. Ζ ηερλνινγία ηεο multicast/broadcast κεηάδνζεο πνπ πξνζθέξεη ην ζύζηεκα LTE κε ηελ νλνκαζία Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) αλαπηύρζεθε κε ζθνπό ηελ απνδνηηθή δηαλνκή πνιπκεζηθνύ πεξηερνκέλνπ ζε έλα κεγάιν πιήζνο θηλεηώλ ρξεζηώλ. Ζ βαζηθή ηδέα ηεο ππεξεζίαο MBMS είλαη ε ρξήζε multicast πξσηνθόιισλ, αληί point-to-point (PTP) ξνώλ γηα θάζε ρξήζηε, κε ζθνπό ηελ εμνηθνλόκεζε πόξσλ ηνπ δηθηύνπ. Ξαξά ηελ εμαηξεηηθή απόδνζε ζηε ρξήζε ησλ δηθηπαθώλ πόξσλ, ε ππεξεζία MBMS παξνπζηάδεη έλα βαζηθό κεηνλέθηεκα, θαζώο ε εθαξκνγή κεραληζκώλ αλάδξαζεο από ηνλ θάζε κεκνλσκέλν ρξήζηε είλαη αδύλαηνλ λα εθαξκνζηεί απνδνηηθά ζε broadcast πεξηβάιινληα, δπζθνιεύνληαο ηε ιεηηνπξγία κεραληζκώλ ειέγρνπ ιαζώλ. Ζ ιύζε ζε απηό ην πξόβιεκα έξρεηαη κε ηελ εθαξκνγή κεραληζκώλ Forward Error Correction (FEC) ζην επίπεδν εθαξκνγώλ, κε ην 3GPP λα πξνηείλεη ηε ρξήζε ηνπ ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor. Βαζηθό πιενλέθηεκα ησλ κεραληζκώλ FEC, είλαη ε παξνρή αμηόπηζηεο κεηάδνζεο έλαληη ζε απώιεηεο Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 25

26 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 1: Δηζαγσγή δεδνκέλσλ ρσξίο ηελ αλάγθε παξνρήο πιεξνθνξηώλ αλάδξαζεο από ηνπο παξαιήπηεο ζηνλ απνζηνιέα, θαζώο ν κεραληζκόο FEC πξνζζέηεη πιενλάδνπζα πιεξνθνξία ζηα κεηαδηδόκελα δεδνκέλα πξνζθέξνληαο ηελ ηθαλόηεηα αληηκεηώπηζεο ρακέλσλ ή θαηεζηξακκέλσλ παθέησλ δεδνκέλσλ. Πηόρνο ηεο παξνύζαο κεηαπηπρηαθήο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη ε αλάιπζε ηεο απόδνζεο ηνπ κεραληζκνύ AL-FEC πάλσ ζε θηλεηά δίθηπα επηθνηλσληώλ LTE θαη πην ζπγθεθξηκέλα ζηελ ππεξεζία MBMS. Ξξόθεηηαη νπζηαζηηθά γηα κία πξνζπάζεηα λα κειεηεζεί θαη λα αμηνινγεζεί ε επίδξαζε ηεο εθαξκνγήο ηνπ FEC πάλσ ζηελ ππεξεζία MBMS κεηάδνζεο, όζνλ αθνξά ηε βειηίσζε ηεο απόδνζήο ηνπ (από ηελ άπνςε ηεο επηηπρεκέλεο κεηάδνζεο ελόο πνιπκεζηθνύ αληηθεηκέλνπ) θαη ηελ απνδνηηθή επηινγή ησλ παξακέηξσλ εθαξκνγήο ηνπ κεραληζκνύ πξνζηαζίαο FEC. Ζ παξνύζα εξγαζία δνκείηαη ζε θεθάιαηα σο εμήο: Ρν θεθάιαην 2 θάλεη κία εηζαγσγηθή αλαθνξά ζηα θηλεηά θπςεισηά ζπζηήκαηα επηθνηλσληώλ, αλαθέξνληαο ηελ εμέιημή ηνπο κέρξη ηα θπςεισηά ζπζηήκαηα LTE. Αξρηθά αλαθέξνληαη θάπνηα ηζηνξηθά ζηνηρεία ζρεηηθά κε ηελ αξρή ηεο αζύξκαηεο κεηάδνζεο, ζπλερίδνληαο κε ηελ πεξηγξαθή ηεο εμέιημεο ησλ γεληώλ ησλ θηλεηώλ ζπζηεκάησλ. Πηε ζπλέρεηα, πεξηγξάθεηαη αλαιπηηθά ην πξόηππν LTE θαη ην θεθάιαην θαηαιήγεη κε κία ζύληνκε πεξηγξαθή ηεο εμέιημεο ησλ LTE ζπζηεκάησλ, ηα ηέηαξηεο γεληάο θηλεηά ζπζηήκαηα επηθνηλσληώλ. Πην θεθάιαην 3 παξνπζηάδεηαη ε ππεξεζία MBMS ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ LTE. Αξρηθά γίλεηαη κία αλαιπηηθή πεξηγξαθή ηεο αξρηηεθηνληθήο ελόο MBMS πεξηβάιινληνο κεηάδνζεο θαη αθνινπζεί ε πεξηγξαθή ησλ απαξαίηεησλ ιεηηνπξγηώλ γηα ηελ παξνρή MBMS ππεξεζηώλ. Ρέινο, παξνπζηάδνληαη αλαιπηηθά νη δύν κέζνδνη παξάδνζεο MBMS δεδνκέλσλ, download θαη streaming, δίλνληαο κεγαιύηεξε έκθαζε ζηηο ιεηηνπξγίεο ηεο MBMS streaming κεηάδνζεο, όπνπ θνκβηθό ζεκείν απνηειεί ην επίπεδν εθαξκνγήο ηνπ κεραληζκνύ FEC γηα ηελ παξνρή πξνζηαζίαο έλαληη ηεο απώιεηαο δεδνκέλσλ θαηά ηε κεηάδνζε. Ρν θεθάιαην 4 είλαη εμ νινθιήξνπ αθηεξσκέλν ζην κεραληζκό ηνπ FEC. Αξρηθά, δίλνληαη θάπνηα εηζαγσγηθά ζηνηρεία ζρεηηθά κε ηηο ηερληθέο παξνρήο πξνζηαζίαο ελάληηα ζηηο απώιεηεο παθέησλ δεδνκέλσλ ζε multicast πεξηβάιινληα, παξνπζηάδνληαο ηηο αδπλακίεο ηεο θάζε κεζόδνπ, αδπλακίεο πνπ κπνξεί λα θαιύςεη ε ηερληθή ηνπ FEC. Αθνινπζεί κία αλάιπζε ησλ ραξαθηεξηζηηθώλ θαη ηεο ιεηηνπξγίαο ησλ δηαθόξσλ νηθνγελεηώλ θσδίθσλ FEC, θαηαιήγνληαο ζηνπο θώδηθεο Raptor θαη ζηελ αλαιπηηθή πεξηγξαθή ηνπ πξνηππνπνηεκέλνπ από ην 3GPP, ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor. Ρέινο, πεξηγξάθεηαη ε εθαξκνγή ηνπ θώδηθα Raptor πάλσ ζηελ ππεξεζία MBMS streaming. Πην θεθάιαην 5 γίλεηαη κία αλαιπηηθή πεξηγξαθή ηεο εξεπλεηηθήο πεξηνρήο ηεο multicast κεηάδνζεο πνιπκεζηθώλ ππεξεζηώλ ζε θηλεηά δίθηπα επηθνηλσληώλ θαη ηεο εθαξκνγήο ηνπ κεραληζκνύ FEC πάλσ ζε απηέο, παξνπζηάδνληαο ιεπηνκεξεηαθά ηηο εξγαζίεο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ θαηά ηελ εθπόλεζε ηεο παξνύζαο εξγαζίαο. Πην θεθάιαην 6 παξνπζηάδεηαη ε πιαηθόξκα πξνζνκνίσζεο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηελ εθηέιεζε ησλ πξνζνκνηώζεσλ ηεο παξνύζαο εξγαζίαο. Ρέινο, αλαιύεηαη ην πεξηβάιινλ πξνζνκνίσζεο πνπ αλαπηύρζεθε γηα ηελ εθηέιεζε ηεο πεηξακαηηθήο δηαδηθαζίαο. 26 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

27 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 1: Δηζαγσγή Πην θεθάιαην 7 παξέρνληαη ηα πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα ηεο παξνύζαο κεηαπηπρηαθήο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο. Αξρηθά, πεξηγξάθνληαη νη ξπζκίζεηο πνπ επηιέρζεθαλ γηα ηε δηελέξγεηα ησλ πξνζνκνηώζεσλ. Αθνινπζεί, κία αλάιπζε ηεο απόδνζεο ελόο πεξηβάιινληνο MBMS κεηάδνζεο εμεηάδνληαο δηάθνξεο παξακέηξνπο ηνπ ζπζηήκαηνο πξνζνκνίσζεο. Ρέινο, παξνπζηάδνληαη ηα απνηειέζκαηα πνπ αθνξνύλ ηελ απόδνζε ηνπ κεραληζκνύ FEC πάλσ ζε πνηθίια πεξηβάιινληα MBMS streaming κεηάδνζεο. Ρν θεθάιαην 8 παξνπζηάδεη ηα ζπκπεξάζκαηα ηα νπνία έρνπλ εμαρζεί θαηά ηε δηάξθεηα εθπόλεζεο ηεο παξνύζαο κεηαπηπρηαθήο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο. Πην θεθάιαην 9 παξνπζηάδνληαη δηάθνξα αλνηρηά θαη λέα ζέκαηα πάλσ ζηνλ ηνκέα πνπ κπνξνύλ λα απνηειέζνπλ αληηθείκελν κειινληηθήο έξεπλαο. Πην παξάξηεκα I παξνπζηάδεηαη αλαιπηηθά ε δηαδηθαζία θσδηθνπνίεζεο ηνπ ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor FEC, όπσο πξνηείλεηαη από ην 3GPP. Πην παξάξηεκα ΗΗ παξνπζηάδεηαη ε βηβιηνγξαθία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ζηα πιαίζηα ηεο παξνύζαο εξγαζίαο. Πεκεηώλνπκε πσο νη αλαθνξέο ζηε βηβιηνγξαθία έρνπλ ελζσκαησζεί ζην θείκελν κέζα ζε αγθύιεο ([]). Πην παξάξηεκα III παξνπζηάδνληαη ηα αθξσλύκηα ηα νπνία ρξεζηκνπνηνύληαη ζε απηή ηελ εξγαζία γηα ηε δηεπθόιπλζε ηνπ αλαγλώζηε. Ρέινο, ζην παξάξηεκα IV παξνπζηάδεηαη ην επξεηήξην νξηζκέλσλ όξσλ νη νπνίνη ρξεζηκνπνηνύληαη ζε απηή ηελ εξγαζία γηα ηε δηεπθόιπλζε ηνπ αλαγλώζηε θαη ηε γξήγνξε αλαδήηεζή ηνπο κέζα ζην θείκελν. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 27

28

29 Θ Δ Φ Α Ι Α Η Ν 2: Ζ Δ Μ Δ Ι Η Μ Ζ Ρ Υ Λ Θ Η Λ Ζ Ρ Υ Λ Γ Η Θ Ρ Υ Λ Δ Ξ Η Θ Ν Η Λ Υ Λ Η Υ Λ & Ρ Ν Π Π Ρ Ζ Κ Α L T E

30

31 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Η ΔΞΔΛΙΞΗ ΣΩΝ ΚΙΝΗΣΩΝ ΓΙΚΣΤΩΝ ΔΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΣΟ ΤΣΗΜΑ LTE Πην θεθάιαην απηό γίλεηαη κία εηζαγσγηθή αλαθνξά ζηα ζπζηήκαηα θηλεηώλ επηθνηλσληώλ θαη ζηελ εμέιημή ηνπο έσο ην θπςεισηό ζύζηεκα LTE. Αθνινπζεί κία αλαιπηηθή πεξηγξαθή ηνπ θπςεισηνύ θηλεηνύ ζπζηήκαηνο ηερλνινγίαο LTE, πεξηγξάθνληαο ηα βαζηθά ζπζηαηηθά θαη ηερλνινγίεο ηνπ. Πηε ζπλέρεηα, παξνπζηάδεηαη ε εμέιημε ησλ δηθηύσλ LTE, ηα θηλεηά ζπζηήκαηα ηέηαξηεο γεληάο. 2.1 Ιζηνξηθά ηνηρεία Ζ αξρή ηεο αζύξκαηεο κεηάδνζεο ρξνλνινγείηαη βαζηά κέζα ζηελ ηζηνξία ηεο αλζξσπόηεηαο. Αθόκα θαη ζηα αξραία ρξόληα ν άλζξσπνο ρξεζηκνπνηνύζε αξρέγνλα ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα, ηα νπνία δηέπνληαλ από ηηο αξρέο ηεο αζύξκαηεο κεηάδνζεο. Ξαξαδείγκαηα ηέηνησλ είλαη ηα ζήκαηα θαπλνύ, νη αλαθιαζηηθνί θαζξέπηεο, νη ζεκαίεο, θιπ. Αλαθέξεηαη πσο νη αξραίνη Έιιελεο είραλ αλαπηύμεη έλα πξόηππν ηειεπηθνηλσληαθό ζύζηεκα, ην νπνίν ζπκπεξηιάκβαλε έλα ζύλνιν από ζηαζκνύο παξαηήξεζεο ζηηο θνξπθέο ιόθσλ κε θάζε ζηαζκό λα έρεη νπηηθή επαθή κε ην γεηηνληθό ηνπ, κε ζθνπό ηε κεηάδνζε κελπκάησλ. Ξαξόκνηνη κεραληζκνί είραλ αλαπηπρζεί θη από άιινπο αξραίνπο πνιηηηζκνύο. Ξαξόια απηά είλαη πην εύινγν λα ζεσξήζνπκε πσο ε αξρή ησλ αζύξκαησλ δηθηύσλ όπσο ηα αληηιακβαλόκαζηε ζήκεξα, έγηλε κε ηελ πξώηε αζύξκαηε κεηάδνζε. Ρν γεγνλόο απηό ζπλέβε ην 1895, ιίγα ρξόληα κεηά από έλα άιιν πνιύ ζεκαληηθό γεγνλόο: ηελ αλαθάιπςε ηνπ ηειεθώλνπ. Ρε ρξνληά απηή ν Guglielmo Marconi έθαλε ηελ επίδεημε ηεο πξώηεο αζύξκαηεο κεηάδνζεο ζε απόζηαζε 18 κηιίσλ. Έμη ρξόληα αξγόηεξα, ν Marconi εμέπεκςε επηηπρώο έλα αζύξκαην ζήκα ην νπνίν δηέζρηζε ηνλ Αηιαληηθό Υθεαλό θαη ην 1902 ε πξώηε ακθίδξνκε κεηάδνζε θαηά κήθνο ηνπ Αηιαληηθνύ πξαγκαηνπνηήζεθε. Πηα ρξόληα πνπ αθνινύζεζαλ ε αζύξκαηε κεηάδνζε ζπλέρηζε λα εμειίζζεηαη αικαησδώο, κε ηελ αξρή ηεο αζύξκαηεο ηειεθσλίαο λα ρξνλνινγείηαη ην 1915, όηαλ ε πξώηε αζύξκαηε ζπλνκηιία πξαγκαηνπνηήζεθε κεηαμύ πινίσλ. Ρα θηλεηά δίθηπα επηθνηλσληώλ ηερλνινγίαο Long Term Evolution (LTE) είλαη έλα από ηα ηειεπηαία βήκαηα κίαο ζπλερώο εμειηζζόκελεο ζεηξάο από θηλεηά ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα. Γηα ηα επίγεηα ηειεπηθνηλσληαθά ζπζηήκαηα ε εμέιημε απηή μεθίλεζε ην 1947 κε ηελ εκθάληζε θαη εμέιημε ηεο έλλνηαο ηεο θπςέιεο (cell) από ηα θεκηζκέλα εξγαζηήξηα ηεο Bell (Bell Labs) ζηηο Ζλσκέλεο Ξνιηηείεο ηεο Ακεξηθήο. Ζ ρξήζε ησλ θπςειώλ επέηξεςε ηε ζεκαληηθή αύμεζε ηεο ρσξεηηθόηεηαο ελόο θηλεηνύ ηειεπηθνηλσληαθνύ δηθηύνπ, ρσξίδνληαο ηελ πεξηνρή θάιπςεο ζε κηθξέο θπςέιεο, δηαζέηνληαο ε θάζε κία ην δηθό ηεο ζηαζκό βάζεο (base station), ν νπνίνο ιεηηνπξγεί ζηε δηθή ηνπ μερσξηζηή ζπρλόηεηα. Ρα πξώηα πξώηκα ζπζηήκαηα πνπ αλαπηύρζεθαλ ήηαλ πεξηνξηζκέλα ζηε ιεηηνπξγία ηνπο βάζεη γεσγξαθηθώλ, εζληθώλ νξίσλ αλάινγα κε ηελ πεξηνρή ιεηηνπξγίαο ηνπο. Θαηάθεξαλ λα πξνζειθύζνπλ κόλν έλα πνιύ κηθξό αξηζκό ρξεζηώλ, θαζώο ν εμνπιηζκόο ηνλ νπνίν απαηηνύζαλ ήηαλ αθξηβόο, βαξύο θαη ελεξγνβόξνο, κε ζπλέπεηα ε πξαθηηθή ιεηηνπξγίαο ηνπο λα είλαη δπλαηή κόλν ζε νρήκαηα. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 31

32 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE 2.2 Πξώηεο Γεληάο (1G) Κπςεισηά πζηήκαηα Όπσο αλαθέξζεθε θαη πξνεγνπκέλσο ην πξώην δεκόζην θηλεηό ηειεθσληθό ζύζηεκα, γλσζηό ζαλ Mobile Telephone System (MTS), παξνπζηάζηεθε ην Ξαξόηη ζεσξήζεθε έλα κεγάιν ηερλνινγηθό άικα ηεο επνρήο, ην ζπγθεθξηκέλν ζύζηεκα ππέθεξε από αξθεηνύο ζεκαληηθνύο πεξηνξηζκνύο. Σαξαθηεξηζηηθά ηνπ, νη πνκπνδέθηεο ήηαλ ππεξβνιηθά κεγάινη θαη κπνξνύζαλ λα εγθαηαζηαζνύλ πξαθηηθά κόλν ζε νρήκαηα, ε κε απνδνηηθή ρξήζε ηνπ δηαζέζηκνπ θάζκαηνο θαη ε ρεηξνθίλεηε κεηαγσγή ησλ θιήζεσλ. Ρα ζπζηήκαηα IMTS απνηεινύλ βειηίσζε ησλ MTS πξνζθέξνληαο πεξηζζόηεξα δηαζέζηκα θαλάιηα θαη απηόκαηε κεηαγσγή θιήζεο. Ξαξόια απηά ε επνρή ηεο θπςεισηήο ηειεθσλίαο, όπσο ηελ θαηαλννύκε ζήκεξα, μεθίλεζε κε ηελ παξνπζίαζε ηεο πξώηεο γεληάο ησλ θπςεισηώλ ζπζηεκάησλ (1G ζπζηήκαηα). Ζ βαζηθή δηαθνξά κεηαμύ ησλ 1G ζπζηεκάησλ θαη ησλ MTS/IMTS ήηαλ ε ρξήζε ηεο έλλνηαο ησλ θπςειώλ ζηα 1G, ε νπνία έθεξε επαλάζηαζε ζηελ πεξηνρή ηεο θηλεηήο ηειεθσλίαο. Ζ επαλάζηαζε απηή αηθληδίαζε πνιινύο, αθόκα θαη ηελ AT&T πνπ ππνιόγηδε πσο κόιηο έλα εθαηνκκύξην ρξήζηεο θπςεισηήο ηειεθσλίαο ζα ππάξρνπλ κέρξη ηα ηέιε ηνπ πξνεγνύκελνπ αηώλα, ζε ζρέζε κε ηνπο εθαηνληάδεο ρηιηάδεο εθαηoκκύξηα πνπ ππάξρνπλ ζήκεξα. Ζ ρξήζε ηεο θπςεισηήο δνκήο βειηίσλε ζεκαληηθά ηε θαζκαηηθή ρξήζε, παξόια απηά ηα ζπζηήκαηα 1G ζεσξνύληαη πιένλ ηερλνινγηθά πξσηόγνλα. Δληνύηνηο, απηό δελ αιιάδεη ην γεγνλόο πσο αθόκα θαη ζήκεξα ζε θάπνηεο πεξηνρέο αθόκα ρξεζηκνπνηνύληαη αλαινγηθά θπςεισηά ηειέθσλα. Ν ιόγνο γηα ηνλ νπνίν ηα 1G ζπζηήκαηα ζεσξνύληαη μεπεξαζκέλα άπηεηαη ζην γεγνλόο πσο ρξεζηκνπνηνύλ αλαινγηθή ζεκαηνδνζία γηα ηε κεηάδνζε ηεο θίλεζεο ησλ ρξεζηώλ. Απηό νδεγεί ζε έλα πιήζνο πξνβιεκάησλ. Ζ ρξήζε θξππηνγξάθεζεο δελ είλαη δπλαηή, θαζώο ηα αλαινγηθά ζήκαηα δελ επηηξέπνπλ ηε ρξήζε απνδνηηθώλ ζρεκάησλ θξππηνγξάθεζεο. Δπίζεο, ε πνηόηεηα ηεο θιήζεο είλαη ππνδεέζηεξε ζε ζρέζε κε ησλ ςεθηαθώλ ζπζηεκάησλ, θαζώο ε αλαινγηθή θίλεζε ππνβαζκίδεηαη επθνιόηεξα από ην θαηλόκελν ηεο παξεκβνιήο θαη δελ επηηξέπεη ηε ρξήζε ηερληθώλ δηόξζσζεο ιαζώλ. Ρέινο, ηα αλαινγηθά ζπζηήκαηα πξνζθέξνπλ ρακειή θαζκαηηθή απόδνζε, θαζώο θάζε θέξνπζα αθηεξώλεηαη ζε έλα ρξήζηε αλεμάξηεηα από ην εάλ είλαη ελεξγόο ή όρη (διδ. αλελεξγόο θαηά ηε δηάξθεηα όκσο κίαο θιήζεο). Ππλνιηθά έλα κεγάιν πιήζνο αλαινγηθώλ ζπζηεκάησλ έρνπλ αλαπηπρζεί παγθνζκίσο [1], κε πην αληηπξνζσπεπηηθά ηα Advanced Mobile Phone System (AMPS) από ηα εξγαζηήξηα ηεο Bell θαη ην επξσπατθό Nordic Mobile Telephony (NMT) [2]. 2.3 Γεύηεξεο Γεληάο (2G) Κπςεισηά πζηήκαηα Ξαξά ηε κεγάιε εμάπισζε πνπ γλώξηζαλ ηα 1G θπςεισηά ζπζηήκαηα, ε ηερλνινγηθή εμέιημε κε ηελ επξεία δηάδνζε ησλ ςεθηαθώλ θπθισκάησλ νδήγεζε ηε βηνκεραλία λα θηλεζεί πξνο ηε δεύηεξε γεληά (2G), ην δηάδνρν ησλ 1G ζπζηεκάησλ. Ρα 2G ζπζηήκαηα αληηκεηώπηζαλ πνιιέο από ηηο αδπλακίεο ησλ πξνθαηόρσλ ηνπο. Νη βειηησκέλεο ηνπο δπλαηόηεηεο πξνθύπηνπλ από ην γεγνλόο πσο, ζε αληίζεζε κε ηα 1G είλαη πιήξσο ςεθηαθά ζπζηήκαηα, πξνζθέξνληαο πιήζνο πιενλεθηεκάησλ. Ζ ςεθηνπνηεκέλε θίλεζε κπνξεί εύθνια λα θξππηνγξαθεζεί ώζηε λα πξνζθέξεη ηδησηηθόηεηα θαη αζθάιεηα. Πηα ςεθηαθά ζπζηήκαηα είλαη δπλαηή ε εθαξκνγή αλίρλεπζεο ιαζώλ θαη ηερληθώλ δηόξζσζήο ηνπο. Θάλνληαο ρξήζε ηέηνησλ ηερληθώλ ν παξαιήπηεο κπνξεί λα αληρλεύζεη θαη λα δηνξζώζεη ιάζε ζηα κεηαδηδόκελα bits, θάηη πνπ εληζρύεη ηελ αμηόπηζηε κεηάδνζε. Απηό πξνθαλώο νδεγεί ζηε ιήςε 32 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

33 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE ζεκάησλ κε ειάρηζηε ή θαζόινπ παξακόξθσζε, θάηη πνπ κεηαθξάδεηαη ζε θαιύηεξε πνηόηεηα θιήζεο, ππνζηήξημε κεηάδνζεο δεδνκέλσλ ζε πςειόηεξεο ηαρύηεηεο θαη απνδνηηθόηεξε θαζκαηηθή ρξήζε, θαζώο είλαη απαξαίηεηεο ιηγόηεξεο επαλαπνζηνιέο θαηεζηξακκέλσλ δεδνκέλσλ. Δπηπιένλ, ηα ςεθηαθά δεδνκέλα κπνξνύλ λα ζπκπηεζηνύλ, γεγνλόο πνπ απμάλεη ηελ απνδνηηθή ρξήζε ηνπ δηαζέζηκνπ θάζκαηνο θαη επηηξέπεη ζηα 2G ζπζηήκαηα λα ππνζηεξίδνπλ πεξηζζόηεξνπο ρξήζηεο αλά ζηαζκό βάζεο αλά MHz θάζκαηνο ζε ζρέζε κε ηα 1G. Ρέινο ζηα ςεθηαθά ζπζηήκαηα θάζε θέξνπζα ζπρλόηεηα δηακνηξάδεηαη ζε πεξηζζόηεξνπο από έλα ρξήζηε, είηε ρξεζηκνπνηώληαο δηαθνξεηηθέο ρξνληθέο ζρηζκέο είηε δηαθνξεηηθνύο θώδηθεο αλά ρξήζηε. Γειαδή νη ζρηζκέο ή νη θώδηθεο αλαηίζεληαη ζηνπο ρξήζηεο κόλν όηαλ έρνπλ θίλεζε λα ζηείινπλ. Ζ κεηαθίλεζε από ηα αλαινγηθά ζηα ςεθηαθά ζπζηήκαηα έγηλε δπλαηή ράξε ζηελ αλάπηπμε ηερληθώλ γηα ρακεινύ ξπζκνύ θσδηθνπνίεζε θσλήο θαη ηε ζπλερή εμέιημε ησλ ελζσκαησκέλσλ θπθισκάησλ ζηηο θηλεηέο ζπζθεπέο. Αληίζεηα κε ηα 1G ζπζηήκαηα πνπ ρξεζηκνπνηνύλ ηερλνινγία πνιιαπιήο πξόζβαζεο ζην πεδίν ηεο ζπρλόηεηαο (Frequency Division Multiple Access-FDMA) γηα ην δηαρσξηζκό ησλ ρξεζηώλ, ηα 2G επηηξέπνπλ ηε ρξήζε πνιιαπιήο πξόζβαζεο ζην πεδίν ηνπ ρξόλνπ (Time Division Multiple Access-TDMA) ή ηε ρξήζε δηαθνξεηηθνύ θώδηθα αλά ρξήζηε (Code Division Multiple Access- CDMA). Ξνιιά πξόηππα 2G ζπζηεκάησλ έρνπλ αλαπηπρζεί όπσο ηα D-AMPS, cdmaone, GSM, IS-41, GPRS, HSCSD, cdmatwo θ.ά., κε πην δηαδεδνκέλν ην GSM. Δηθόλα 1. Η Αξρηηεθηνληθή ηνπ Γηθηύνπ GSM. Ζ πξνέιεπζε ηνπ Global System for Mobile Communications (GSM) [3] κπνξεί λα βξεζεί ζηελ Δπξώπε ζηηο αξρέο ηεο δεθαεηίαο ηνπ Ρν ζπγθεθξηκέλν ζύζηεκα αλαπηύρζεθε κε βάζε νξηζκέλα θξηηήξηα, όπσο θαιή πνηόηεηα θιήζεο, ρακειό θόζηνο ηεξκαηηθώλ ζπζθεπώλ θαη ππνζηήξημε επηπαιάκηνλ ζπζθεπώλ, ππνζηήξημε δηεζλνύο πεξηαγσγήο, θαζκαηηθή απνδνηηθόηεηα θαη ζπκβαηόηεηα κε ηελ ηερλνινγία ISDN. Ξαξόηη ην GSM αλαπηύρζεθε ζηελ Δπξώπε, γξήγνξα Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 33

34 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE πηνζεηήζεθε από έλα κεγάιν πιήζνο ρσξώλ παγθνζκίσο θαη ζπλνιηθά ππάξρνπλ 4 εθδόζεηο ηνπ ζπζηήκαηνο, αλάινγα κε ηε ζπρλόηεηα ιεηηνπξγίαο. Ζ αξρηηεθηνληθή ηνπ δηθηύνπ GSM απνηειείηαη από έλα ζύλνιν δηθηπαθώλ νληνηήησλ θαη κπνξεί λα ρσξηζηεί ζε 3 κέξε όπσο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 1, ην ππνζύζηεκα ηνπ θηλεηνύ ζηαζκνύ, ην ππνζύζηεκα ηνπ ζηαζκνύ βάζεο θαη ην ππνζύζηεκα δηθηύνπ. Πεκαληηθή εμέιημε ηνπ ζπζηήκαηνο GSM απνηειεί ην ζύζηεκα General Packet Radio Service (GPRS) [4] ην νπνίν βαζίδεηαη ζηηο αξρέο ηνπ GSM κε θύξηα δηαθνξά πσο ην GPRS, ζε αληίζεζε κε ην GSM πνπ είλαη έλα δίθηπν κεηαγσγήο θπθιώκαηνο (circuit-switched), είλαη έλα δίθηπν κεηαγσγήο παθέηνπ (packet-switched), εηζάγνληαο 2 λέεο δηθηπαθέο νληόηεηεο ζηελ αξρηηεθηνληθή ηνπ δηθηύνπ GSM, ην Serving GPRS Support Node (SGSN) θαη ην Gateway GPRS Support Node (GGSN). 2.4 Σξίηεο Γεληάο (3G) Κπςεισηά πζηήκαηα Ζ κεγάιε επηηπρία ηεο πξώηεο θαη δεύηεξεο γεληάο ησλ αζύξκαησλ θπςεισηώλ ζπζηεκάησλ απνδίδεηαη ζηελ αλάγθε ησλ ρξεζηώλ γηα ππεξεζίεο θσλήο. Γηα πάλσ από κία δεθαεηία ηα 2G ζπζηήκαηα ηθαλνπνίεζαλ ηηο αλάγθεο ησλ ρξεζηώλ κε θύξηα απαίηεζε ηε κεηάδνζε θσλήο. Απηό νδήγεζε ζε 400 εθαηνκκύξηα 2G θηλεηνύο ρξήζηεο, κε ηηο ηόηε πξνβιέςεηο λα ζέινπλ 1.8 δηζεθαηνκκύξηα ρξήζηεο ην έηνο Ξαξά ηε κεγάιε επηηπρία θαη ηελ απνδνρή ηεο αγνξάο, ηα 2G ζπζηήκαηα ήηαλ πεξηνξηζκέλα όζνλ αθνξά ην κέγηζην ξπζκό κεηάδνζεο δεδνκέλσλ. Δλώ θάηη ηέηνην δελ είλαη πεξηνξηζηηθόο παξάγνληαο γηα ηελ πξνζθεξόκελε πνηόηεηα θσλήο, θαζηζηνύζε ηα 2G πξαθηηθώο άρξεζηα γηα ηελ ηθαλνπνίεζε ησλ ζπλερώο απμαλόκελσλ απαηηήζεσλ γηα άιιεο θηλεηέο εθαξκνγέο. Ήδε αλακελόηαλ πσο ε ζπλερώο απμαλόκελε δεκνηηθόηεηα ησλ εθαξκνγώλ πνιπκέζσλ θαη ησλ ππεξεζηώλ Γηαδηθηύνπ ζα είρε ζεκαληηθό αληίθηππν ζηελ παγθόζκηα αγνξά ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ. Πύκθσλα κε κειέηε ηεο επνρήο [5], ην 2010 αλακελόηαλ πσο ην 60% ηεο θίλεζεο ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ ζα αθνξνύζε πνιπκεζηθέο εθαξκνγέο. Ρα 3G ζπζηήκαηα είραλ ζηόρν λα εθπιεξώζνπλ ηηο αλάγθεο κειινληηθώλ ππεξεζηώλ, πξνζθέξνληαο δπλαηόηεηεο παγθόζκηαο θηλεηήο πνιπκεζηθήο επηθνηλσλίαο ζε κία απνδνηηθή βάζε. Νη ρξήζηεο, αλεμάξηεηα από ηε γεσγξαθηθή ηνπο ζέζε ζα κπνξνύζαλ κέζσ κόλν κίαο ζπζθεπήο λα απνιακβάλνπλ κεγάιε πνηθηιία εθαξκνγώλ. Ζ ρξήζε ηνπ όξνπ 3G ζπλήζσο εκπεξηέρεη κία αζάθεηα, θαζώο ηηο πεξηζζόηεξεο θνξέο δηαθνξεηηθνί άλζξσπνη ελλννύλ δηαθνξεηηθά πξάγκαηα όηαλ ηνλ ρξεζηκνπνηνύλ. Αξρηθά είρε νξηζηεί λα ραξαθηεξίδεη νπνηνδήπνηε θηλεηό πξόηππν πνπ πξνζέθεξε απόδνζε ηνπιάρηζηνλ ίζε κε απηή ηεο ηερλνινγίαο ISDN (144 kbps). Ρα 3G ζπζηήκαηα πξνζέθεξαλ ξπζκό κεηάδνζεο ηνπιάρηζηνλ 144 kbps γηα πιήξε θηλεηηθόηεηα ζε όιεο ηηο πεξηπηώζεηο, 384 kbps γηα εθαξκνγέο πεξηνξηζκέλεο θηλεηηθόηεηαο ζε κάθξν- θαη κίθξν-θπςεισηά πεξηβάιινληα θαη 2 Mbps γηα εθαξκνγέο ρακειήο θηλεηηθόηεηαο. Νη ξπζκνί απηνί ήηαλ αξθεηνί γηα ηελ ππνζηήξημε ησλ ηόηε κειινληηθώλ πνιπκεζηθώλ εθαξκνγώλ. Ξξέπεη λα ζεκεησζεί πσο ξπζκνί κεηάδνζεο ISDN είραλ επηηεπρζεί θαη από θάπνηα 2.5G πξόηππα, όπσο ην GPRS θαη ην IS-95B, κόλν όκσο θάησ από ηδαληθέο ζπλζήθεο ηνπ αζύξκαηνπ θαλαιηνύ θαη νη ξπζκνί απηνί αλαινγνύζαλ ζηηο ρακειόηεξεο ηαρύηεηεο ησλ 3G. Ρα βαζηθά ραξαθηεξηζηηθά ησλ 3G ζπζηεκάησλ είλαη [6]: πνζηήξημε ζπκκεηξηθήο θαη αζύκκεηξεο θίλεζεο. 34 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

35 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE πνζηήξημε ππεξεζηώλ κεηαγσγήο παθέηνπ θαη κεηαγσγήο θπθιώκαηνο, όπσο IP θίλεζε θαη πςειήο απόδνζεο ππεξεζίεο θσλήο. πνζηήξημε ηαπηόρξνλεο εθηέιεζεο αξθεηώλ ππεξεζηώλ πάλσ ζηελ ίδηα ηεξκαηηθή ζπζθεπή. Ξξνο ηα πίζσ ζπκβαηόηεηα θαη δηαιεηηνπξγηθόηεηα. πνζηήξημε πεξηαγσγήο. Ζ πξνηππνπνίεζε ησλ 3G ζπζηεκάησλ μεθίλεζε από ηελ Γηεζλή Έλσζε Ρειεπηθνηλσληώλ (International Telecommunication Union-ITU) ην Ρν απνηέιεζκα ηεο πξνζπάζεηαο απηήο νλνκάζηεθε International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000), ην νπνίν ζπκπεξηιακβάλεη έλα πιήζνο από δηαθνξεηηθά 3G πξόηππα. Θάζε έλα από απηά ηα πξόηππα δεκηνπξγήζεθε από έλαλ ή πεξηζζόηεξνπο εζληθνύο νξγαληζκνύο αλάπηπμεο πξνηύπσλ (Standards Developing Organizations-SDO). Ρν κεγάιν πιήζνο πξνηύπσλ είρε ζαλ ζθνπό λα πεηύρεη ηελ νκαιή εηζαγσγή ησλ 3G ζπζηεκάησλ, ώζηε λα δηαηεξεζεί ε πξνο ηα πίζσ ζπκβαηόηεηα κε ηα ππάξρνληα 2G ζπζηήκαηα. Γηα λα δηεπθνιπλζεί ε αλάπηπμε ελόο κηθξόηεξνπ ζπλόινπ από ζπκβαηά 3G πξόηππα δεκηνπξγήζεθαλ δηάθνξα δηεζλή πξνγξάκκαηα όπσο ην Third Generation Partnership Project (3GPP) θαη ην 3GPP2. Πύκθσλα κε ηε ρώξα αλάπηπμεο, έλα θαηάιιειν πξόηππν αζύξκαηεο πξόζβαζεο (γλσζηό θαη ζαλ αζύξκαηε δηεπαθή) έπξεπε λα επηιεγεί, ζε κία πξνζπάζεηα λα παξέρεηαη ζπκβαηόηεηα κε ηα ήδε αλεπηπγκέλα 2G ζπζηήκαηα θαη λα ζπκκνξθώλεηαη κε ηνπο θαλνληζκνύο δηαρείξηζεο θάζκαηνο ηεο θάζε ρώξαο. Ν ζηόρνο ησλ 3G ζπζηεκάησλ ήηαλ ε ζύγθιηζε δηαθνξεηηθώλ ππεξεζηώλ, ζπλδπάδνληαο ηειεθσλία, Γηαδίθηπν θαη πνιπκεζηθέο ππεξεζίεο. Δίλαη ελδηαθέξνλ λα αλαθέξνπκε πσο κόιηο μεθίλεζαλ νη πξώηεο εηζεγήζεηο γηα ηα 3G δίθηπα ην 1992 ην Γηαδίθηπν ήηαλ αθόκα έλα εξγαιείν γηα ηελ αθαδεκατθή θνηλόηεηα θαη νη εθαξκνγέο πνιπκέζσλ ήηαλ θαηά πνιύ απινύζηεξεο από ηηο ζεκεξηλέο. Γηα απηό ην ιόγν ε ππνζηήξημε ηνπ Γηαδηθηύνπ θαη ησλ πνιπκέζσλ δελ ήηαλ απηνλόεηε, παξόια απηά κε ην πέξαζκα ησλ ρξόλσλ απηό άιιαμε θαη ηα ζύγρξνλα 3G πξόηππα παξέρνπλ απνδνηηθή ππνζηήξημε γηα πξνεγκέλεο ππεξεζίεο Γηαδηθηύνπ, όπσο πεξηήγεζε ζηνλ παγθόζκην ηζηό θαη εθαξκνγέο πνιπκέζσλ πςειώλ απαηηήζεσλ. Όζνλ αθνξά ηα δηάθνξα 3G πξόηππα αζύξκαηεο πξόζβαζεο ν ηνκέαο πξνηππνπνίεζεο αζύξκαησλ επηθνηλσληώλ ηεο ITU (ITU-Radiocommunication-ITU- R) θάιεζε ηελ θαηάζεζε πξνηάζεσλ γηα πξόηππα ην 1998, κε απνηέιεζκα 10 επίγεηα θαη 6 δνξπθνξηθά πξόηππα λα θαηαηίζεληαη από δηάθνξνπο SDOs ρσξώλ από όιν ηνλ θόζκν. Ξαξόηη πξνέξρνληαλ από δηαθνξεηηθνύο νξγαληζκνύο, αξθεηέο από ηηο πξνηάζεηο ραξαθηεξίδνληαλ από κεγάιε νκνηόηεηα. Ρν Δπξσπατθό Ηλζηηηνύην Ρειεπηθνηλσληαθώλ Ξξνηύπσλ (European Telecommunications Standards Institute- ETSI) εηζήγαγε ην πξόηππν Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) ην νπνίν ρξεζηκνπνηεί ην Wideband CDMA (WCDMA) ζαλ κέζνδν αζύξκαηεο πξόζβαζεο, ζπκπεξηιακβάλνληαο 2 ηξόπνπο ιεηηνπξγίαο, ην Frequency Division Duplex (FDD) WCDMA θαη ην Time Division Duplex (TDD) WCDMA. Ν αληίζηνηρνο νξγαληζκόο ηεο Ηαπσλίαο, Association of Radio Industry Board (ARIB) επίζεο πξόηεηλε ηελ ηερλνινγία WCDMA, πξνζθέξνληαο ζπκβαηόηεηα κε ηελ πξόηαζε ηνπ ETSI. Ν νξγαληζκόο ησλ Ζλσκέλσλ Ξνιηηεηώλ Telecommunications Industry Association (TIA) πξόηεηλε 3 δηαθνξεηηθά πξόηππα: ην UWC-136, έλα πξόηππν βαζηζκέλν ζε TDMA ην νπνίν απνηεινύζε ηελ εμέιημε ηνπ ζπζηήκαηνο IS-136, ην Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 35

36 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE cdma2000 ζαλ εμέιημε ηνπ ζπζηήκαηνο IS-95 θαη έλα WCDMA ζύζηεκα κε ηελ νλνκαζία WIMS. Ν νξγαληζκόο ηεο Θνξέαο Telecommunication Technology Association (TTA) πξόηεηλε 2 ζπζηήκαηα, έλα πνιύ θνληά ζηελ πξόηαζε ηνπ ARIB θαη ην επόκελν ζύκθσλα κε ηα πξόηππα ηνπ cdma2000 ηνπ TIA. Ρέινο, ε Θίλα εηζήγαγε ηε δηθή ηεο πξόηαζε κε ηελ νλνκαζία TD-SCDMA ην νπνίν βαζίδεηαη ζε έλα ζρήκα ζπγρξνληζκέλνπ TD-CDMA ζπζηήκαηνο. Ππλνιηθά νη πξνηάζεηο θάζε εζληθνύ SDO παξνπζηάδνληαη ζηελ Δηθόλα 2. Δηθόλα 2. Οη Πξνηάζεηο θάζε SDO γηα ηε Σερλνινγία Αζύξκαηεο Πξόζβαζεο πξνο ηνλ ITU-R. Απνηέιεζκα ησλ παξαπάλσ πξνηάζεσλ ήηαλ ε δεκηνπξγία 2 πξνγξακκάησλ πνπ εξγάδνληαλ ζηελ αλάπηπμε 3G CDMA πξνηύπσλ, ην πξόγξακκα 3GPP πνπ αζρνιήζεθε κε ην WCDMA θαη ην 3GPP2 πνπ εξγάζηεθε πάλσ ζηελ αλάπηπμε ηνπ cdma2000 πξνηύπνπ. Ρν 3GPP θαη ην 3GPP2 βξίζθνληαλ ππό ην ζπληνληζκό κίαο νκάδαο από δηαρεηξηζηέο δηθηύσλ από όιν ηνλ θόζκν πνπ νλνκάδεηαη Operators Harmonization Group (OHG) θαη είρε ζαλ ζηόρν ηνλ ελαξκνληζκό ησλ δηάθνξσλ 3G πξνηύπσλ ώζηε λα είλαη δπλαηή ε ιεηηνπξγία ηνπο πάλσ ζε δηαθνξεηηθά δίθηπα θνξκνύ [7]. 2.5 Long Term Evolution Ζ δηαδηθαζία πξνηππνπνίεζεο ηνπ ζπζηήκαηνο Long Term Evolution (LTE), γλσζηό θαη ζαλ 3,9G θπςεισηό ζύζηεκα ηειεπηθνηλσληώλ, μεθίλεζε ζην Ρνξόλην ην Λνέκβξην ηνπ 2004, όπνπ έλα ζύλνιν εηαηξεηώλ ηνπ ρώξνπ ησλ θηλεηώλ ηειεπηθνηλσληώλ παξνπζίαζαλ ηνπο ζηόρνπο ηνπο γηα ηε κειινληηθή εμέιημε ησλ πξνδηαγξαθώλ πνπ ζα όξηδε ην 3GPP. Ζ ζπδήηεζε γηα ηηο βαζηθέο πξνδηαγξαθέο ηνπ λένπ LTE ζπζηήκαηνο νδήγεζε ζηε δεκηνπξγία ελόο επίζεκνπ Study Item ηνπ 3GPP κε βαζηθό ζηόρν ηελ εμέιημε ηεο ηερλνινγίαο αζύξκαηεο πξόζβαζεο πνπ είρε κέρξη ηόηε νξίζεη ην 3GPP, ώζηε λα εμαζθαιίζεη ηελ αληαγσληζηηθόηεηά ηνπ γηα ηα 36 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

37 Downlink U pli nk ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE επόκελα 10 ρξόληα ηνπιάρηζηνλ. Θαηά ηελ εμέιημε ηεο δηαδηθαζίαο απηήο νη απαηηήζεηο ηνπ LTE επαλαδηαηππώζεθαλ θαη απνζαθελίζηεθαλ ηειηθώο ηνλ Ηνύλην ηνπ Νη πην βαζηθέο από ηηο απαηηήζεηο ήηαλ: Κεησκέλεο θαζπζηεξήζεηο, όζνλ αθνξά ην ρξόλν εγθαηάζηαζεο ζύλδεζεο θαη ηελ θαζπζηέξεζε κεηάδνζεο. Απμεκέλνπο ξπζκνύο κεηάδνζεο δεδνκέλσλ. Απμεκέλνπο ξπζκνύο κεηάδνζεο αθόκα θαη ζηα όξηα ηεο θπςέιεο, ώζηε λα εμαζθαιίδεηαη νκνηνκνξθία ζηελ παξνρή ππεξεζηώλ ζε όινπο ηνπο ρξήζηεο. Κεησκέλν θόζηνο αλά bit, απνηέιεζκα ηεο βειηησκέλεο θαζκαηηθήο απόδνζεο. Κεγαιύηεξε επειημία ζηε δηαρείξηζε ηνπ θάζκαηνο, ζηηο λέεο θαη ζηηο ππάξρνπζεο ζπρλόηεηεο ιεηηνπξγίαο. Απινπνηεκέλε αξρηηεθηνληθή δηθηύνπ. Ινγηθή θαηαλάισζε ελέξγεηαο ζηηο θηλεηέο ηεξκαηηθέο ζπζθεπέο. Δπίζεο πξέπεη λα ζεκεησζεί πσο νη απαηηήζεηο ησλ παξόρσλ θηλεηώλ δηθηύσλ γηα ηα θηλεηά ζπζηήκαηα επόκελεο γεληάο δηαηππώζεθαλ από ηε ζύκπξαμε Next Generation Mobile Networks (NGMN) [8], γεγνλόο ην νπνίν ζπλέβαιε ζηελ αλάπηπμε θαη ζηνλ θαζνξηζκό ηνπ ζπζηήκαηνο LTE. Γηα ηνπο ζθνπνύο απηνύο, ν ζρεδηαζκόο ηνπ ζπζηήκαηνο LTE θαιύπηεη ζέκαηα πνπ αθνξνύλ ηελ αζύξκαηε δηεπαθή θαζώο θαη ηελ αξρηηεθηνληθή ηνπ αζύξκαηνπ δηθηύνπ Απαηηήζεηο Απόδνζεο ηνπ ζπζηήκαηνο LTE Κία από ηηο βαζηθέο απαηηήζεηο ησλ δηαρεηξηζηώλ δηθηύνπ είλαη ε βειηησκέλε απόδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο LTE ζε ζρέζε κε ηα ππάξρνληα ζπζηήκαηα, ώζηε λα εμαζθαιηζηεί ε αληαγσληζηηθόηεηα ηνπ LTE θαη λα εγείξεη ην ελδηαθέξνλ ηεο αγνξάο. Πηε ζπγθεθξηκέλε παξάγξαθν πεξηγξάθνπκε ηηο βαζηθέο κεηξηθέο απόδνζεο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ θαηά ηνλ νξηζκό ησλ απαηηήζεσλ από ην LTE θαζώο θαη ηνλ θαζνξηζκό ηεο απόδνζεο ζε θάζε κία από απηέο. Ν Ξίλαθαο 1 πεξηγξάθεη αλαιπηηθά ηνπο ζηόρνπο απόδνζεο βάζεη ησλ νπνίσλ αλαπηύρζεθε ην ζύζηεκα LTE. Πίλαθαο 1. ηόρνη Απόδνζεο ηνπ ζπζηήκαηνο LTE. Peak transmission rate Peak efficiency spectral Absolute requirement Comparison to Release 6 Comment > 100 Mbps 7 x 14.4 Mbps LTE in 20 MHz FDD, 2x2 spatial multiplexing. Reference: HSDPA in 5 > 5 bps/hz 3 bps/hz MHz FDD, single antenna transmission Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 37

38 System Uplink ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Average cell spectral efficiency Cell edge spectral efficiency > bps/hz/cell > bps/hz/user 3-4 x 0.53 bps/hz/cell 2-3 x 0.02 bps/hz LTE: 2x2 spatial multiplexing, Interference Rejection Combining (IRC) receiver [9]. Reference: HSDPA, Rake receiver [10], 2 receive antennas As above, 10 users assumed per cell Broadcast spectral efficiency > 1 bps/hz N/A Dedicated carrier for broadcast mode Peak transmission rate Peak efficiency spectral Average cell spectral efficiency Cell edge spectral efficiency > 50 Mbps 5 x 11 Mbps LTE in 20 MHz FDD, single antenna transmission. > 2.5 bps/hz 2 bps/hz Reference: HSUPA in 5 MHz FDD, single antenna transmission > bps/hz/cell > bps/hz/user 2-3 x 0.33 bps/hz/cell 2-3 x 0.01 bps/hz LTE: single antenna transmission, IRC receiver [9]. Reference: HSUPA, Rake receiver [10], 2 receive antennas As above, 10 users assumed per cell User plane latency (two way radio delay) Connection set-up latency < 10 ms One fifth < 100 ms Idle state to active state Operating bandwidth MHz 5 MHz (initial requirement started at 1.25 MHz) VoIP capacity NGMN preferred target expressed in [8] is > 60 sessions/mhz/cell Ηδηαίηεξε αλαθνξά ζα πξέπεη λα γίλεη ζηηο απαηηήζεηο απόδνζεο ηεο ππεξεζίαο Broadcast/Multicast κεηάδνζεο ηνπ ζπζηήκαηνο LTE. Ξαξόηη δελ ζπκπεξηιακβαλόηαλ ζηελ πξώηε έθδνζε ηνπ LTE ιόγσ ηεο κεγαιύηεξεο πξνηεξαηόηεηαο πνπ δόζεθε ζε άιιεο ππεξεζίεο, ππήξρε ε απαίηεζε ηεο ελζσκάησζεο κίαο απνδνηηθήο broadcast/multicast ιεηηνπξγίαο γηα πςεινύ ξπζκνύ κεηάδνζε ππεξεζηώλ πνιπκέζσλ (Multimedia Broadcast/Multicast Services-MBMS) 38 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

39 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE όπσο ππεξεζίεο ηειεόξαζεο (mobile TV) εηζάγνληαο ηε ιεηηνπξγία Single Frequency Network (SFN). Αλαιπηηθά ε ππεξεζία MBMS πεξηγξάθεηαη ζε επόκελν θεθάιαην. Πε ζπζηήκαηα broadcast κεηάδνζεο, ν ξπζκόο κεηαθνξάο δεδνκέλσλ είλαη πεξηνξηζκέλνο ζύκθσλα κε ηελ απόδνζε ησλ ρξεζηώλ πνπ βξίζθνληαη ζηηο ρεηξόηεξεο ζπλζήθεο κεηάδνζεο. Ππλεπώο, νη απαηηήζεηο απόδνζεο ηεο broadcast κεηάδνζεο νξίζηεθαλ ζύκθσλα κε έλα εθηθηό όξην γηα ην ξπζκό κεηαθνξάο δεδνκέλσλ (bps) θαη γηα ηε θαζκαηηθή απόδνζε (bps/hz), ππνζέηνληαο θάιπςε ηεο ηάμεο ηνπ 98% ηεο πεξηνρήο ιεηηνπξγίαο ηνπ ζπζηήκαηνο. Απηό ζεκαίλεη πσο κόλν ην 2% ηεο πεξηνρήο ιεηηνπξγίαο ζεσξείηαη πεξηνρή εθηόο ιεηηνπξγίαο, ε νπνία νξίδεηαη ζαλ κία πεξηνρή όπνπ νη ρξήζηεο αληηκεησπίδνπλ ξπζκό εκθάληζεο ιάζνπο παθέηνπ (packet error rate) κεγαιύηεξν από 1%. Ζ απαίηεζε απόδνζεο γηα ηε θαζκαηηθή απόδνζε νξίζηεθε ζην 1 bps/hz [11]. Ξέξα από ηα ζέκαηα ζπλνιηθήο απόδνζεο ηνπ LTE, ππάξρνπλ θαη άιια ζεκαληηθά ζέκαηα πνπ εμεηάζηεθαλ θαηά ηελ αλάπηπμε ηνπ ζπζηήκαηνο. Απηά πεξηιακβάλνπλ ην κεησκέλν θόζηνο αλάπηπμεο ηνπ ζπζηήκαηνο, ε θαζκαηηθή επειημία θαη ε ζπκβαηόηεηα κε παιαηόηεξα ζπζηήκαηα. Ρν LTE είλαη ηθαλό λα ιεηηνπξγεί ζε έλα κεγάιν εύξνο δηαθνξεηηθώλ ζπρλνηηθώλ δηαζηεκάησλ ηόζν ζην uplink όζν θαη ζην downlink. Κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεί θάζκαηα πνπ θπκαίλνληαη από ην 1.4 έσο θαη ηα 20 MHz θαη λα ρεηξίδεηαη όια ηα ππάξρνληα ζπρλνηηθά δηαζηήκαηα πνπ έρνπλ νξηζηεί κέρξη ηώξα από ηελ ITU-R ζπκπεξηιακβάλνληαο θαη απηά θάησ από ην 1 GHz. Δπίζεο ην LTE βαζίδεηαη ζε έλα εμειηγκέλν δίθηπν θνξκνύ κεηαγσγήο παθέησλ, ην νπνίν επηηξέπεη ηε ζπλεξγαζία κε δηάθνξεο ηερλνινγίεο αζύξκαηεο πξόζβαζεο, όπσο ηηο GSM/EDGE θαη UTRAN ηνπ 3GPP θαζώο θαη άιιεο ηερλνινγίεο πνπ δελ πξνέξρνληαη από ην 3GPP όπσο γηα παξάδεηγκα ηηο Wi-Fi, CDMA2000 θαη WiMAX. Έλα άιιν βαζηθό ραξαθηεξηζηηθό είλαη ε δηαζεζηκόηεηα ηεξκαηηθώλ θηλεηώλ ζπζθεπώλ ρακεινύ θόζηνπο κε κεγάιεο δηάξθεηαο κπαηαξία, θαζώο ν ζρεδηαζκόο ηνπ ζπζηήκαηνο πεηπραίλεη ρακειή θαηαλάισζε ελέξγεηαο. Ρέινο, ην LTE πξνζθέξεη κία ρακεινύ θόζηνπο δηάηαμε κέζσ ηνπ ζρεδηαζκνύ ηεο αξρηηεθηνληθήο ηνπ αζύξκαηνπ δηθηύνπ πξόζβαζεο, ην νπνίν πεξηιακβάλεη: Δπίπεδε αξρηηεθηνληθή απνηεινύκελε από κόλν έλαλ ηύπν θόκβσλ, ην ζηαζκό βάζεο, κε ηελ νλνκαζία enodeb (enb). Απνηειεζκαηηθά πξσηόθνιια γηα ηελ ππνζηήξημε ππεξεζηώλ κεηαγσγήο παθέηνπ. Απνηειεζκαηηθνύο κεραληζκνύο ιεηηνπξγίαο θαη ζπληήξεζεο, ζπκπεξηιακβάλνληαο ιεηηνπξγίεο απηόκαηεο βειηηζηνπνίεζεο. Δύθνιε αλάπηπμε θαη ξύζκηζε ηνπ δηθηύνπ, πξνζθέξνληαο λένπ ηύπνπ ζηαζκνύο βάζεο, όπσο ηνπο ιεγόκελνπο νηθηαθνύο ζηαζκνύο βάζεο (ή αιιηώο femtocells) Οη Σερλνινγίεο ηνπ Long Term Evolution Ρν κεγάιν εύξνο ησλ απαηηήζεσλ πνπ πεξηγξάθεθαλ παξαπάλσ κπνξνύλ λα εθπιεξσζνύλ κόλν ράξε ζηηο εμειίμεηο πάλσ ζηηο θηλεηέο αζύξκαηεο ηερλνινγίεο. Από ηηο πην βαζηθέο ηερλνινγίεο πνπ ρξεζηκνπνηεί ε αζύξκαηε δηεπαθή ηνπ LTE είλαη ε ηερλνινγία πνιιαπιώλ θεξνπζώλ, ε ηερλνινγία πνιιαπιώλ θεξαηώλ θαη ε εθαξκνγή ηεο κεηαγσγήο παθέηνπ ζηελ αζύξκαηε δηεπαθή. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 39

40 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Σετνολογία Πολλαπλών Φεροσζών Ζ πηνζέηεζε κίαο πξνζέγγηζεο πνιιαπιώλ θεξνπζώλ γηα ηελ πνιιαπιή πξόζβαζε ζην LTE ήηαλ ε πξώηε βαζηθή επηινγή ζρεδηαζκνύ. Ρα ππνςήθηα ζρήκαηα γηα ην downlink ήηαλ ην Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) θαη ην Multiple WCDMA, ελώ γηα ην uplink ήηαλ ηα Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access (SC-FDMA), OFDMA θαη Multiple WCDMA. Ζ ηειηθή επηινγή ηνπ ζρήκαηνο πνιιαπιήο πξόζβαζεο έγηλε ην Γεθέκβξην ηνπ 2005, επηιέγνληαο ην OFDMA γηα ην downlink θαη ην SC-FDMA γηα ην uplink. Θαη ηα δύν απηά ζρήκαηα άλνημαλ λέεο δηαζηάζεηο επειημίαο ζην πεδίν ησλ ζπρλνηήησλ, όπσο παξνπζηάδεηαη ζρεκαηηθά ζηελ Δηθόλα 3. Δηθόλα 3. Η Γηαρείξηζε ζην Πεδίν ηεο πρλόηεηαο ησλ LTE ρεκάησλ Πνιιαπιήο Πξόζβαζεο. Ζ OFDMA επεθηείλεη ηελ ηερλνινγία πνιιαπιώλ θεξνπζώλ Νξζνγώληαο Ξνιππιεμίαο ζην Ξεδίν ηεο Ππρλόηεηαο (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing-OFDM) ώζηε λα παξέρεη έλα πνιύ επέιηθην ζρήκα πνιιαπιήο πξόζβαζεο. Ζ OFDM ππνδηαηξεί ην δηαζέζηκν εύξνο γηα ηε κεηάδνζε ηνπ ζήκαηνο ζε έλα πιήζνο από ζηελνύ εύξνπο δώλεο ππνθέξνπζεο, έηζη ώζηε λα είλαη ακνηβαία νξζνγώληεο, νη νπνίεο είηε ε θάζε κία μερσξηζηά είηε ζε κηθξόηεξα ζύλνια κπνξνύλ λα κεηαθέξνπλ αλεμάξηεηεο ξνέο πιεξνθνξίαο. Απηό έρεη ζαλ απνηέιεζκα λα κνηξάδεηαη ην δηαζέζηκν εύξνο κέζσ ησλ ππνθεξνπζώλ ζε πνιιαπινύο ρξήζηεο. Απηή ε επειημία κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί κε δηάθνξνπο ηξόπνπο: Γηαθνξεηηθά θάζκαηα ιεηηνπξγίαο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ρσξίο λα απαηηνύληαη αιιαγέο ζηηο παξακέηξνπο ηνπ ζπζηήκαηνο ή ζην ζρεδηαζκό ησλ θηλεηώλ ζπζθεπώλ. Νη πόξνη κεηάδνζεο κπνξνύλ λα αλαηεζνύλ ζε δηαθνξεηηθνύο ρξήζηεο κε ηε ρξνλνδξνκνιόγεζε λα γίλεηαη ζην πεδίν ηεο ζπρλόηεηαο. Γηεπθνιύλεηαη ε επαλαρξεζηκνπνίεζε ζπρλνηήησλ θαη νη ηερληθέο δηαρείξηζεο ηεο παξεκβνιήο κεηαμύ ησλ θπςειώλ. 40 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

41 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Πην uplink, ε ηερλνινγία SC-FDMA, πνπ έρεη πνιιά θνηλά σο πξνο ηε ιεηηνπξγία ηεο κε ηελ OFDMA, παξέρεη ειαθξώο ππνδεέζηεξεο επηδόζεηο ζε ζρέζε κε απηέο ηνπ downlink επηιύνληαο ην δίιεκκα ηνπ πσο κπνξεί ην uplink λα σθειεζεί από ηα πιενλεθηήκαηα ηεο ηερλνινγίαο πνιιαπιώλ θεξνπζώλ. Ραπηόρξνλα απνθεύγεηαη ην ππεξβνιηθό θόζηνο γηα ηνπο θηλεηνύο ηεξκαηηθνύο πνκπνύο, πεηπραίλνληαο ζεκαληηθά ρακειόηεξν Κέγηζην-πξνο-Κέζν ιόγν ηζρύνο (Peak-to-Average Power Ratio-PAPR) ζε ζρέζε κε ηελ OFDMA θαη δηαηεξώληαο έλα βαζκό νκνηόηεηαο κεηαμύ ησλ ηερλνινγηώλ ηνπ uplink θαη ηνπ downlink Σετνολογία Πολλαπλών Κεραιών Ζ ρξήζε ηερλνινγηώλ πνιιαπιώλ θεξαηώλ (MIMO) επηηξέπεη ηελ εθκεηάιιεπζε ηνπ ρσξηθνύ πεδίνπ ζαλ κία άιιε λέα δηάζηαζε. Απηό απνθηά κεγάιε ζεκαζία ζηελ επηδίσμε γηα πςειόηεξεο θαζκαηηθέο απνδόζεηο. Κε ηε ρξήζε πνιιαπιώλ θεξαηώλ ε ζεσξεηηθά επηηεύμηκε θαζκαηηθή απόδνζε θιηκαθώλεηαη γξακκηθά κε ην πιήζνο ησλ θεξαηώλ εθπνκπήο θαη ιήςεο πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη. Νη πνιιαπιέο θεξαίεο εηζάγνπλ κία κεγάιε πνηθηιία ραξαθηεξηζηηθώλ θαη κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ κε δηάθνξνπο ηξόπνπο, βάζεη ηξηώλ ζεκειησδώλ αξρώλ, νη νπνίεο παξνπζηάδνληαη ζρεκαηηθά ζηελ Δηθόλα 4. Κέξδνο πνηθηινκνξθίαο. Σξήζε ηεο ρσξηθήο πνηθηινκνξθίαο πνπ παξέρεηαη από ηηο πνιιαπιέο θεξαίεο γηα λα βειηησζεί ε αλζεθηηθόηεηα ηεο εθπνκπήο σο πξνο ηελ εμαζζέληζε ιόγσ πνιπδηόδεπζεο. Κέξδνο δηάηαμεο. Ζ ζπγθέληξσζε ηεο ελέξγεηαο ζε κία ή πεξηζζόηεξεο δεδνκέλεο θαηεπζύλζεηο κέζσ πξνθσδηθνπνίεζεο ή θαηεπζπληηθήο κεηάδνζεο. Απηό επηηξέπεη επίζεο λα εμππεξεηνύληαη ηαπηόρξνλα πνιιαπινί ρξήζηεο πνπ βξίζθνληαη ζε δηαθνξεηηθέο θαηεπζύλζεηο (ην ιεγόκελν multiuser MIMO). Κέξδνο ρσξηθήο πνιππιεμίαο. Ζ κεηάδνζε πνιιαπιώλ ξνώλ ζήκαηνο ζε έλα ρξήζηε ζε πνιιαπιά ρσξηθά επίπεδα κέζσ ζπλδπαζκνύ ησλ δηαζέζηκσλ θεξαηώλ. Δηθόλα 4. Σα 3 Βαζηθά Οθέιε ησλ Πνιιαπιώλ Κεξαηώλ: (a) Κέξδνο Πνηθηινκνξθίαο; (b) Κέξδνο Γηάηαμεο; (c) Κέξδνο Υσξηθήο πνιππιεμίαο. Θαηά ην ζρεδηαζκό ηνπ ζπζηήκαηνο LTE έρνπλ ζπκπεξηιεθζεί πνιιά ραξαθηεξηζηηθά ησλ ηερληθώλ πνιιαπιώλ θεξαηώλ, πξνζθέξνληαο πνιιέο επηινγέο αλάινγα κε ηε δηάηαμε ηνπ δηθηύνπ θαη ηηο δηαθνξεηηθέο θαηαζηάζεηο κεηάδνζεο ησλ ρξεζηώλ Αζύρμαηη Διεπαθή Μεηαγωγής Πακέηοσ Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 41

42 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Όπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί, ην LTE έρεη ζρεδηαζηεί ζαλ έλα πιήξσο βαζηζκέλν ζηε κεηάδνζε παθέησλ ζύζηεκα πνιιαπιώλ ππεξεζηώλ, ρσξίο λα βαζίδεηαη ζε κεηαγσγήο θπθιώκαηνο, κε πξνζαλαηνιηζκό ζηε ζύλδεζε, πξσηόθνιια όπσο ηα πξνθάηνρα ζπζηήκαηα. Πην LTE, ε κεηαγσγή παθέηνπ έρεη εθαξκνζηεί ζε όια ηα επίπεδα ηεο ζηνίβαο πξσηνθόιισλ. Ξην ζπγθεθξηκέλα, βειηηώλνληαο ηε ιεηηνπξγία ηνπ πξόηεξνπ HSDPA ζπζηήκαηνο, ην LTE γηα λα βειηηώζεη ηε ζπλνιηθή θαζπζηέξεζε ηνπ ζπζηήκαηνο κείσζε ηε δηάξθεηα ηνπ παθέηνπ από ηα 2 ms ηνπ HSDPA ζε κόιηο 1 ms. Απηό ην κηθξό δηάζηεκα κεηάδνζεο ζε ζπλδπαζκό κε ηηο λέεο δηαζηάζεηο ηεο ζπρλόηεηαο θαη ηνπ ρώξνπ όπσο πεξηγξάθεθαλ παξαπάλσ, έρνπλ επεθηείλεη ην πεδίν ησλ δηαζηξσκαηηθώλ (cross-layer) ηερληθώλ κεηαμύ ηνπ ππνεπηπέδνπ MAC θαη ηνπ θπζηθνύ επηπέδνπ ζπκπεξηιακβάλνληαο ηηο αθόινπζεο ηερληθέο ζην LTE: Ξξνζαξκνδόκελνο ρξνλνπξνγξακκαηηζκόο ζηε δηάζηαζε ηεο ζπρλόηεηαο θαη ηνπ ρώξνπ. Ξξνζαξκνγή ησλ δηάθνξσλ επηινγώλ MIMO, ζπκπεξηιακβάλνληαο ηελ επηινγή ηνπ πιήζνπο ησλ ρσξηθώλ επηπέδσλ πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη. Ξξνζαξκνγή ηεο δηακόξθσζεο θαη ηνπ ξπζκνύ θσδηθνπνίεζεο, ζπκπεξηιακβάλνληαο ην πιήζνο ησλ κεηαδηδόκελσλ θσδηθνιέμεσλ. Γηαθνξεηηθέο ξπζκίζεηο ζην κεραληζκό αλαθνξάο ηεο θαηάζηαζεο ηνπ αζύξκαηνπ θαλαιηνύ. Ρα δηαθνξεηηθά απηά επίπεδα βειηηζηνπνίεζεο ζπλδπάδνληαη κε κία πνιύ εμειηγκέλε ζεκαηνδνζία ειέγρνπ ώζηε λα επηηύρεη ην LTE ηνπο πςεινύο ζηόρνπο απόδνζήο ηνπ Η Αξρηηεθηνληθή ηνπ Γηθηύνπ LTE Όπσο αλαθέξζεθε θαη πξνεγνπκέλσο, ην LTE έρεη ζρεδηαζηεί λα ππνζηεξίδεη κόλν ππεξεζίεο κεηαγσγήο παθέηνπ, ζε αληίζεζε κε ην κεηαγσγήο θπθιώκαηνο κνληέιν ησλ πξνεγνύκελσλ θπςεισηώλ ζπζηεκάησλ. Έρεη ζαλ ζηόρν λα παξέρεη ζπλερή Internet Protocol (IP) ζπλδεζηκόηεηα κεηαμύ ηεο θηλεηήο ζπζθεπήο (πνπ αλαθέξεηαη ζαλ User Equipment-UE) θαη ηνπ δηθηύνπ Ξαθέησλ Γεδνκέλσλ (Packet Data Network-PDN) ρσξίο θακία δηαθνπή ζηηο εθαξκνγέο ηειηθώλ ρξεζηώλ θαηά ηε δηάξθεηα θηλεηηθόηεηαο. Θαζώο ν όξνο LTE αλαθέξεηαη ζηελ εμέιημε ηεο ηερλνινγίαο αζύξκαηεο πξόζβαζεο κέζσ ηνπ Evolved-Universal Terrestrial Radio Access Network (eutran), ζπλνδεύεηαη από ηελ εμέιημε ησλ ζεκάησλ πνπ δελ αθνξνύλ ηελ αζύξκαηε πξόζβαζε ππό ηνλ όξν System Architecture Evolution (SAE) ν νπνίνο πεξηιακβάλεη ην δίθηπν θνξκνύ κε ηελ νλνκαζία Evolved Packet Core (EPC). Ρν LTE καδί κε ην SAE ζρεκαηίδνπλ ην νλνκαδόκελν Evolved Packet System (EPS). Ρν EPS ρξεζηκνπνηεί ηελ έλλνηα ηνπ αζύξκαηνπ «θνξέα» (radio bearer) γηα λα δξνκνινγεί ηελ IP θίλεζε από κία πύιε ζην PDN πξνο ην UE. Έλαο bearer είλαη κία ξνή IP παθέησλ κε έλα θαζνξηζκέλν επίπεδν πνηόηεηαο ππεξεζηώλ (Quality of Service-QoS) κεηαμύ ηεο πύιεο θαη ηνπ UE. Ρν eutran θαη ην EPC ζε ζπλεξγαζία εγθαζηζηνύλ θαη δηαρεηξίδνληαη ηνπο bearers αλάινγα κε ηηο απαηηήζεηο ησλ εθαξκνγώλ σνολική Επιζκόπηζη ηης Αρτιηεκηονικής Ρν EPS παξέρεη ζην ρξήζηε IP ζπλδεζηκόηεηα ζε έλα PDN γηα πξόζβαζε ζην Γηαδίθηπν, θαζώο θαη γηα άιιεο ππεξεζίεο όπσο γηα παξάδεηγκα Voice over IP 42 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

43 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE (VoIP). Έλαο EPS bearer είλαη ζπζρεηηζκέλνο κε έλα επίπεδν QoS. Ξνιιαπινί bearers κπνξνύλ λα εγθαηαζηαζνύλ γηα έλα ρξήζηε ώζηε λα ηνπ παξέρνπλ δηαθνξεηηθέο QoS ξνέο ή ζύλδεζε κε δηαθνξεηηθά PDNs. Γηα παξάδεηγκα, έλαο ρξήζηεο κπνξεί λα βξίζθεηαη ζε κία θιήζε θσλήο (VoIP) ελώ παξάιιεια κπνξεί λα εθηειεί πινήγεζε ζην Γηαδίθηπν ή αλάθηεζε αξρείσλ κέζσ ηνπ File Transfer Protocol (FTP). Ρν δίθηπν πξέπεη επίζεο λα παξέρεη επαξθή αζθάιεηα θαη ηδησηηθόηεηα γηα ην ρξήζηε θαη πξνζηαζία γηα ην δίθηπν ζε κε εγθεθξηκέλε ρξήζε. Ζ ζπλνιηθή ιεηηνπξγία ηνπ δηθηύνπ επηηπγράλεηαη κέζσ δηάθνξσλ δηθηπαθώλ ζηνηρείσλ πνπ έρνπλ δηαθνξεηηθνύο ξόινπο ην θαζέλα. Ζ Δηθόλα 5 απεηθνλίδεη ηε ζπλνιηθή αξρηηεθηνληθή ηνπ δηθηύνπ, ζπκπεξηιακβάλνληαο ηα δηθηπαθά ζηνηρεία θαη ηηο δηεπαθέο κεηαμύ ηνπο. Δηθόλα 5. Η Αξρηηεθηνληθή ηνπ Γηθηύνπ EPS. Πε πςειόηεξν επίπεδν, ην δίθηπν απνηειείηαη από ην δίθηπν θνξκνύ (Core Network-CN) EPC θαη ην δίθηπν αζύξκαηεο πξόζβαζεο (eutran). Δλώ ην δίθηπν θνξκνύ απνηειείηαη από πνιινύο ινγηθνύο θόκβνπο, ην δίθηπν πξόζβαζεο απνηειείηαη νπζηαζηηθά από κόλν έλα θόκβν, ηνλ evolved NodeB (enb), ν νπνίνο ζπλδέεηαη κε ηα UEs. Θάζε έλα από απηά ηα δηθηπαθά ζηνηρεία ζπλδένληαη εζσηεξηθά ηνπ δηθηύνπ κέζσ ησλ νξηζκέλσλ δηεπαθώλ ώζηε λα πξνζθέξεηαη ζπλνιηθή δηαιεηηνπξγηθόηεηα κεηαμύ δηαθνξεηηθώλ ζηνηρείσλ. Πηελ πξαγκαηηθόηεηα, νη δηαρεηξηζηέο δηθηύσλ έρνπλ ηε δπλαηόηεηα λα ρσξίζνπλ ή λα ελώζνπλ θάπνηα από απηά ηα δηθηπαθά ζηνηρεία ζηε θπζηθή ηνπο πινπνίεζε αλάινγα κε ηηο εκπνξηθέο ηνπο αλάγθεο. Ν ιεηηνπξγηθόο δηαρσξηζκόο κεηαμύ ηνπ EPC θαη ηνπ eutran θαίλεηαη ζηελ Δηθόλα Σο Δίκησο Κορμού Ρν δίθηπν θνξκνύ (κε ηελ νλνκαζία EPC ζην SAE) είλαη ππεύζπλν γηα ην ζπλνιηθό έιεγρν ηνπ UE θαη γηα ηελ εγθαηάζηαζε ησλ bearers. Νη βαζηθνί ινγηθνί θόκβνη ηνπ EPC είλαη: PDN Gateway (P-GW). Serving Gateway (S-GW). Mobility Management Entity (MME). Δθηόο από απηνύο ηνπο θόκβνπο, ην EPC πεξηιακβάλεη θαη άιινπο ινγηθνύο θόκβνπο όπσο ηνπο Home Subscriber Server (HSS) θαη Policy Control and Charging Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 43

44 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Rules Function (PCRF). Αλαιπηηθά όινη νη ινγηθνί θόκβνη θαη νη ιεηηνπξγίεο ηνπο παξνπζηάδνληαη ζην [12]. Δηθόλα 6. Λεηηνπξγηθόο Γηαρσξηζκόο κεηαμύ ηνπ eutran θαη ηνπ EPC Σο Δίκησο Πρόζβαζης Ρν δίθηπν πξόζβαζεο ηνπ LTE, ην eutran, απνηειείηαη απιώο από έλα δίθηπν από enbs όπσο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 7. Γηα ζπλεζηζκέλε θίλεζε δεδνκέλσλ (διδ. αληίζεηα κε ηε ιεηηνπξγία broadcast), δελ ππάξρεη θεληξηθόο ειεγθηήο ζην eutran, ζπλεπώο ε αξρηηεθηνληθή ηνπ ραξαθηεξίδεηαη σο επίπεδε. Νη enbs ζπλδένληαη κεηαμύ ηνπο κέζσ ηεο δηεπαθήο X2 θαη κε ην EPC κέζσ ηεο δηεπαθήο S1. Ρα πξσηόθνιια πνπ εθηεινύληαη κεηαμύ ησλ enbs θαη ησλ UEs είλαη γλσζηά ζαλ Access Stratum (AS) πξσηόθνιια. Ρν eutran είλαη ππεύζπλν γηα όιεο ηηο ιεηηνπξγίεο ζρεηηθέο κε ην αζύξκαην θνκκάηη ηνπ δηθηύνπ, νη νπνίεο είλαη: Γηαρείξηζε ησλ αζύξκαησλ πόξσλ. πκπίεζε επηθεθαιίδσλ, ώζηε λα εμαζθαιηζηεί ε απνδνηηθή ρξήζε ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο. Αζθάιεηα. πλδεζηκόηεηα κε ην EPC. Πηελ πιεπξά ηνπ δηθηύνπ, όιεο απηέο νη ιεηηνπξγίεο αλήθνπλ ζηα enbs, κε ηε δπλαηόηεηα ην θαζέλα λα είλαη ππεύζπλν γηα ηνλ έιεγρν πνιιαπιώλ θπςειώλ. Πε αληίζεζε κε πξνεγνύκελεο δεύηεξεο θαη ηξίηεο γεληάο ηερλνινγίεο, ην LTE ελζσκαηώλεη ηε ιεηηνπξγία ηνπ αζύξκαηνπ ειέγρνπ ζην enb. Απηό επηηξέπεη ηζρπξή αιιειεπίδξαζε κεηαμύ ησλ δηαθόξσλ επηπέδσλ πξσηνθόιισλ ηνπ δηθηύνπ αζύξκαηεο πξόζβαζεο, κεηώλνληαο ηελ θαζπζηέξεζε θαη απμάλνληαο ζπλνιηθά ηελ απνδνηηθόηεηα. Ρν eutran παξνπζηάδεηαη αλαιπηηθά ζην [13]. 44 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

45 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Δηθόλα 7. Η Αξρηηεθηνληθή ηνπ eutran Η Αξρηηεθηνληθή Πξσηνθόιισλ Πηε ζπλέρεηα παξνπζηάδεηαη ζπλνπηηθά ε αξρηηεθηνληθή ησλ πξσηνθόιισλ ηνπ eutran User Plane Έλα IP παθέην πξνο έλα UE ελζπιαθώλεηαη ζε έλα πξσηόθνιιν θαζνξηζκέλν από ην EPC αλάινγα κε ην είδνο ηεο εθαξκνγήο θαη κεηαθέξεηαη από ην P-GW πξνο ην enb γηα κεηάδνζε πξνο ην UE. Γηαθνξεηηθά πξσηόθνιια κεηαθνξάο ρξεζηκνπνηνύληαη αλάινγα κε ηε δηεπαθή πνπ ρξεζηκνπνηείηαη. Έλα πξσηόθνιιν κεηαθνξάο θαζνξηζκέλν από ην 3GPP κε ηελ νλνκαζία GPRS Tunneling Protocol (GTP) [14] ρξεζηκνπνηείηαη πάλσ ζηηο δηεπαθέο ηνπ δηθηύνπ θνξκνύ S1 θαη S5/S8. Ζ eutran ζηνίβα πξσηνθόιισλ ηνπ user plane παξνπζηάδεηαη ζθηαζκέλε ζηελ Δηθόλα 8, απνηεινύκελε από ηα Packet Data Convergence Protocol (PDCP) [15], Radio Link Control (RLC) [16] θαη Medium Access Control (MAC) [17] ππνεπίπεδα ηα νπνία ρξεζηκνπνηνύληαη κέρξη θαη ην enb ζηελ πιεπξά ηνπ δηθηύνπ. Θαηά ηε δηάξθεηα αιιαγήο θπςέιεο (handover) ιόγσ θηλεηηθόηεηαο ηνπ ρξήζηε, ε δηαρείξηζε ησλ δεδνκέλσλ πξνο ην ρξήζηε πνπ εθηειεί ην handover γίλεηαη από ην enb θαη πην ζπγθεθξηκέλα από ην ππνεπίπεδν PDCP, ελώ ηα ππνεπίπεδα RLC θαη MAC ζπλερίδνπλ λα πξνσζνύλ δεδνκέλα θαλνληθά. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 45

46 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Δηθόλα 8. Η User Plane ηνίβα Πξσηνθόιισλ Control Plane Νη ζηνίβα πξσηνθόιισλ ηνπ control plane κεηαμύ ηνπ UE θαη ηνπ MME παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 9. Ζ ζθηαζκέλε πεξηνρή ηεο ζηνίβαο νξίδεη ηα πξσηόθνιια ηνπ access stratum. Ρα ρακειόηεξα επίπεδα εθηεινύλ ηηο ίδηεο ιεηηνπξγίεο κε ηνπ user plane, κε ηε δηαθνξά πσο δελ εθαξκόδεηαη ζπκπίεζε επηθεθαιίδσλ γηα ην control plane. Ρν πξσηόθνιιν RRC είλαη γλσζηό ζαλ Δπίπεδν 3 ηεο ζηνίβαο πξσηνθόιισλ ηνπ AS. Απνηειεί ηε βαζηθή ιεηηνπξγία ειέγρνπ ζην AS θαη είλαη ππεύζπλν γηα ηελ εγθαηάζηαζε ησλ αζύξκαησλ bearers θαη γηα ηε δηακόξθσζε όισλ ησλ ρακειόηεξσλ επηπέδσλ ρξεζηκνπνηώληαο ηελ RRC ζεκαηνδνζία κεηαμύ ηνπ enb θαη ηνπ UE. Νη ιεηηνπξγίεο απηέο παξνπζηάδνληαη αλαιπηηθά ζην [18]. Δηθόλα 9. Η Control Plane ηνίβα Πξσηνθόιισλ. 2.6 Σέηαξηεο Γεληάο (4G) Κπςεισηά πζηήκαηα Ν ηππηθόο νξηζκόο ησλ 4G αζύξκαησλ δηθηύσλ γίλεηαη από ην Working party 5D ηνπ ITU-R. Ρν ρξνλνδηάγξακκα εμέιημεο ηνπ πξνγξάκκαηνο IMT-Advanced θαζώο θαη ηνπ παξάιιεινπ πξνγξάκκαηνο ηνπ 3GPP κε ηελ νλνκαζία LTE-Advanced παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

47 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Δηθόλα 10. Σν Υξνλνδηάγξακκα Αλάπηπμεο ηνπ IMT-Advanced θαη ηνπ LTE- Advanced. Όζνλ αθνξά ηελ νλνκαζία ηνπ IMT-Advanced, ε ITU εζθεκκέλα ρξεζηκνπνίεζε ην πξώην κέξνο IMT από ην πξόγξακκα 3G IMT Ζ νλνκαζία απηή είλαη ζεκαληηθή επεηδή έρεη ζπκθσλεζεί πσο ην δεζκεπκέλν θάζκα γηα ηηο ηερλνινγίεο IMT-2000 ζα είλαη γλσζηό απιώο ζαλ θάζκα IMT θαη ζα είλαη δηαζέζηκν ζε θάζε ηερλνινγία εγθεθξηκέλε από ην IMT-Advanced. Ρν 2007 ζην World Radio Conference (WRC-07), νξίζηεθε ην λέν IMT θάζκα ζηηο αθόινπζεο θαζκαηηθέο πεξηνρέο: 450 MHz, MHz, 2.3 GHz θαη GHz. Ν ζηόρνο ηεο ITU ήηαλ λα εγθξίλεη ηηο ππνςήθηεο 4G ηερλνινγίεο έσο ηα ηέιε ηνπ 2009 θαη ζηε ζπλέρεηα λα αθνινπζήζεη ε αλάπηπμε θαη ε πινπνίεζή ηνπο. Ρν γεγνλόο απηό ηνπνζεηεί ηα 4G δύν ρξόληα κεηά ηελ έθδνζε 8 ηνπ LTE/SAE, κε ηελ εκπνξηθή εκθάληζε ησλ 4G ππεξεζηώλ λα κελ αλακέλεηαη πξηλ ην Όκσο ζε αληίζεζε κε ηα 3G, ηα 4G έρνπλ ην ζεκαληηθό πιενλέθηεκα πσο δελ απαηηείηαη εθ λένπ επαλεμέηαζε ησλ ππαξρόλησλ αζύξκαησλ ηερλνινγηώλ, ιόγσ ηεο ύπαξμεο ηνπ πξνηύπνπ LTE. Ρν πξόγξακκα IMT-2000 νδήγεζε ζηελ αλάπηπμε ησλ πξνηύπσλ 3G, παξόια απηά ζηα επόκελα ρξόληα ηα πξόηππα 3G εμειίρζεθαλ θαη εληζρύζεθαλ νδεγώληαο ζην νλνκαδόκελν 3.9G πξόηππν, έηζη ώζηε ην βήκα πξνο ην IMT-Advanced λα πξαγκαηνπνηεζεί όζν γίλεηαη πην νκαιά. Ζ απνδνρή ηεο ηερλνινγίαο αζύξκαηεο δηεπαθήο (Radio Interface Technology-RIT) ηνπ 3GPP από ην ITU απνηειεί νπζηαζηηθά κία ελίζρπζε ηεο έθδνζεο 8 ηνπ LTE, γλσζηή κε ηελ νλνκαζία LTE- Advanced, πξόηππν ην νπνίν νξίδεηαη πιήξσο ζηελ έθδνζε 10. Νη απαηηήζεηο πςεινύ επηπέδνπ γηα ην IMT-Advanced νξηζκέλεο από ηελ ITU-R ζην [19] είλαη: πνζηήξημε ζε κεγάιν βαζκό παγθόζκηαο θνηλήο ιεηηνπξγίαο, δηαηεξώληαο παξάιιεια ηελ επειημία ζηελ ππνζηήξημε ελόο κεγάινπ εύξνπο ηνπηθώλ ππεξεζηώλ θαη εθαξκνγώλ. Ππκβαηόηεηα ησλ ππεξεζηώλ ηεο IMT θαη κε άιια δίθηπα. Ηθαλόηεηα ζπλεξγαζίαο θαη κε άιια ζπζηήκαηα αζύξκαηεο πξόζβαζεο. Θηλεηέο ππεξεζίεο πςειήο πνηόηεηαο. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 47

48 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Θηλεηέο ηεξκαηηθέο ζπζθεπέο θαηάιιειεο γηα παγθόζκηα ρξήζε. Φηιηθέο ζην ρξήζηε εθαξκνγέο, ππεξεζίεο θαη εμνπιηζκόο. Δληζρπκέλνη κέγηζηνη ξπζκνί κεηάδνζεο δεδνκέλσλ ώζηε λα ππνζηεξίδνληαη πξνεγκέλεο ππεξεζίεο θαη εθαξκνγέο (κε ζηόρν ηα 100 Mbps γηα πςειή θηλεηηθόηεηα θαη ην 1 Gbps γηα ρακειή θηλεηηθόηεηα). Ζ πξνζπάζεηα ηνπ 3GPP λα νξίζεη έλα ππνςήθην πξόηππν RIT άξρηζε κε ηελ έθδνζε 9, ε νπνία είλαη κία πξνπαξαζθεπαζηηθή θάζε ηνπ LTE-Advanced, κε ηηο απαηηήζεηο ηνπ λα έρνπλ δηαηππσζεί ζην [20]. Νη απαηηήζεηο απηέο έρνπλ νξηζηεί βάζεη ησλ απαηηήζεσλ ηεο ITU-R γηα ην IMT-Advanced θαζώο επίζεο θαη από ηνπο δηαρεηξηζηέο ηνπ 3GPP γηα ηελ εμέιημε ηνπ LTE. Βαζηθέο απαηηήζεηο είλαη νη αθόινπζεο: Ππλερήο βειηίσζε ζηελ αζύξκαηε ηερλνινγία θαη αξρηηεθηνληθή ηνπ LTE. Απαίηεζε γηα ζπλεξγαζία κε παιαηόηεξεο ηερλνινγίεο αζύξκαηεο πξόζβαζεο (Radio Access Technologies-RATs). Ξιήξεο ζπκβαηόηεηα ηνπ LTE-Advanced κε ην LTE, δειαδή έλα LTE UE ζα κπνξεί λα ιεηηνπξγήζεη ζε έλα δίθηπν LTE-Advanced θαη έλα LTE-Advanced UE ζα κπνξεί λα ιεηηνπξγήζεη ζε έλα δίθηπν LTE. Θα πξέπεη λα ιεθζνύλ ππόςηλ νη απνθάζεηο ηνπ WRC-07 γηα ην λέν IMT θάζκα ώζηε λα δηαζθαιηζηεί πσο ην LTE-Advanced ζα κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεί θαλάιηα πέξα ησλ 20 MHz. Γηα λα κπνξέζεη ην LTE-Advanced λα εθπιεξώζεη ηηο λέεο απαηηήζεηο εμεηάδνληαη δηάθνξεο λέεο ηερλνινγίεο κε ραξαθηεξηζηηθόηεξεο ηελ πηνζέηεζε ηνπ ζρήκαηνο DFT-S-OFDM γηα ηελ πνιιαπιή πξόζβαζε ζην uplink, ηελ ηερληθή ηεο ζπγθέληξσζεο εύξνπο, ηε ρξήζε πην εμειηγκέλσλ ηερληθώλ MIMO, ηε ρξήζε relaying, ηελ πηνζέηεζε νηθηαθώλ θπςειώλ (femtocells), θ.ά. 2.7 Η Γηαδηθαζία Πξνηππνπνίεζεο ηνπ 3GPP Ρν κνληέιν πξνηππνπνίεζεο πνπ επηηπρώο παξνπζίαζε ην ζύζηεκα GSM έγηλε ην βαζηθό κνληέιν γηα ηελ αλάπηπμε ηνπ ζπζηήκαηνο UMTS. Ιόγσ ηνπ ελδηαθέξνληνο παξαγσγήο πξαγκαηηθά παγθόζκησλ πξνηύπσλ ε ζπλεξγαζία επεθηάζεθε πέξα ηνπ ETSI, πεξηιακβάλνληαο SDOs από ηελ Ηαπσλία (ARIB θαη TTC), ηελ Θνξέα (TTA), ηε Βόξεηα Ακεξηθή (ATIS) θαη ηελ Θίλα (CCSA), όπσο θαίλεηαη ζηελ Δηθόλα 11. Έηζη δεκηνπξγήζεθε ην 3GPP, ην νπνίν ην 2008 απαξηζκνύζε πάλσ από 300 εηαηξείεο κέιε. Ζ επηηπρήο δεκηνπξγία ελόο ηόζν κεγάινπ θαη ζύλζεηνπ ζπζηήκαηνο όπσο ην UMTS ή ην LTE απαηηεί έλαλ νξγαληζκό κε ζαθή δνκή θαη ιεηηνπξγίεο αλάπηπμεο. Ρν 3GPP ρσξίδεηαη ζε ηέζζεξηο νκάδεο ηερληθώλ πξνδηαγξαθώλ (Technical Specification Groups-TSGs), θαζέλα από ηα νπνία απνηειείηαη από έλα πιήζνο νκάδσλ εξγαζίαο (Working Groups-WGs) κε ηελ θάζε κία ππεύζπλε γηα έλα ζπγθεθξηκέλν ηνκέα ησλ πξνδηαγξαθώλ όπσο παξνπζηάδνληαη ζηελ Δηθόλα 12. Γηα λα θαηαιήμνπλ ζηελ πηνζέηεζε κίαο ηερλνινγίαο ηα WGs ιακβάλνπλ ππόςηλ ηνπο δηάθνξεο παξακέηξνπο, όπσο ηελ απόδνζε, ην θόζηνο πινπνίεζεο, ηελ πνιππινθόηεηα θαη ηε ζπκβαηόηεηα κε πξνεγνύκελα πξόηππα. Ξνιύ ζπρλά ρξεζηκνπνηνύληαη πξνζνκνηώζεηο γηα λα ζπγθξηζεί ε απόδνζε 48 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

49 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE δηαθνξεηηθώλ ηερληθώλ, εηδηθά ζηα WGs πνπ εζηηάδνπλ ζην θπζηθό επίπεδν θαη ζηηο απαηηήζεηο απόδνζεο. Δηθόλα 11. 3GPP, Μία Παγθόζκηα πλεξγαζία 6 SDOs. Ζ δηαδηθαζία πξνηππνπνίεζεο ηνπ LTE μεθίλεζε ζε έλα workshop ζην Ρνξόλην ην Λνέκβξην ηνπ 2004, όηαλ έλα κεγάιν εύξνο από εηαηξείεο ζρεηηθέο κε ηε βηνκεραλία ησλ θηλεηώλ ηειεπηθνηλσληώλ παξνπζίαζαλ ηνπο ζηόρνπο ηνπο γηα ηε κειινληηθή εμέιημε ησλ πξνδηαγξαθώλ ηνπ 3GPP. Νη εηαηξείεο απηέο παξνπζίαζαλ ηηο αξρηθέο απαηηήζεηο απόδνζεο πνπ έπξεπε λα ηθαλνπνηνύληαη, αιιά θαη πξνηάζεηο θαηάιιεισλ ηερλνινγηώλ πνπ ζα κπνξνύζαλ λα εθπιεξώζνπλ ηνπο ζηόρνπο απηνύο. Ζ έλαξμε ηεο δηαδηθαζίαο πξνηππνπνίεζεο ηνπ ζπζηήκαηνο LTE/SAE έγηλε κε ηελ έθδνζε 7 ηνπ 3GPP, κε απνηέιεζκα αξθεηέο ηερληθέο αλαθνξέο κε πην βαζηθέο ηηο [21] θαη [22]. Νη πξνδηαγξαθέο ηνπ δηθηύνπ αζύξκαηεο πξόζβαζεο ηνπ LTE πεξηέρνληαη ζηε ζεηξά 36 ηεο έθδνζεο 8 θαη ρσξίδνληαη ζηηο αθόινπζεο θαηεγνξίεο: Πεηξά , πεξηέρνληαο πξνδηαγξαθέο ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο θαη δηαδηθαζίεο δνθηκήο ηνπ enb. Πεηξά , πεξηέρνληαο ηηο πξνδηαγξαθέο ηνπ θπζηθνύ επηπέδνπ (επίπεδν 1). Πεηξά , πεξηέρνληαο ηηο πξνδηαγξαθέο ηνπ επηπέδνπ 2 θαη 3 (ζεκαηνδνζία ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο). Πεηξά , πεξηέρνληαο ηηο πξνδηαγξαθέο γηα ηε ζεκαηνδνζία ηνπ δηθηύνπ. Πεηξά , πεξηέρνληαο ηηο δηαδηθαζίεο δνθηκώλ ηνπ UE. Πεηξά θαη , ηα νπνία είλαη ηερληθέο αλαθνξέο πεξηέρνληαο ζπκπιεξσκαηηθέο πιεξνθνξίεο. Νη πξνδηαγξαθέο ηνπ SAE γηα ην EPC έρνπλ πην άλαξρε δνκή από απηέο ηνπ RAN θαη βξίζθνληαη ζηηο ζεηξέο 22, 23, 24, 29 θαη 33 ηεο έθδνζεο 8. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 49

50 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 2: Ζ Δμέιημε ησλ Θηλεηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ & ην Πύζηεκα LTE Δηθόλα 12. Η Γνκή ηεο Οκάδαο Δξγαζίαο ηνπ 3GPP. 50 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

51 Θ Δ Φ Α Ι Α Η Ν 3 : Ζ Ξ Ζ Ο Δ Π Η Α MBMS

52

53 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Η ΤΠΗΡΔΙΑ MBMS Πηελ πην γεληθή ηνπ έλλνηα, ην broadcasting αλαθέξεηαη ζηε δηαλνκή πεξηερνκέλνπ ζε έλα θνηλό πνιιαπιώλ ρξεζηώλ, όπνπ ζηελ πεξίπησζε ησλ θηλεηώλ πνιπκεζηθώλ ππεξεζηώλ ηππηθό πνιπκεζηθό πεξηερόκελν κπνξεί λα είλαη ηα δειηία θαηξνύ ή ε ππεξεζία θηλεηήο ηειεόξαζεο. Ζ δηαλνκή πνιπκεζηθνύ πεξηερνκέλνπ απαηηεί έλα απνδνηηθό ζύζηεκα κεηάδνζεο γηα ηελ ηαπηόρξνλε παξάδνζε ηνπ πεξηερνκέλνπ ζε έλα κεγάιν ζύλνιν θηλεηώλ ρξεζηώλ. Γεληθά, ππάξρνπλ ηξεηο δπλαηνί ηξόπνη γηα ηε κεηάδνζε ζε πνιιαπινύο ρξήζηεο: ε unicast κεηάδνζε πνπ αλαθέξεηαη ζε point-to-point κεηαδόζεηο πξνο ηνπο θηλεηνύο ρξήζηεο, ε broadcast κεηάδνζε όπνπ ρξεζηκνπνηείηαη κία point-to-multipoint (PTM) ζύλδεζε πξνο όινπο ηνπο θηλεηνύο ρξήζηεο θαη ε multicast κεηάδνζε όπνπ θαη εδώ ρξεζηκνπνηείηαη κία point-to-multipoint ζύλδεζε, όκσο ην πεξηερόκελν κεηαδίδεηαη ζε κία θαζνξηζκέλε νκάδα ρξεζηώλ. Ζ δηαλνκή ηνπ ίδηνπ πεξηερνκέλνπ ζε πνιιαπινύο ρξήζηεο κέζσ unicast ζπλδέζεσλ (point-to-point) ζπλήζσο είλαη κία κε απνδνηηθή κέζνδνο κεηάδνζεο, ιόγσ ηεο ζπαηάιεο ησλ αζύξκαησλ πόξσλ θαη ιόγσ ηεο επηβάξπλζεο ζην δίθηπν θνξκνύ. Νη point-to-multipoint κεηαδόζεηο κεηώλνπλ ην θόξην ζηνπο πόξνπο ηνπ δηθηύνπ, κεηώλνληαο ην ζπλνιηθό πνζό ησλ κεηαδηδόκελσλ δεδνκέλσλ θαη πεξηνξίδνληαο ηηο δηαδηθαζίεο ζεκαηνδνζίαο, εηδηθά ζην uplink. Πην θπζηθό επίπεδν, δελ ππάξρεη θακία δηαθνξά κεηαμύ ηεο broadcast θαη multicast κεηάδνζεο. Ζ δηαθνξά κεηαμύ ησλ δύν ηξόπσλ κεηάδνζεο έγθεηηαη ζηε δηαδηθαζία ηεο ζπλδξνκήο. Γειαδή νη broadcast ππεξεζίεο είλαη δηαζέζηκεο ζε όινπο ηνπο ρξήζηεο ρσξίο ηελ αλάγθε εγγξαθήο ζηελ ππεξεζία, ελώ θαηά ηηο multicast ππεξεζίεο ε δηαζεζηκόηεηα ηεο ππεξεζίαο πεξηνξίδεηαη από ηελ αλάγθε ζπλδξνκήο ηνπ θάζε ρξήζηε. Ππλεπώο, ζα κπνξνύζακε λα πνύκε πσο ην multicasting είλαη κία εηδηθή πεξίπησζε ηνπ broadcasting. Πηε ζπλέρεηα παξνπζηάδεηαη ζπλνιηθά ε ππεξεζία MBMS ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ επηθνηλσληώλ LTE. Αξρηθά γίλεηαη κία αλαιπηηθή πεξηγξαθή ηεο αξρηηεθηνληθήο ελόο MBMS πεξηβάιινληνο κεηάδνζεο θαη αθνινπζεί ε πεξηγξαθή ησλ απαξαίηεησλ ιεηηνπξγηώλ γηα ηελ παξνρή MBMS ππεξεζηώλ. Ρέινο, παξνπζηάδνληαη αλαιπηηθά νη δύν κέζνδνη παξάδνζεο MBMS δεδνκέλσλ, download θαη streaming, δίλνληαο κεγαιύηεξε έκθαζε ζηηο ιεηηνπξγίεο ηεο MBMS streaming κεηάδνζεο. 3.1 Δηζαγσγηθά ηνηρεία Ζ ππεξεζία Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) είλαη κία point-tomultipoint ππεξεζία ζηελ νπνία δεδνκέλα κεηαδίδνληαη από κία πεγή ζε πνιιαπινύο παξαιήπηεο. Ζ κεηάδνζε ησλ ίδησλ δεδνκέλσλ ζε πνιιαπινύο παξαιήπηεο επηηξέπεη ηνλ επηκεξηζκό ησλ δηθηπαθώλ πόξσλ. Ζ MBMS επεθηείλεη ηελ ππάξρνπζα αξρηηεθηνληθή ηνπ 3GPP εηζάγνληαο ηελ MBMS bearer ππεξεζία (service) θαη ηηο MBMS ππεξεζίεο ρξεζηώλ (user services). Ζ MBMS bearer ππεξεζία πξνζθέξεη δύν ηξόπνπο ιεηηνπξγίαο: ηε ιεηηνπξγία broadcast θαη ηε ιεηηνπξγία multicast. Ζ broadcast ιεηηνπξγία ππνζηεξίδεηαη από ην EPS θαη ην GPRS θαη ε multicast ιεηηνπξγία ππνζηεξίδεηαη κόλν από ην GPRS. Ζ ππεξεζία MBMS γηα ην EPS ππνζηεξίδεη ην eutran θαη ην UTRAN, ελώ γηα ην GPRS ππνζηεξίδεη ην UTRAN θαη ην GERAN. Ζ αξρηηεθηνληθή ηεο MBMS επηηξέπεη ηελ απνδνηηθή ρξήζε Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 53

54 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS ησλ πόξσλ ηνπ αζύξκαηνπ δηθηύνπ θαη ηνπ δηθηύνπ θνξκνύ, εζηηάδνληαο ζηελ απνδνηηθόηεηα ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο. Ζ MBMS ππεξεζία πξαγκαηνπνηείηαη κε ηελ πξνζζήθε ελόο πιήζνπο λέσλ δπλαηνηήησλ ζηηο ππάξρνπζεο ιεηηνπξγηθέο νληόηεηεο ηεο αξρηηεθηνληθήο ηνπ 3GPP θαζώο θαη κε ηελ πξνζζήθε λέσλ ιεηηνπξγηθώλ νληνηήησλ. Νη MBMS ππεξεζίεο ρξεζηώλ ηνπνζεηνύληαη πάλσ από ηελ MBMS bearer ππεξεζία. Δπίζεο, νη MBMS ππεξεζίεο ρξεζηώλ κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηνύλ θαη άιιεο UMTS bearer ππεξεζίεο γηα λα δηαλείκνπλ δεδνκέλα. Πην [23] νξίδνληαη δύν κέζνδνη δηαλνκήο γηα ηηο MBMS ππεξεζίεο ρξεζηώλ: ε κέζνδνο download θαη ε κέζνδνο streaming. Ξαξάδεηγκα εθαξκνγώλ πνπ ρξεζηκνπνηνύλ ηε download κέζνδν είλαη ε ιήςε εηδήζεσλ θαη ε αλαβάζκηζε ινγηζκηθνύ. Ζ δηαλνκή κνπζηθήο ζε πξαγκαηηθό ρξόλν είλαη έλα παξάδεηγκα εθαξκνγήο πνπ ρξεζηκνπνηεί ηε κέζνδν streaming. Γεληθά, κπνξεί λα ππάξρνπλ αξθεηέο MBMS ππεξεζίεο ρξεζηώλ, κε ην 3GPP λα έρεη θαζνξίζεη έλα ζύλνιν από θσδηθνπνηεηέο, ζρήκαηα θαη πξσηόθνιια επηπέδνπ κεηαθνξάο/εθαξκνγώλ γηα ηελ αλάπηπμε ησλ MBMS ππεξεζηώλ. 3.2 Σα Λεηηνπξγηθά Δπίπεδα ηεο Τπεξεζίαο MBMS Ρξία δηαθξηηά ιεηηνπξγηθά επίπεδα νξίδνληαη γηα ηελ παξάδνζε MBMS ππεξεζηώλ. Απηά είλαη νη bearers, ε κέζνδνο παξάδνζεο δεδνκέλσλ θαη νη ππεξεζίεο ρξεζηώλ. Πηελ Δηθόλα 13 παξνπζηάδνληαη απηά ηα επίπεδα κε παξαδείγκαηα γηα ην είδνο ησλ bearer, ησλ κεζόδσλ παξάδνζεο θαη ησλ εθαξκνγώλ. Δηθόλα 13. Σα 3 Λεηηνπξγηθά Δπίπεδα ηεο Τπεξεζίαο MBMS. Νη bearers παξέρνπλ ην κεραληζκό κε ηνλ νπνίν κεηαθέξνληαη ηα IP δεδνκέλα. Νη MBMS bearers όπσο νξίδνληαη ζηα [24] θαη [25] ρξεζηκνπνηνύληαη γηα λα κεηαθέξνπλ multicast θαη broadcast θίλεζε κε έλαλ απνδνηηθό point-to-multipoint ηξόπν κεηάδνζεο θαη απνηεινύλ ηε βάζε ησλ MBMS ππεξεζηώλ. Νη MBMS bearers κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζνύλ καδί κε unicast κεηαδόζεηο γηα λα πξνζθέξνπλ νινθιεξσκέλεο δπλαηόηεηεο ππεξεζηώλ. Όηαλ κεηαδίδεηαη MBMS πεξηερόκελν ρξεζηκνπνηνύληαη κία ή πεξηζζόηεξεο κέζνδνη παξάδνζεο. Ρν επίπεδν παξάδνζεο παξέρεη ιεηηνπξγίεο όπσο αζθάιεηα, έιεγρν αμηόπηζηεο κεηάδνζεο κέζσ ηερληθώλ forward error correction θαη άιιεο δηαδηθαζίεο ζρεηηθέο κε ηελ παξάδνζε, όπσο ηε δηαδηθαζία επηζθεπήο ηνπ ιεθζέληνο αξρείνπ θαη ηελ επηβεβαίσζε ηεο ιήςεο. Έρνπλ νξηζηεί δύν κέζνδνη παξάδνζεο, ε download θαη ε streaming, όκσο κπνξνύλ λα 54 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

55 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS πξνζηεζνύλ θαη άιιεο κέζνδνη θαηά ηελ εμέιημε ηεο ππεξεζίαο MBMS. Νη κέζνδνη παξάδνζεο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηνύλ ηνπο MBMS bearers, αιιά κπνξνύλ λα θάλνπλ ρξήζε θαη ησλ point-to-point bearers ρξεζηκνπνηώληαο έλα ζύλνιν από θαηάιιειεο δηαδηθαζίεο. Ζ MBMS ππεξεζία ρξήζηε ππνζηεξίδεη ηηο εθαξκνγέο. Γηαθνξεηηθέο εθαξκνγέο εηζάγνπλ δηαθνξεηηθέο απαηηήζεηο όηαλ δηαλέκνπλ πεξηερόκελν ζε MBMS ζπλδξνκεηέο θαη κπνξεί λα ρξεζηκνπνηνύλ δηαθνξεηηθέο MBMS κεζόδνπο παξάδνζεο. Γηα παξάδεηγκα κία εθαξκνγή κεηάδνζεο κελπκάησλ όπσο ε MMS ζα ρξεζηκνπνηνύζε ηε download κέζνδν, ελώ κία streaming εθαξκνγή όπσο ε θηλεηή ηειεόξαζε ζα ρξεζηκνπνηνύζε ηε streaming κέζνδν. 3.3 Οη Λεηηνπξγηθέο Οληόηεηεο ηεο Αξρηηεθηνληθήο MBMS Νη ππάξρνπζεο ιεηηνπξγηθέο νληόηεηεο ηεο θιαζηθήο αξρηηεθηνληθήο κεηαγσγήο παθέηνπ (SGSN, MME, eutran θαη UE), έρνπλ εκπινπηηζηεί νύησο ώζηε λα παξέρνπλ ηελ MBMS bearer ππεξεζία. Ζ αξρηηεθηνληθή ηνπ EPS γηα ηελ ππεξεζία MBMS παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 14 [24]. Δηθόλα 14. Η Αξρηηεθηνληθή ηνπ EPS γηα ηελ ππεξεζία MBMS Content Provider/Multicast Broadcast Source Ν πάξνρνο πεξηερνκέλνπ (Content Provider), δειαδή ε πεγή ηεο Multicast/Broadcast κεηάδνζεο, παξέρεη δηαθξηηά θαη ζπλερή πνιπκεζηθά δεδνκέλα, θαζώο επίζεο ηελ πεξηγξαθή ηεο ππεξεζίαο θαη δεδνκέλα ειέγρνπ, πξνο ην BM-SC. Κία ππεξεζία ρξήζηε MBMS κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεί ηαπηόρξνλα κία ή πεξηζζόηεξεο κεζόδνπο παξάδνζεο θαη ν Content Provider/Multicast Broadcast Source κπνξεί λα είλαη έλαο ηξίηνο, αλεμάξηεηνο ηνπ δηθηύνπ πάξνρνο πνιπκέζσλ. Γειαδή ε ιεηηνπξγία ηνπ Content Provider κπνξεί λα εθηειείηαη κέζα ζην δίθηπν ηνπ δηαρεηξηζηή ή λα παξέρεηαη εμσηεξηθά. Ρέινο, ν Content Provider κπνξεί επίζεο λα ξπζκίζεη ιεηηνπξγίεο ηεο ζπλόδνπ θαη ηεο κεηάδνζεο (π.ρ. ηε κέζνδν κεηάδνζεο) Broadcast-Multicast Service Centre (BM-SC) Ρν BM-SC παξέρεη ιεηηνπξγίεο γηα ηελ παξνρή θαη παξάδνζε ησλ MBMS ππεξεζηώλ ρξήζηε. Ιεηηνπξγεί ζαλ έλα ζεκείν εηζόδνπ γηα ηνλ πάξνρν ηνπ MBMS πεξηερνκέλνπ, αλαιακβάλεη λα εγθξίλεη θαη λα αξρηθνπνηήζεη ηηο MBMS bearer ππεξεζίεο θαζώο θαη λα ρξνλνπξνγξακκαηίζεη θαη λα δηαλείκεη ηηο MBMS κεηαδόζεηο. Ρν BM-SC είλαη κία ιεηηνπξγηθή νληόηεηα πνπ πξέπεη λα ππάξρεη γηα ηελ παξνρή νπνηαζδήπνηε MBMS ππεξεζίαο. Ρν BM-SC απνηειείηαη από ηηο παξαθάησ ππνιεηηνπξγίεο: Ιεηηνπξγία δηαρείξηζεο ησλ κειώλ ηεο MBMS ππεξεζίαο. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 55

56 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Ιεηηνπξγία δηαρείξηζεο ζπλόδνπ θαη κεηάδνζεο. Ιεηηνπξγία δηαρείξηζεο κεηαθνξάο. Ιεηηνπξγία αλαγγειίαο ηεο ππεξεζίαο. Ππληνληζκόο ηνπ MBMS πεξηερνκέλνπ ζην eutran. Αλαιπηηθά νη ιεηηνπξγίεο ηνπ BM-SC παξνπζηάδνληαη ζηελ Δηθόλα 15. Δηθόλα 15. Οη Λεηηνπξγίεο ηνπ BM-SC MBMS Gateway (GW) Νη βαζηθέο ιεηηνπξγίεο ηεο πύιεο MBMS (MBMS Gateway) είλαη: Ζ παξνρή κίαο δηεπαθήο γηα ηηο νληόηεηεο πνπ ρξεζηκνπνηνύλ ηνπο MBMS bearers κέζσ ηεο δηεπαθήο SGi-mb γηα ην user plane θαη ηεο δηεπαθήο SGmb γηα ην control plane. Ζ IP multicast δηαλνκή ησλ MBMS δεδνκέλσλ ηνπ user plane ζηα enbs κέζσ ηεο δηεπαθήο M1. Δπίζεο νξίδεη κία IP multicast δηεύζπλζε ηελ νπνία ην enb πξέπεη λα ρξεζηκνπνηήζεη γηα λα ιάβεη ηα MBMS δεδνκέλα. Απηή ε IP multicast δηεύζπλζε καδί κε ηελ IP δηεύζπλζε ηεο multicast πεγήο παξέρεηαη ζην enb κέζσ ηνπ MME. Δπηπιένλ ε MBMS GW κπνξεί λα ππνζηεξίδεη ηελ αιιαγή ιεηηνπξγίαο ζε point-topoint κεηάδνζε ζε νξηζκέλεο πεξηπηώζεηο θαη κπνξεί λα επηθνηλσλεί κε πνιιέο νληόηεηεο ηνπ control plane, όπσο ην MME θαη ηα BM-SCs. Ρέινο, λα αλαθέξνπκε πσο ζε έλα δίθηπν κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζνύλ κία ή πεξηζζόηεξεο MBMS GWs θαη πσο ην MBMS GW κπνξεί λα είλαη αλεμάξηεην ζηνηρείν ή λα βξίζθεηαη ελζσκαησκέλν πάλσ ζε άιιν ζηνηρείν ηνπ δηθηύνπ όπσο ην BM-SC Mobility Management Entity (MME) 56 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

57 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Ζ ιεηηνπξγία ηνπ MBMS control plane ππνζηεξίδεηαη από ην MME γηα πξόζβαζε ζην eutran. Ρν MME παξέρεη ηηο αθόινπζεο ιεηηνπξγίεο, ώζηε λα ππνζηεξίμεη ην eutran MBMS ππεξεζίεο: Έιεγρνο ζπλόδνπ ησλ MBMS bearers (έιεγρνο ησλ ιεηηνπξγηώλ έλαξμε ζπλόδνπ/ιήμε ζπλόδνπ) Κεηάδνζε κελπκάησλ ειέγρνπ ηεο ζπλόδνπ ζε πνιιαπινύο eutran θόκβνπο. Ξαξέρεη ηε δηεπαθή Sm ζηελ MBMS GW, κέζσ ηεο νπνίαο ιακβάλεη κελύκαηα ειέγρνπ θαη ηελ IP multicast δηεύζπλζε γηα ιήςε MBMS δεδνκέλσλ από ηελ MBMS GW eutran Ρν eutran είλαη ππεύζπλν γηα ηελ απνδνηηθή παξάδνζε ησλ MBMS δεδνκέλσλ ζηελ επηζπκεηή MBMS πεξηνρή. Ρν eutran γηα ηελ ππεξεζία MBMS πξέπεη λα έρεη ηελ ηθαλόηεηα λα ιακβάλεη IP multicast θίλεζε User Equipment (UE) Ν θηλεηόο εμνπιηζκόο ησλ ρξεζηώλ (UE) πξέπεη λα ππνζηεξίδεη ηηο ιεηηνπξγίεο ηεο ελεξγνπνίεζεο/απελεξγνπνίεζεο ηεο MBMS bearer ππεξεζίαο. Αθόηνπ κία MBMS bearer ππεξεζία ελεξγνπνηεζεί, δελ απαηηείηαη θαλέλα πεξαηηέξσ αίηεκα από ην ρξήζηε γηα λα ιάβεη MBMS δεδνκέλα, παξόηη ν ρξήζηεο κπνξεί λα εηδνπνηεζεί πσο ε κεηαθνξά δεδνκέλσλ είλαη έηνηκε λα μεθηλήζεη. Ρν UE πξέπεη λα ππνζηεξίδεη ιεηηνπξγίεο αζθάιεηαο θαηάιιειεο γηα ηελ MBMS ππεξεζία. Ρν UE πξέπεη, αλάινγα κε ηηο δπλαηόηεηεο ηεο ηεξκαηηθήο ζπζθεπήο, λα έρεη ηελ ηθαλόηεηα λα ιακβάλεη γλσζηνπνηήζεηο γηα ηηο δηαζέζηκεο MBMS ππεξεζίεο, πιεξνθνξίεο paging θαη λα ππνζηεξίδεη ηαπηόρξνλεο ππεξεζίεο (γηα παξάδεηγκα ν ρξήζηεο ζα κπνξεί λα πξαγκαηνπνηήζεη ή λα ιάβεη κία θιήζε θαη λα ιάβεη κελύκαηα θεηκέλνπ, ελώ ηαπηόρξνλα ιακβάλεη MBMS πεξηερόκελν). Δπίζεο, αλάινγα κε ηηο δπλαηόηεηεο ηεο ηεξκαηηθήο ζπζθεπήο, ην UE κπνξεί λα απνζεθεύεη MBMS δεδνκέλα. 3.4 Παξνρή ηεο MBMS Τπεξεζίαο Multicast Λεηηνπξγία Ζ ιήςε κίαο ππεξεζίαο MBMS multicast βαζίδεηαη ζε ζπγθεθξηκέλεο δηαδηθαζίεο, νη νπνίεο παξνπζηάδνληαη ζρεκαηηθά ζηελ Δηθόλα 16. Νη θάζεηο ηεο ζπλδξνκήο, ηεο ζύλδεζεο θαη ηεο απνρώξεζεο από ηελ ππεξεζία εθηεινύληαη αηνκηθά αλά ρξήζηε. Νη ππόινηπεο θάζεηο εθηεινύληαη ζπλνιηθά γηα θάζε ππεξεζία, δειαδή γηα όινπο ηνπο ρξήζηεο πνπ ελδηαθέξνληαη γηα ηε ζπγθεθξηκέλε ππεξεζία. Ζ αθνινπζία ησλ θάζεσλ κπνξεί λα επαλαιεθζεί, αλάινγα κε ηηο αλάγθεο γηα ηε κεηαθνξά ησλ δεδνκέλσλ. Δπίζεο νη θάζεηο ηεο ζπλδξνκήο, ηεο ζύλδεζεο, ηεο απνρώξεζεο, ηεο αλαγγειίαο ηεο ππεξεζίαο θαζώο θαη ηεο MBMS εηδνπνίεζεο κπνξνύλ λα εθηεινύληαη παξάιιεια κε ηηο άιιεο θάζεηο. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 57

58 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Δηθόλα 16. Οη θάζεηο Παξνρήο κίαο MBMS Multicast Τπεξεζίαο. πλδξνκή (Subscription): Δγθαζηδξύεη ηε ζρέζε κεηαμύ ηνπ ρξήζηε θαη ηνπ παξόρνπ ηεο ππεξεζίαο, γεγνλόο πνπ επηηξέπεη ζην ρξήζηε λα ιάβεη ηε ζρεηηθή MBMS multicast ππεξεζία. Ζ ζπλδξνκή ζηελ ππεξεζία είλαη ε ζπκθσλία ελόο ρξήζηε λα ιάβεη ηελ ππεξεζία πνπ δηαηίζεηαη από έλα πάξνρν. Ξιεξνθνξίεο ζρεηηθέο κε ηε δηαδηθαζία ηεο ζπλδξνκήο ζπλήζσο παξέρνληαη από ην BM-SC, όκσο κπνξεί λα δηαηίζεληαη θαη από δηαθνξεηηθέο δηθηπαθέο νληόηεηεο καδί κε άιιεο ιεηηνπξγίεο ηνπ BM-SC κέζσ ηεο δηεπαθήο Gmb. Αλαγγειία ηεο ππεξεζίαο (Service announcement): Ν κεραληζκόο αλαγγειίαο/αλαθάιπςεο ησλ MBMS δηαζέζηκσλ ππεξεζηώλ πξέπεη λα επηηξέπεη ζηνπο ρξήζηεο λα πιεξνθνξνύληαη ζρεηηθά κε ην εύξνο ηεο δηαζεζηκόηεηαο ησλ MBMS ππεξεζηώλ. Απηό πεξηιακβάλεη ζπγθεθξηκέλεο MBMS ππεξεζίεο, δηαζέζηκεο από ην δηαρεηξηζηή ηνπ δηθηύνπ, θαζώο θαη ππεξεζίεο παξερόκελεο από εμσηεξηθνύο ηνπ δηθηύνπ παξόρνπο πεξηερνκέλνπ. Ζ δηαδηθαζία ηεο αλαγγειίαο ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα δηαλεκεζεί ζηνπο ρξήζηεο πιεξνθνξία ζρεηηθή κε ηελ ππεξεζία, παξάκεηξνη πνπ απαηηνύληαη γηα ηελ ελεξγνπνίεζε ηεο ππεξεζίαο (π.ρ. ε IP multicast δηεύζπλζε) θαη άιιεο πηζαλέο παξάκεηξνη ζρεηηθέο κε ηελ ππεξεζία (π.ρ. ρξόλνο έλαξμεο ηεο ππεξεζίαο). ύλδεζε (Joining): Ζ ζύλδεζε, δειαδή ε ελεξγνπνίεζε ηεο MBMS multicast ππεξεζίαο από ην ρξήζηε, είλαη ε δηαδηθαζία κε ηελ νπνία έλαο ζπλδξνκεηήο γίλεηαη κέινο κίαο multicast νκάδαο, δειώλνληαο ζην δίθηπν πσο επηζπκεί λα ιάβεη ηα multicast δεδνκέλα κέζσ ελόο MBMS bearer. Κία MBMS ππεξεζία κπνξεί λα κεηαδίδεηαη από πεξηζζόηεξνπο από έλαλ MBMS bearer. Πε απηή ηελ πεξίπησζε ην 58 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

59 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS ηκήκα ηεο MBMS ππεξεζίαο πνπ είλαη ελεξγνπνηεκέλν ζην UE νξίδεη ηνπο ζρεηηθνύο MBMS bearers γηα ηε ιήςε ηεο ππεξεζίαο. Έλαξμε ηεο ζπλόδνπ (Session Start): Ζ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ είλαη ην ζεκείν ζην νπνίν ην BM-SC είλαη έηνηκν λα ζηείιεη δεδνκέλα. Ζ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ πξαγκαηνπνηείηαη αλεμάξηεηα από ηελ ελεξγνπνίεζε ηεο ππεξεζίαο από ην ρξήζηε, δειαδή έλαο ρξήζηεο κπνξεί λα ελεξγνπνηήζεη ηελ ππεξεζία πξηλ ή κεηά ηελ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ. Ζ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ πξνθαιεί ηε δέζκεπζε ησλ πόξσλ γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ απαξαίηεηνπ bearer γηα ηε κεηάδνζε ησλ MBMS δεδνκέλσλ. Δάλ κία ππεξεζία κεηαθέξεηαη από πεξηζζόηεξνπο ηνπ ελόο bearer, έλα κήλπκα έλαξμεο ζπλόδνπ απνζηέιιεηαη γηα θάζε MBMS bearer. Πε απηή ηελ πεξίπησζε κπνξεί λα απαηηείηαη λα ελεξγνπνηήζεη ην UE ηε ιήςε όισλ ησλ ζρεηηθώλ bearers. MBMS εηδνπνίεζε (MBMS notification): Θαηά ηε δηαδηθαζία απηή, ην UE πιεξνθνξείηαη γηα επεξρόκελε (θαη ελδερνκέλσο γηα ηξέρνπζα) MBMS multicast κεηαθνξά δεδνκέλσλ. Μεηαθνξά δεδνκέλσλ (Data transfer): Ξξόθεηηαη γηα ηε θάζε θαηά ηελ νπνία ηα MBMS δεδνκέλα κεηαθέξνληαη ζηα UEs. Λήμε ηεο ζπλόδνπ (Session Stop): Δίλαη ην ζεκείν ζην νπνίν ην BM-SC θαζνξίδεη πσο δελ ζα ππάξρνπλ άιια δεδνκέλα πξνο απνζηνιή γηα θάπνηα ρξνληθή πεξίνδν, κε ηελ πεξίνδν απηή λα είλαη αξθεηά κεγάιε ώζηε λα δηθαηνινγείηαη ε απνδέζκεπζε ησλ πόξσλ ησλ bearer(s) πνπ είραλ δεζκεπζεί γηα ηε ζύλνδν. Απνρώξεζε (Leaving): Ζ απνρώξεζε, δειαδή ε απελεξγνπνίεζε ηνπ MBMS multicast από ην ρξήζηε, είλαη ε δηαδηθαζία κε ηελ νπνία έλαο ζπλδξνκεηήο αθήλεη (παύεη λα είλαη κέινο) κίαο multicast νκάδαο Υρονοδιάγραμμα ηης Multicast Λειηοσργίας Ζ ρξνληθή εμέιημε κίαο MBMS multicast ππεξεζίαο αθνινπζεί θάπνηεο δηαθξηηέο θαζνξηζκέλεο θάζεηο νη νπνίεο εμειίζζνληαη αθνινπζηαθά γηα ηνλ θάζε ρξήζηε. Έλα παξάδεηγκα ηεο ρξνληθήο εμέιημεο κίαο multicast ζπλόδνπ παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 17. Υξνληθή πεξίνδνο κεηαμύ Αλαγγειίαο ηεο ππεξεζίαο θαη Έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ: Ζ αλαγγειία ηεο ππεξεζίαο κπνξεί λα πεξηιακβάλεη έλα πξόγξακκα ησλ ρξνληθώλ ζηηγκώλ ηεο έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ θαη κπνξεί λα απνζηέιινληαη θάπνηα ρξνληθή ζηηγκή πξηλ ηελ πξνγξακκαηηζκέλε έλαξμε ηεο ππεξεζίαο. Ζ ρξνληθή πεξίνδνο απηή κπνξεί λα είλαη ώξεο, εκέξεο αθόκα θαη εβδνκάδεο. Υξνληθή πεξίνδνο κεηαμύ Αλαγγειίαο ηεο ππεξεζίαο θαη πλδξνκήο ζηελ ππεξεζία: Ζ ζπλδξνκή ζηελ ππεξεζία κπνξεί λα πξαγκαηνπνηεζεί νπνηαδήπνηε ρξνληθή ζηηγκή πξηλ ή κεηά ηελ αλαγγειία ηεο ππεξεζίαο. Υξνληθή πεξίνδνο κεηαμύ Αλαγγειίαο ηεο ππεξεζίαο θαη ύλδεζεο: Ζ ρξνληθή ζηηγκή ζύλδεζεο ζηελ ππεξεζία επηιέγεηαη από ην ρξήζηε θαη/ή πηζαλώο από ην UE ζε απόθξηζε ηεο αλαγγειίαο ηεο ππεξεζίαο. Νη ρξήζηεο ηππηθά ζα εγγξαθνύλ ζηελ ππεξεζία ηε ρξνληθή ζηηγκή ηεο επηινγήο ηνπο, έηζη απηή ε πεξίνδνο κεηαμύ ηεο αλαγγειίαο θαη ηεο εγγξαθήο κπνξεί λα είλαη πνιύ κεγάιε ή θαη πνιύ κηθξή. Γηα λα απνθεπρζνύλ θαηαζηάζεηο ππεξθόξησζεο, πξνεξρόκελεο από πνιινύο ρξήζηεο πνπ πξνζπαζνύλ λα εγγξαθνύλ ζηελ ππεξεζία ζε έλα πνιύ κηθξό ρξνληθό δηάζηεκα, ην UE κπνξεί λα είλαη ηθαλό λα ρξεζηκνπνηήζεη παξακέηξνπο Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 59

60 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS δηαζέζηκεο από ην BM-SC θαηά ηελ αλαγγειία ηεο ππεξεζίαο, ώζηε ε δηαδηθαζία εγγξαθήο λα εθηειείηαη ηπραία ζην ρξόλν. Δηθόλα 17. Παξάδεηγκα Υξνληθήο Δμέιημεο κίαο Multicast πλόδνπ. Υξνληθή πεξίνδνο κεηαμύ Δγγξαθήο θαη Έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ: Θάπνηνη MBMS bearers κπνξεί λα είλαη πάληα ελεξγνί. Πε απηή ηελ πεξίπησζε, ε δηαδηθαζία ηεο εγγξαθήο κπνξεί λα πξαγκαηνπνηεζεί άκεζα κεηά ηελ αλαγγειία ηεο ππεξεζίαο θαη πηζαλώο θάπνηεο ώξεο πξηλ ή κεηά ηελ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ. Πε άιιεο πεξηπηώζεηο εάλ ε ρξνληθή ζηηγκή έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ είλαη γλσζηή, ε εγγξαθή κπνξεί λα πξαγκαηνπνηεζεί ακέζσο πξηλ ή ακέζσο κεηά ηελ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ. Γηα απηέο ηηο ππεξεζίεο, ε αλαγγειία κπνξεί λα πεξηέρεη θάπνηα έλδεημε γηα κία ρξνληθή πεξίνδν, θαηά ηελ νπνία νη ρξήζηεο πξέπεη λα δηαιέμνπλ κία ρξνληθή ζηηγκή γηα λα εγγξαθνύλ ζηελ ππεξεζία. Υξνληθή πεξίνδνο κεηαμύ Έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ θαη ιήςεο ησλ πξώησλ δεδνκέλσλ: Ζ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ νξίδεη πσο ε κεηάδνζε πξόθεηηαη λα μεθηλήζεη. Ζ ρξνληθή θαζπζηέξεζε κεηαμύ ηεο έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ θαη ηεο ιήςεο δεδνκέλσλ πξέπεη λα είλαη αξθεηά κεγάιε, ώζηε λα πξαγκαηνπνηνύληαη νη απαηηνύκελεο ελέξγεηεο από ην δίθηπν, π.ρ. παξνρή πιεξνθνξηώλ ηεο ππεξεζίαο ζην UTRAN θαη εγθαηάζηαζε ηνπ bearer. Ζ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ πξέπεη λα ελεξγνπνηείηαη από κία εμσηεξηθή εηδνπνίεζε από ην BM-SC. Πηελ πεξίπησζε πνπ νη πόξνη ζην επίπεδν ησλ bearers επαλαδηαπξαγκαηεπζνύλ κεηά ηελ έλαξμε ηεο κεηάδνζεο δεδνκέλσλ, ην δίθηπν δελ απαηηείηαη λα αλαβάιιεη ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ, αιιά κπνξεί λα ζεσξεζνύλ σο απώιεηεο θάπνησλ δεδνκέλσλ. Υξνληθή πεξίνδνο κεηαμύ Έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ θαη Λήμεο ηεο ζπλόδνπ: Όηαλ ην BM-SC γλσξίδεη πσο δελ ππάξρνπλ πιένλ δεδνκέλα πξνο απνζηνιή γηα κία κεγάιε πεξίνδν, πξέπεη λα νξίζεη ηε ιήμε ηεο ζπλόδνπ ζην δίθηπν, πξνθαιώληαο ηελ απνδέζκεπζε ησλ πόξσλ ησλ bearers. Ξαξόια απηά, εάλ απηή ε αλελεξγή πεξίνδνο είλαη κηθξή, ηόηε ε δηαδηθαζία ηεο ιήμεο κπνξεί λα κελ είλαη θαηάιιειε θαζώο ζα 60 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

61 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS επηθέξεη επηπιένλ ζεκαηνδνζία θαη επεμεξγαζία ζην δίθηπν. Ζ δηάξθεηα απηήο ηεο κεγάιεο αλελεξγήο πεξηόδνπ εμαξηάηαη από ηελ εθάζηνηε πινπνίεζε ηεο ππεξεζίαο θαη πξέπεη λα επηιέγεηαη ζύκθσλα κε δηάθνξνπο πεξηνξηζκνύο ηνπ δηθηύνπ. Δλεκέξσζε ηεο ζπλόδνπ: Ζ ελεκέξσζε ηεο ζπλόδνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ ελεκέξσζε ζπγθεθξηκέλσλ παξακέηξσλ κίαο ηξέρνπζαο MBMS multicast ζπλόδνπ Broadcast Λεηηνπξγία Όπσο έρεη αλαθεξζεί ζηελ αξρή ηνπ θεθαιαίνπ ε multicast κεηάδνζε είλαη κία εηδηθή πεξίπησζε ηεο broadcast κεηάδνζεο, όπνπ ν ρξήζηεο πξέπεη λα εγγξαθεί ζηελ νκάδα ηεο multicast κεηάδνζεο. Ππλεπώο, ζηε broadcast ιεηηνπξγία δελ ζπκπεξηιακβάλνληαη νη θάζεηο ηεο ζπλδξνκήο, ηεο ζύλδεζεο θαη ηεο απνρώξεζεο. Ππλνιηθά νη θάζεηο γηα ηελ παξνρή κίαο MBMS broadcast ππεξεζίαο πεξηγξάθνληαη ζηελ Δηθόλα 18. Δηθόλα 18. Οη Φάζεηο Παξνρήο κίαο MBMS Broadcast Τπεξεζίαο. Ζ αθνινπζία ησλ θάζεσλ κπνξεί λα επαλαιεθζεί, αλάινγα κε ηηο αλάγθεο γηα ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ. Δπίζεο, είλαη δπλαηόλ νη θάζεηο αλαγγειίαο ηεο ππεξεζίαο θαη ηεο MBMS εηδνπνίεζεο λα εθηεινύληαη παξάιιεια κε άιιεο θάζεηο, κε ζθνπό ηελ πιεξνθόξεζε ησλ UEs πνπ δελ έρνπλ ιάβεη αθόκα ηε ζρεηηθή ππεξεζία. Αλαγγειία ηεο ππεξεζίαο (Service announcement): Ξιεξνθνξεί ηα UEs γηα πξνζερείο MBMS ππεξεζίεο. Δλεξγνπνίεζε ππεξεζίαο ηνπηθά ζην UE (UE local service activation): Ρν ηκήκα ηεο MBMS ππεξεζίαο ζην UE μεθηλά ηε ιήςε ηεο MBMS bearer ππεξεζίαο ώζηε λα ιάβεη ηελ MBMS ππεξεζία ρξήζηε. Πηελ πεξίπησζε πνπ κία MBMS ππεξεζία ρξήζηε κεηαθέξεηαη από πεξηζζόηεξεο από κία MBMS bearer ππεξεζίεο, Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 61

62 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS κπνξεί λα απαηηείηαη ην UE λα εθθηλήζεη ηε ιήςε όισλ ησλ πνιιαπιώλ ζρεηηθώλ MBMS bearer ππεξεζηώλ γηα λα ιάβεη ζπλνιηθά ηελ ππεξεζία. Έλαξμε ηεο ζπλόδνπ (Session Start): Ζ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ είλαη ην ζεκείν ζην νπνίν ην BM-SC είλαη έηνηκν λα ζηείιεη δεδνκέλα. Ρν ζεκείν απηό κπνξεί λα πξνζδηνξηζηεί κε ηελ έλαξμε κίαο broadcast ζπλόδνπ, όπσο νξίδεηαη ζην [25]. Ζ έλαξμε ηεο ζπλόδνπ πξνθαιεί ηε δέζκεπζε ησλ πόξσλ γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ απαξαίηεηνπ bearer γηα ηε κεηάδνζε ησλ MBMS δεδνκέλσλ. Δάλ κία ππεξεζία κεηαθέξεηαη από πεξηζζόηεξνπο ηνπ ελόο bearer, έλα κήλπκα έλαξμεο ζπλόδνπ απνζηέιιεηαη γηα θάζε MBMS bearer. Πε απηή ηελ πεξίπησζε κπνξεί λα απαηηείηαη λα ελεξγνπνηήζεη ην UE ηε ιήςε όισλ ησλ ζρεηηθώλ bearers. MBMS εηδνπνίεζε (MBMS notification): Θαηά ηε δηαδηθαζία απηή ην UE πιεξνθνξείηαη γηα επεξρόκελε (θαη ελδερνκέλσο γηα ηξέρνπζα) MBMS broadcast κεηαθνξά δεδνκέλσλ. Μεηαθνξά δεδνκέλσλ (Data transfer): Ξξόθεηηαη γηα ηε θάζε θαηά ηελ νπνία ηα MBMS δεδνκέλα κεηαθέξνληαη ζηα UEs. Λήμε ηεο ζπλόδνπ (Session Stop): Δίλαη ην ζεκείν ζην νπνίν ε MBMS ππεξεζία ρξήζηε θαζνξίδεη πσο δελ ζα ππάξρνπλ άιια δεδνκέλα πξνο απνζηνιή γηα θάπνηα ρξνληθή πεξίνδν, κε ηελ πεξίνδν απηή λα είλαη αξθεηά κεγάιε ώζηε λα δηθαηνινγείηαη ε απνδέζκεπζε ησλ πόξσλ ησλ bearer(s) πνπ είραλ δεζκεπζεί γηα ηε ζύλνδν. Δλεκέξσζε ηεο ζπλόδνπ (Session Update): Ζ ελεκέξσζε ηεο ζπλόδνπ ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ ελεκέξσζε ζπγθεθξηκέλσλ παξακέηξσλ κίαο ηξέρνπζαο MBMS broadcast ζπλόδνπ. Νη παξάκεηξνη πνπ κπνξνύλ λα ελεκεξσζνύλ είλαη ε πεξηνρή ηεο MBMS ππεξεζίαο θαη/ή ε ιίζηα ησλ MMEs (κόλν από ην BM-SC πξνο ηελ MBMS GW). Δάλ έλαο θόκβνο ιάβεη κία ελεκέξσζε ηεο ζπλόδνπ, έρεη ζαλ απνηέιεζκα ε ελεκέξσζε απηή λα ζηαιεί ζε όινπο ηνπο επόκελνπο θόκβνπο γηα λα ηνπο πιεξνθνξήζεη γηα ηηο αιιαγέο ζηελ ππεξεζία. Όηαλ κία ελεκέξσζε ηεο ζπλόδνπ, ζπκπεξηιακβάλνληαο ηε ιίζηα παξακέηξσλ ηνπ MME, ιεθζεί από ηελ MBMS GW, έρεη ζαλ απνηέιεζκα ηελ ελεξγνπνίεζε ηεο δηαδηθαζίαο έλαξμεο ζπλόδνπ, ε νπνία απνζηέιιεηαη ζε όινπο ηνπο λένπο θόκβνπο, θαη ηελ ελεξγνπνίεζε ηεο δηαδηθαζίαο ιήμεο ζπλόδνπ ζε όινπο ηνπο θόκβνπο πνπ έρνπλ αθαηξεζεί από ηε ιίζηα Υρονοδιάγραμμα ηης Broadcast Λειηοσργίας Ζ ρξνληθή εμέιημε κίαο MBMS broadcast ππεξεζίαο, ζύκθσλα κε ηηο θάζεηο πνπ πεξηγξάθεθαλ παξαπάλσ, πεξηιακβάλεη ηα δηαζηήκαηα ηεο ρξνληθήο πεξηόδνπ κεηαμύ αλαγγειίαο ηεο ππεξεζίαο θαη έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ, ηεο ρξνληθήο πεξηόδνπ κεηαμύ έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ θαη ιήςεο ησλ πξώησλ δεδνκέλσλ θαη ηεο ρξνληθήο πεξηόδνπ κεηαμύ έλαξμεο ηεο ζπλόδνπ θαη ιήμεο ηεο ζπλόδνπ, κε ηε ιεηηνπξγία ηνπο λα είλαη ίδηα κε ηεο multicast ιεηηνπξγίαο. Ζ εμέιημε κίαο broadcast ζπλόδνπ παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

63 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Δηθόλα 19. Παξάδεηγκα Υξνληθήο Δμέιημεο κίαο Broadcast πλόδνπ. 3.5 Οη ηνίβα Πξσηνθόιισλ ηεο Τπεξεζίαο MBMS Ζ Δηθόλα 20 παξνπζηάδεη ηε ζηνίβα πξσηνθόιισλ πνπ ρξεζηκνπνηνύλ νη MBMS ππεξεζίεο ρξήζηε. Ρα ζθηαζκέλα πξσηόθνιια θαη ιεηηνπξγίεο βξίζθνληαη έμσ από ηνπο ζθνπνύο ηνπ παξόληνο θεθαιαίνπ θαη δελ ζα γίλεη πεξαηηέξσ αλαθνξά ζε απηά. Αλαιπηηθά ε ιεηηνπξγία ησλ ππεξεζηώλ θαη ησλ αληίζηνηρσλ πξσηνθόιισλ παξνπζηάδεηαη ζε επόκελν ηκήκα ηνπ θεθαιαίνπ, επηθεληξώλνληαο ζηε κέζνδν ηεο streaming κεηάδνζεο. Δηθόλα 20. Οη ηνίβα Πξσηνθόιισλ ησλ MBMS Τπεξεζηώλ. 3.6 Οη Μέζνδνη Παξάδνζεο Γεδνκέλσλ Ρν 3GPP ζην [23] έρεη πξνζδηνξίζεη δύν κεζόδνπο παξάδνζεο δεδνκέλσλ ηε κέζνδν download θαη ηε κέζνδν streaming. Νη δύν απηέο κέζνδνη θάλνπλ ρξήζε ησλ Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 63

64 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS MBMS bearers γηα ηελ παξάδνζε πεξηερνκέλνπ ζηνπο ρξήζηεο. Πηε ζπλέρεηα, πεξηγξάθνληαη νη κέζνδνη download θαη streaming θαζώο θαη άιιεο δηαδηθαζίεο ζρεηηθέο κε ηηο δύν απηέο κεζόδνπο. Ηδηαίηεξν βάξνο δίλεηαη ζηελ πεξηγξαθή ηεο ιεηηνπξγίαο ηεο κεζόδνπ streaming Η Μέζνδνο Download Ζ MBMS download κέζνδνο ρξεζηκνπνηεί ην πξσηόθνιιν File Delivery over Unidirectional Transport (FLUTE) [26] γηα λα παξαδώζεη πεξηερόκελν πάλσ από ηνπο MBMS bearers. Ρν FLUTE εθηειείηαη πάλσ από ην πξσηόθνιιν Asynchronous Layered Coding (ALC) [27]. Ρν ALC ζπλδπάδεη ην κεραληζκό θαηαζθεπήο block Layered Coding Transport (LCT) [28], έλα κεραληζκό θαηαζθεπήο block ειέγρνπ ζπκθόξεζεο θαη ην κεραληζκό θαηαζθεπήο block ηνπ FEC [29], έηζη ώζηε λα επηηύρεη αμηόπηζηε κεηάδνζε, ρσξίο ζπκθόξεζε, ηνπ πεξηερνκέλνπ ζε έλαλ απεξηόξηζην αξηζκό παξαιεπηώλ από έλαλ απνζηνιέα. Όπσο αλαθέξεηαη ζην [27], ν έιεγρνο ζπκθόξεζεο δελ είλαη θαηάιιεινο γηα ηνλ ηύπν ηνπ πεξηβάιινληνο κεηάδνζεο ζην νπνίν εθηειείηαη ε MBMS download κεηάδνζε θαη έηζη δελ ρξεζηκνπνηείηαη έιεγρνο ζπκθόξεζεο ζε απηή ηε κέζνδν κεηάδνζεο. Πηελ Δηθόλα 21 παξνπζηάδεηαη ε δνκή ηεο θαηαζθεπήο ηνπ FLUTE block. Ρν FLUTE κεηαθέξεηαη πάλσ ζε UDP/IP ξνέο θαη είλαη αλεμάξηεην από ηελ έθδνζε ηνπ IP πξσηνθόιινπ πνπ ρξεζηκνπνηείηαη θαζώο θαη ησλ ρακειόηεξσλ πξσηνθόιισλ ηνπ επηπέδνπ δεύμεο. Δηθόλα 21. Η Γνκή ελόο FLUTE Block. Ρν ALC ρξεζηκνπνηεί ηε δηαδηθαζία θαηαζθεπήο block ηνπ LCT γηα λα παξέρεη ηε δπλαηόηεηα δηαρείξηζεο ζπλόδνπ. Ρν LCT έρεη αξθεηά θαζνξηζκέλα θαη κε θαζνξηζκέλα πεδία ηα νπνία θιεξνλνκνύληαη θαη θαζνξίδνληαη από ην ALC. Ρν ALC ρξεζηκνπνηεί ην κεραληζκό FEC γηα λα παξέρεη αμηνπηζηία. Ν κεραληζκόο FEC επηηξέπεη ηελ επηινγή ελόο θαηάιιεινπ θώδηθα FEC γηα λα ρξεζηκνπνηεζεί κε ην ALC, παξέρνληαο όκσο θαη ηελ επηινγή λα κελ ρξεζηκνπνηεζεί θαλέλαο θώδηθαο FEC, όπνπ απιά ηα αξρηθά δεδνκέλα απνζηέιινληαη ρσξίο FEC θσδηθνπνίεζε. Ρν ALC δελ είλαη πιήξσο θαζνξηζκέλν θαη γεληθά κεηαθέξεη δπαδηθά αληηθείκελα πεπεξαζκέλνπ ή κε κεγέζνπο. Ρν FLUTE είλαη έλα πιήξσο θαζνξηζκέλν πξσηόθνιιν γηα ηε κεηαθνξά αξρείσλ (θάζε είδνπο δηαθξηηώλ δπαδηθώλ αληηθεηκέλσλ) θαη ρξεζηκνπνηεί γηα απηό ην ζθνπό ηα File Description Table (FDT) Instances, ώζηε λα πξνζθέξεη έλαλ θαηάινγν ησλ ηξέρνλησλ αξρείσλ θαη ησλ απαξαίηεησλ παξακέηξσλ ηνπο, γηα κία FLUTE ζύλνδν Η Υρήζη ηοσ FLUTE ζηο Download 64 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

65 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Ν ζθνπόο ηεο κεζόδνπ download είλαη λα κεηαδώζεη πεξηερόκελν ζε αξρεία. Πηα πιαίζηα ηνπ MBMS download, έλα αξρείν πεξηέρεη θάζε ηύπν MBMS δεδνκέλσλ (π.ρ. αξρεία 3GPP, δπαδηθά δεδνκέλα, εηθόλεο, θείκελν, κεηαδεδνκέλα αλαγγειίαο ππεξεζίαο). Ν όξνο αξρείν ρξεζηκνπνηείηαη γηα όια ηα αληηθείκελα πνπ κεηαδίδνληαη κε ην FLUTE (κε εμαίξεζε ηα FDT Instances). Νη εθαξκνγέο ηνπ UE πνπ βαζίδνληαη ζηελ download κέζνδν έρνπλ ηξεηο γεληθέο πξνζεγγίζεηο γηα λα ιακβάλνπλ αξρεία κε ρξήζε ηνπ FLUTE από κία ζύλνδν ζηελ νπνία έρνπλ εγγξαθεί: Γεληθή ιήςε: Εεηά από ην FLUTE λα ιάβεη ειεύζεξα όια ηα δηαζέζηκα αξρεία. Ζ γεληθή ιήςε κπνξεί λα είλαη θαηάιιειε γηα ζπλόδνπο κε πεξηνξηζκέλν αξηζκό θαη/ή κέγεζνο αξρείσλ, παξόηη ε αβεβαηόηεηα γηα ηελ πνηόηεηα θαη ην πεξηερόκελν ησλ αξρείσλ θαζηζηά απηή ηελ πξνζέγγηζε αλεπηζύκεηε. Ιήςε ελόο αληηγξάθνπ: Εεηά από ην FLUTE λα ιάβεη έλα αληίγξαθν από έλα ή πεξηζζόηεξα ζπγθεθξηκέλα αξρεία (ηα νπνία θαζνξίδνληαη από ην αλαγλσξηζηηθό fileuri) θαη πηζαλώο λα εγθαηαιείςνπλ ηε ζύλνδν κεηά ηελ νινθιήξσζε ηεο ιήςεο ησλ θαζνξηζκέλσλ αξρείσλ. Θαζνξίδνληαο ην αξρείν πξνο ιήςε εμαζθαιίδεηαη πσο ην UE έρεη έλα άλσ όξην ζηελ πνζόηεηα ησλ αξρείσλ πνπ κπνξεί λα ιάβεη. Ζ πξνζέγγηζε ηεο ιήςεο ελόο αληηγξάθνπ απαηηεί ηε γλώζε ηνπ αλαγλσξηζηηθνύ ησλ αξρείσλ (fileuris). Δλεκεξσκέλε ιήςε: Εεηά από ην FLUTE λα ιάβεη έλα ή πεξηζζόηεξα ζπγθεθξηκέλα αξρεία θαη λα ζπλερίζεη λα ιακβάλεη θάζε ελεκέξσζε απηώλ ησλ αξρείσλ. Όπσο θαη κε ηε ιήςε ελόο αληηγξάθνπ, ε πξνζέγγηζε ηεο ελεκεξσκέλεο ιήςεο θξάζζεη ηελ πνζόηεηα ησλ αξρείσλ πνπ κπνξεί λα ιεθζνύλ θαη απαηηεί ηε γλώζε ηνπ αλαγλσξηζηηθνύ ησλ αξρείσλ. Ππλήζσο γηα θάζε MBMS ζύλνδν ρξεζηκνπνηείηαη έλα FDT Instance, ζπλεπώο ζπλίζηαηαη πσο θάζε MBMS ζύλνδνο πξέπεη λα πεξηιακβάλεη κία ή πεξηζζόηεξεο επαλαιήςεηο ηνπ ίδηνπ FDT Instance. Γεληθά, νη MBMS πειάηεο θαη εμππεξεηεηέο πνπ ππνζηεξίδνπλ ηε κέζνδν MBMS download πξέπεη λα πινπνηνύλ ηηο πξνδηαγξαθέο ηνπ FLUTE,όπσο νξίδνληαη ζην [26], θαζώο επίζεο ηνπ ALC [27] θαη ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ LCT [28] πνπ θιεξνλνκεί ην FLUTE. Δπηπιένλ, αξθεηά πξναηξεηηθά θαη εθηεηακέλα ζέκαηα ηνπ FLUTE πξέπεη λα ππνζηεξίδνληαη, όπσο πεξηγξάθνληαη αλαιπηηθά ζην [23] Η Μέζνδνο Streaming Ν ζθνπόο ηεο MBMS streaming κεζόδνπ παξάδνζεο είλαη ε παξάδνζε ζπλερώλ πνιπκεζηθώλ δεδνκέλσλ (δειαδή θσλή, ήρν, video) πάλσ από έλαλ MBMS bearer. Δπίζεο, είλαη δπλαηή ε ρξήζε ηνπ MBMS streaming πάλσ ζε unicast bearer. Ζ κέζνδνο streaming ζπκπιεξώλεη ηελ download κέζνδν παξάδνζεο, ε νπνία απνηειείηαη από ηελ παξάδνζε ησλ αξρείσλ. Ζ κέζνδνο streaming είλαη ηδηαίηεξα ρξήζηκε γηα ηε multicast θαη broadcast κεηάδνζε πξνγξακκαηηζκέλνπ streaming πεξηερνκέλνπ Σο Πρωηόκολλο Μεηαθοράς Ρν Real-Time Transport Protocol (RTP) είλαη ην πξσηόθνιιν κεηαθνξάο γηα ηε κέζνδν MBMS streaming. Ρν RTP παξέρεη ηα κέζα γηα ηελ απνζηνιή πξαγκαηηθνύ Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 65

66 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS ρξόλνπ ή streaming δεδνκέλσλ πάλσ από ην UDP θαη ρξεζηκνπνηείηαη ήδε γηα ηε κεηαθνξά ζηελ ππεξεζία κεηαγσγήο παθέηνπ streaming (Packet-switched Streaming Service-PSS) ηνπ 3GPP. Δπίζεο, ην RTP παξέρεη ην RTP Control Protocol (RTCP) γηα παξνρή αλάδξαζεο ζρεηηθά κε ηελ πνηόηεηα ηεο κεηάδνζεο τήμαηα ηοσ RTP Payload για Πολσμέζα Νη δηαθνξεηηθνί ηύπνη ηνπ RTP payload πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη από ηε κέζνδν MBMS streaming έρνπλ πάξα πνιιά θνηλά ζηνηρεία κε ηνπο ηύπνπο πνπ νξίδνληαη γηα ηελ ππεξεζία PSS ζην [30]. Γηα ηε κεηαθνξά RTP/UDP/IP ξνώλ ζπλερώλ πνιπκέζσλ πξέπεη λα ρξεζηκνπνηνύληαη νη αθόινπζνη ηύπνη RTP payload: Ν ηύπνο RTP payload ηνπ θσδηθνπνηεηή θσλήο ζηελνύ εύξνπο δώλεο AMR ζύκθσλα κε ην [31]. Έλαο ρξήζηεο MBMS δελ απαηηείηαη λα ππνζηεξίδεη ζπλόδνπο πνιιαπιώλ θαλαιηώλ. Ν ηύπνο RTP payload ηνπ θσδηθνπνηεηή θσλήο επξείαο δώλεο AMR ζύκθσλα κε ην [31]. Έλαο ρξήζηεο MBMS δελ απαηηείηαη λα ππνζηεξίδεη ζπλόδνπο πνιιαπιώλ θαλαιηώλ. Ν ηύπνο RTP payload ηνπ επεθηεηακέλνπ θσδηθνπνηεηή επξείαο δώλεο AMR ζύκθσλα κε ην [32]. Ν ηύπνο RTP payload ηνπ βειηησκέλνπ aacplus θσδηθνπνηεηή ζύκθσλα κε ην [33] θαη ζπγθεθξηκέλα ηνπ ρακεινύ Bit-Rate AAC ή ηνπ πςεινύ Bit-Rate AAC. Ν ηύπνο RTP payload ηνπ θσδηθνπνηεηή video Ζ.264 (AVC) ζύκθσλα κε ην [34]. Ν ηύπνο RTP payload ηνπ κεραληζκνύ Dynamic and Interactive Multimedia Scenes (DIMS) ζύκθσλα κε ην [35]. Ν ηύπνο RTP payload ηνπ κεραληζκνύ ρξνλνζπγρξνληζκέλνπ θεηκέλνπ ζύκθσλα κε ην [36] Μητανιζμός FEC για ηο RTP Ζ ρξήζε ελόο κεραληζκνύ MBMS FEC από ηνλ απνζηνιέα ζπλίζηαηαη από ην 3GPP, όκσο επηηξέπεηαη λα κελ εθαξκνζηεί. Έλα UE πνπ ππνζηεξίδεη ππεξεζίεο MBMS ζα πξέπεη λα δηαζέηεη έλαλ απνθσδηθνπνηεηή γηα ην πξνηεηλόκελν ζρήκα MBMS FEC. Πηελ πεξίπησζε πνπ δελ πηνζεηείηαη ε ρξήζε ηνπ FEC από ηνλ απνζηνιέα, ην επίπεδν ηνπ FEC ζηε ζηνίβα πξσηνθόιισλ δελ ζα πξέπεη λα ρξεζηκνπνηείηαη, δειαδή ηα RTP παθέηα ζα πξέπεη λα αλαηίζεληαη θαηεπζείαλ ζε UDP ξνέο. Ρν πξνηεηλόκελν MBMS FEC ζρήκα από ην 3GPP πεξηγξάθεηαη αλαιπηηθά ζε επόκελν θεθάιαην. Πηελ παξνύζα παξάγξαθν πεξηγξάθεηαη απιά έλαο γεληθόο κεραληζκόο γηα ηελ εθαξκνγή ηνπ FEC πάλσ ζε streaming πνιπκέζα. Ν κεραληζκόο FEC απνηειείηαη από ηξία βήκαηα: i. Ρελ θαηαζθεπή ελόο FEC πεγαίνπ block (source block) από ηα παθέηα πνιπκέζσλ πνπ αλήθνπλ ζε κία ή πεξηζζόηεξεο UDP ξνέο παθέησλ γηα έλα ζπγθεθξηκέλν ηκήκα ηνπ stream ζην ρξόλν. Νη UDP ξνέο πεξηιακβάλνπλ RTP, RTCP, SRTP θαη MICKEY παθέηα. 66 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

67 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS ii. iii. Ρελ ηξνπνπνίεζε ησλ πεγαίσλ παθέησλ γηα λα ππνδεηθλύεηαη ε ζέζε ησλ πεγαίσλ δεδνκέλσλ από ην πεγαίν παθέην κέζα ζε έλα πεγαίν block. Ρνλ νξηζκό ησλ παθέησλ επηζθεπήο, ηα νπνία απνζηέιινληαη κε ην UDP, θαη κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ από ηνλ απνθσδηθνπνηεηή FEC γηα λα αλαθαηαζθεπάζνπλ ηα ρακέλα ηκήκαηα ηνπ πεγαίνπ block. Ν κεραληζκόο δελ ζέηεη θαλέλα πεξηνξηζκό πάλσ ζηα δεδνκέλα ηα νπνία κπνξνύλ λα πξνζηαηεπζνύλ καδί, εθηόο από ην γεγνλόο πσο ηα δεδνκέλα πξέπεη λα κεηαθέξνληαη από UDP ξνέο. Αθόκα ηα δεδνκέλα πνπ πξνζηαηεύνληαη καδί κπνξεί λα πξνέξρνληαη από δηαθνξεηηθέο UDP ξνέο. Έλαο παξαιήπηεο πνπ ππνζηεξίδεη ηε κέζνδν streaming πξέπεη λα ππνζηεξίδεη ηνλ ηύπν παθέησλ ησλ FEC πεγαίσλ παθέησλ, θαζώο θαη ησλ FEC παθέησλ επηζθεπήο. Πηελ πιεπξά ηνπ απνζηνιέα, ε ιεηηνπξγία ηνπ κεραληζκνύ μεθηλά κε ηελ επεμεξγαζία ησλ UDP παθέησλ γηα λα δεκηνπξγήζεη: i. Έλα αληίγξαθν ησλ αξρηθώλ παθέησλ, ην νπνίν απνζεθεύεηαη, κε ηε κνξθή ελόο πεγαίνπ block θαη ii. Ρα FEC πεγαία παθέηα γηα λα κεηαδνζνύλ ζηνλ παξαιήπηε. Αθνύ δεκηνπξγήζεη ην πεγαίν block από ηα αξρηθά UDP payloads πνπ ζα πξνζηαηεπζνύλ καδί θαη ην αλαγλσξηζηηθό ξνήο ηνπο (βάζεη ηεο IP δηεύζπλζεο πξννξηζκνύ θαη ηεο ζύξαο UDP), ν θσδηθνπνηεηήο FEC παξάγεη ηελ επηζπκεηή πνζόηεηα δεδνκέλσλ πξνζηαζίαο, δειαδή. ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια (encoding symbols). Πηε ζπλέρεηα, απηά ηα ζύκβνια επηζθεπήο (repair symbols) απνζηέιινληαη ζηνλ παξαιήπηε ρξεζηκνπνηώληαο ηνλ ηύπν παθέηνπ επηζθεπήο. Ρα FEC παθέηα επηζθεπήο απνζηέιινληαη ζε κία ζύξα UDP δηαθνξεηηθή από ηηο UDP ζύξεο ησλ αξρηθώλ UDP παθέησλ, όπσο ελδείθλπηαη από ηε ζεκαηνδνζία. Ν παξαιήπηεο αλαθηά ηα αξρηθά παθέηα θαηεπζείαλ από ηα FEC πεγαία παθέηα θαη ηα απνζεθεύεη πξνζσξηλά, ην ιηγόηεξν γηα έλα ηθαλό ρξνληθό δηάζηεκα, ώζηε λα πξαγκαηνπνηεζεί ε δηαδηθαζία επηζθεπήο ηνπ FEC. Ν παξαιήπηεο ρξεζηκνπνηεί ηα FEC πεγαία παθέηα γηα λα θαηαζθεπάζεη έλα (πηζαλώο εκηηειέο) αληίγξαθν ηνπ πεγαίνπ block, ρξεζηκνπνηώληαο ην αλαγλσξηζηηθό (ID) ηνπ πεγαίνπ FEC payload θάζε παθέηνπ γηα λα θαζνξίζεη ζε πνην ηκήκα ηνπ πεγαίνπ block πξέπεη λα ηνπνζεηεζεί ην παθέην. Ρν αλαγλσξηζηηθό ηεο UDP ξνήο (διδ. ε IP δηεύζπλζε πξννξηζκνύ θαη ν αξηζκόο ηεο ζύξαο UDP), ζηελ νπνία αλήθεη ην παθέην, πεξηιακβάλεηαη ζην πεγαίν block κε ην UDP payload. Δάλ θάπνηα FEC πεγαία παθέηα έρνπλ ραζεί, αιιά έρεη ιεθζεί έλαο επαξθήο αξηζκόο FEC πεγαίσλ θαη FEC επηζθεπήο παθέησλ, κπνξεί λα εθηειεζηεί ε FEC απνθσδηθνπνίεζε γηα λα αλαθηεζεί ην FEC πεγαίν block. Πηε ζπλέρεηα, ηα payloads θαη ηα αλαγλσξηζηηθά ξνήο ησλ UDP παθέησλ κπνξνύλ λα εμαρζνύλ από ην πεγαίν block θαη λα πξνσζεζνύλ ζην παξαπάλσ επίπεδν. Δάλ δελ έρνπλ ιεθζεί αξθεηά FEC πεγαία θαη FEC επηζθεπήο παθέηα, ηόηε είλαη δηαζέζηκα κόλν ηα αξρηθά παθέηα πνπ έρνπλ ιεθζεί ζαλ FEC πεγαία παθέηα θαη ηα ππόινηπα από ηα αξρηθά παθέηα έρνπλ νξηζηηθά ραζεί. Ρα αλαγλσξηζηηθά (IDs) ησλ πεγαίσλ θαη επηζθεπήο payloads ρξεζηκνπνηνύληαη γηα λα ζπζρεηηζηνύλ ηα αληίζηνηρα FEC πεγαία θαη FEC επηζθεπήο παθέηα κε έλα πεγαίν block. Ζ κνξθή ηνπ FEC πεγαίνπ θαη FEC επηζθεπήο payload νξίδεηαη από ην ζρήκα FEC πνπ ρξεζηκνπνηείηαη. Θάζε ζρήκα FEC ραξαθηεξίδεηαη από έλα αλαγλσξηζηηθό (ID) FEC θσδηθνπνίεζεο. Πε επόκελν θεθάιαην αλαιύεηαη δηεμνδηθά Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 67

68 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS ην πξνηεηλόκελν ζρήκα FEC γηα ηηο ππεξεζίεο MBMS streaming. Γεληθά, θάζε ζρήκα FEC πνπ ρξεζηκνπνηεί ηε δνκή παθέηνπ πνπ νξίδεηαη ζηηο πξνδηαγξαθέο ηνπ 3GPP πξέπεη λα είλαη έλα ζρήκα ζπζηεκαηηθνύ FEC θώδηθα θαη κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεί δηαθνξεηηθνύο ηύπνπο FEC payload αλαγλσξηζηηθνύ (ID) γηα ηα FEC πεγαία θαη FEC επηζθεπήο παθέηα. Ζ ιεηηνπξγία ηνπ κεραληζκνύ FEC ελζσκαησκέλνπ ζηε ζηνίβα πξσηνθόιισλ ησλ ππεξεζηώλ MBMS streaming παξνπζηάδεηαη ζρεκαηηθά ζηελ Δηθόλα 22. Δηθόλα 22. Ο Μεραληζκόο FEC ηεο MBMS Streaming Μεηάδνζεο. Ζ Δηθόλα 22 ππνδεηθλύεη πσο κία ή πεξηζζόηεξεο πηζαλέο ξνέο παθέησλ δηαθνξεηηθώλ ηύπσλ (ήρνπ, video, DIMS, RTP, θ.ά.) πξνσζνύληαη ζην επίπεδν ηνπ FEC γηα λα πξνζηαηεπζνύλ. Ρα πεγαία παθέηα ηξνπνπνηνύληαη γηα λα κεηαθέξνπλ θαη ην FEC payload αλαγλσξηζηηθό (ID) θαζώο επίζεο παξάγεηαη θαη κία λέα ξνή δεδνκέλσλ επηζθεπήο. Ν παξαιήπηεο ιακβάλεη ηα πεγαία θαη επηζθεπήο παθέηα θαη ηα απνζεθεύεη πξνζσξηλά ώζηε λα εθηειέζεη ηελ FEC απνθσδηθνπνίεζε, εάλ είλαη απαξαίηεηε. Κεηά ην θαηάιιειν ρξόλν πξνζσξηλήο απνζήθεπζεο, ηα ιεθζέληα θαη αλαθηεκέλα πεγαία παθέηα πξνσζνύληαη ζηα πςειόηεξα επίπεδα ηεο ζηνίβαο Δομή ηων FEC Πηγαίων Πακέηων Ζ δνκή γηα ηα FEC πεγαία παθέηα πνπ πεξηγξάθεηαη παξαθάησ, πξέπεη λα ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ ελζπιάθσζε ησλ αξρηθώλ UDP παθέησλ. Όπσο παξνπζηάδεηαη θαη ζηελ Δηθόλα 23, απνηειείηαη από ηε δνκή ηνπ αξρηθνύ UDP παθέηνπ, αθνινπζνύκελν από ην αλαγλσξηζηηθό (ID) ηνπ FEC πεγαίνπ payload. 68 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

69 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Δηθόλα 23. Γνκή ησλ FEC Πεγαίσλ Παθέησλ. Ζ IP δηεύζπλζε πξννξηζκνύ θαη ε ζύξα UDP πξέπεη λα νξίδνληαη όπσο ελδείθλπηαη ζηε ζεκαηνδνζία ειέγρνπ ηεο ζπλόδνπ. Απηό εμαζθαιίδεη πσο ν παξαιήπηεο κπνξεί λα θαζνξίζεη πνηα πξσηόθνιια θαη FEC payload αλαγλσξηζηηθά (ID) ρξεζηκνπνηνύληαη γηα ηελ εθάζηνηε ξνή. Ρα ππόινηπα πεδία ησλ IP θαη UDP επηθεθαιίδσλ πξέπεη λα νξίδνληαη αλάινγα κε ηηο πξνδηαγξαθέο ηνπο Δομή ηων FEC Πακέηων Επιζκεσής Ζ δνκή παθέηνπ ησλ FEC παθέησλ επηζθεπήο κεηαθέξεη ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια πνπ παξάγνληαη από ηε FEC δηαδηθαζία θσδηθνπνίεζεο, ζαλ ην payload ηνπ παθέηνπ. Ζ δνκή ελόο FEC παθέηνπ επηζθεπήο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 24. Ρν UDP payload απνηειείηαη από ην αλαγλσξηζηηθό (ID) ηνπ FEC επηζθεπήο payload θαη θαλέλα, έλα ή πεξηζζόηεξα ζύκβνια επηζθεπήο. Δηθόλα 24. Γνκή ησλ FEC Παθέησλ Δπηζθεπήο Δομή ηοσ FEC Πηγαίοσ Block Έλα FEC πεγαίν block πξέπεη λα πεξηιακβάλεη ηνπιάρηζηνλ έλα πιήξεο payload ελόο UDP παθέηνπ (εμαηξώληαο δειαδή ηηο IP θαη UDP επηθεθαιίδεο) θαη ηξεηο Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 69

70 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS ζπζηάδεο ησλ 8 bits (octets) θαζνξίδνληαο ηε UDP ξνή από ηελ νπνία πξνέξρεηαη ην παθέην θαζώο θαη ην κήθνο ηνπ UDP παθέηνπ. Όηαλ ην αξρηθό UDP παθέην ηνπνζεηείηαη κέζα ζην πεγαίν block, ε ηηκή ηνπ αλαγλσξηζηηθνύ ηεο ξνήο UDP, αθνινπζνύκελε από ηελ ηηκή ηνπ κήθνπο ηνπ UDP payload, απνζεθεύνληαη ζαλ έλα θαη δύν bytes αληίζηνηρα ζηα πξώηα δηαζέζηκα bytes ηνπ πεγαίνπ block, αθνινπζνύκελα από ην payload ηνπ UDP παθέηνπ (διδ. ρσξίο ηηο IP/UDP επηθεθαιίδεο). Κεηά από απηό, εάλ ην επόκελν δηαζέζηκν byte δελ είλαη ην πξώην byte ελόο λένπ ζπκβόινπ, ηόηε ηα bytes, κέρξη ηελ αξρή ηνπ επόκελνπ ζπκβόινπ, ζπκπιεξώλνληαη κε ηελ ηηκή 0 (padding). Κέρξηο όηνπ λα κελ ππάξμεη θάπνην λέν δηαζέζηκν πεγαίν UDP παθέην γηα λα ηνπνζεηεζεί ζην πεγαίν block, ε δηαδηθαζία απηή επαλαιακβάλεηαη, μεθηλώληαο κε ην αλαγλσξηζηηθό θάζε UDP ξνήο ηνπνζεηεκέλν ζηελ αξρή ηνπ θάζε θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ. Έλα παξάδεηγκα θαηαζθεπήο ελόο πεγαίνπ block δίλεηαη ζηελ Δηθόλα 25. Πε απηό ην παξάδεηγκα, ηξία UDP παθέηα κήθνπο 26, 52 θαη 103 bytes ηνπνζεηνύληαη ζε έλα πεγαίν block κε ην κέγεζνο θάζε ζπκβόινπ νξηζκέλν ζηα 16 bytes. Ρα δύν πξώηα παθέηα πξνέξρνληαη από ηε UDP ξνή 0 θαη ην ηξίην παθέην από ηε UDP ξνή 1. Θάζε θειί ηεο Δηθόλα 25 είλαη έλα byte θαη νη γξακκέο ζπκβνιίδνπλ ηα πεγαία ζύκβνια (source symbols). Θάζε B i,j ζπκβνιίδεη ην (j+1)-νζηό byte ηνπ (i+1)-νζηνύ UDP παθέηνπ. Δηθόλα 25. Έλα Πεγαίν Block Απνηεινύκελν από 3 UDP Παθέηα Μήθνπο 26, 52 θαη 103 Bytes Περιγραθή ηης Streaming σνόδοσ Ρν Session Description Protocol (SDP) παξέρεηαη γηα ηελ πεξηγξαθή κίαο streaming ζπλόδνπ, κέζσ κίαο δηαδηθαζίαο αλαθάιπςεο ζηνλ MBMS ρξήζηε. Ρν SDP πεξηγξάθεη κία ή πεξηζζόηεξεο RTP ζπλόδνπο, νη νπνίεο απνηεινύλ κέξνο κίαο MBMS streaming ζπλόδνπ. Ρν SDP πξέπεη λα ρξεζηκνπνηείηαη ζύκθσλα κε ην [37]. Νη παξάκεηξνη πεξηγξαθήο ζπλόδνπ κίαο MBMS streaming ζπλόδνπ πξέπεη λα πεξηιακβάλνπλ: 70 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

71 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Ρελ IP δηεύζπλζε ηνπ απνζηνιέα. Ρν πιήζνο ησλ πνιπκέζσλ ηεο ζπλόδνπ. Ρελ IP δηεύζπλζε πξννξηζκνύ θαη ηνλ αξηζκό ηεο ζύξαο γηα θάζε κία θαη γηα όιεο ηηο RTP ζπλόδνπο ηεο MBMS streaming ζπλόδνπ. Ρε ρξνληθή ζηηγκή έλαξμεο θαη ιήμεο ηεο ζπλόδνπ. Ρν αλαγλσξηζηηθό (ID) ηνπ πξσηνθόιινπ (π.ρ. RTP/AVP). Ρνπο ηύπνπο ησλ πνιπκέζσλ. Ρν ξπζκό κεηάδνζεο δεδνκέλσλ, ρξεζηκνπνηώληαο ηνπο θαηάιιεινπο SDP ηξνπνπνηεηέο εύξνπο δώλεο. Ρε ιεηηνπξγία ηνπ MBMS bearer αλά πνιπκεζηθή ξνή. Ρε δηακόξθσζε ηνπ κεραληζκνύ FEC θαη ηηο ζρεηηθέο παξακέηξνπο ηνπ. Ρε γιώζζα(εο) ηεο θάζε ππεξεζίαο πνιπκέζσλ. Κεηξηθέο Quality of Experience (QoE). 3.7 πκπιεξσκαηηθέο Λεηηνπξγίεο ησλ Μεζόδσλ Παξάδνζεο Νη ζπκπιεξσκαηηθέο ιεηηνπξγίεο πνπ ζρεηίδνληαη κε ηηο κεζόδνπο παξάδνζεο δεδνκέλσλ, γεληθά αλαθέξνληαη ζε δηαδηθαζίεο πνπ εθηεινύληαη πξηλ, θαηά ηε δηάξθεηα ή κεηά ηε θάζε κεηάδνζεο ησλ MBMS δεδνκέλσλ. Ξαξέρνπλ βνεζεηηθά ραξαθηεξηζηηθά ζηηο MBMS ππεξεζίεο, δξώληαο αλεμάξηεηα ή ζε ζπλεξγαζία κε ηηο MBMS κεζόδνπο κεηάδνζεο θαη ηηο ζπλόδνπο. Νη ιεηηνπξγίεο απηέο, νη νπνίεο επηηξέπεηαη λα εθηειεζηνύλ κόλν κεηά ηε θάζε MBMS κεηάδνζεο δεδνκέλσλ ραξαθηεξίδνληαη σο ιεηηνπξγίεο κεηά-ηελ-παξάδνζε (post-delivery). Ξαξόηη ε ππεξεζία MBMS παξέρεη γεληθέο θαη επεθηάζηκεο ηερληθέο γηα έλα κεγάιν εύξνο ζπκπιεξσκαηηθώλ ιεηηνπξγηώλ πνπ κπνξνύλ λα εθηεινύληαη πξηλ ή θαηά ηε δηάξθεηα ηεο θάζεο κεηάδνζεο, νη δύν βαζηθόηεξεο ζπκπιεξσκαηηθέο ιεηηνπξγίεο αθνξνύλ post-delivery δηαδηθαζίεο θαη είλαη νη δηαδηθαζίεο ηεο επηζθεπήο αξρείνπ θαη ηεο αλαθνξάο ιήςεο πεξηερνκέλνπ. Απηέο νη ιεηηνπξγίεο ελεξγνπνηνύληαη, εγθαζηζηώληαο κία point-to-point ζύλδεζε θαη ρξεζηκνπνηώληαο ηηο παξακέηξνπο ηεο MBMS ζπλόδνπ. Γηα λα απνθεπρζεί ε ζπκθόξεζε ηνπ δηθηύνπ, ηόζν ζην uplink όζν θαη ζην downlink, θαη επίζεο γηα λα πξνζηαηεπζνύλ νη εμππεξεηεηέο από θαηαζηάζεηο ππεξθόξησζεο, νη ζρεηηθέο ιεηηνπξγίεο από δηαθνξεηηθά MBMS UEs πξέπεη λα επηκεξίδνληαη ζην ρξόλν θαη ζηα δηάθνξα ζηνηρεία ηνπ δηθηύνπ. Γεληθά, νη MBMS download παξαιήπηεο πξέπεη λα ππνζηεξίδνπλ ηε ιεηηνπξγία ηεο επηζθεπήο αξρείνπ θαζώο θαη ηε ιεηηνπξγία ηεο αλαθνξάο ιήςεο, ελώ νη MBMS streaming παξαιήπηεο πξέπεη λα ππνζηεξίδνπλ κόλν ηε δηαδηθαζία αλαθνξάο ιήςεο Λεηηνπξγία Δπηζθεπήο Αξρείνπ Ν ζθνπόο ηεο ιεηηνπξγίαο επηζθεπήο αξρείνπ είλαη λα επηζθεπάζεη ρακέλα ή θαηεζηξακκέλα ηκήκαηα ελόο αξρείνπ ηεο MBMS download κεηάδνζεο. Πε multicast/broadcast πεξηβάιινληα ε δπλαηόηεηα θιηκάθσζεο γίλεηαη έλα πνιύ ζεκαληηθό δήηεκα όζν ην πιήζνο ησλ MBMS ρξεζηώλ απμάλεηαη. Γεληθά, πξέπεη λα απνθεπρζνύλ ηξία πξνβιήκαηα: Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 71

72 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS Ζ πιεκκύξα ιόγσ αλάδξαζεο όηαλ έλα κεγάιν πιήζνο MBMS ρξεζηώλ δεηά ηαπηόρξνλα ηελ ελεξγνπνίεζε ηεο επηζθεπήο αξρείνπ. Απηό ζα πξνθαιέζεη ζπκθόξεζε ζηελ θαηεύζπλζε ηνπ uplink. Δκθάληζε ζπκθόξεζεο ζην downlink θαλάιη όηαλ κεηαθέξνληαη ηα δεδνκέλα επηζθεπήο αξρείνπ, ζαλ απνηέιεζκα ηεο πξνεγνύκελεο θαηάζηαζεο. πεξθόξησζε ηνπ εμππεξεηεηή ηεο επηζθεπήο αξρείνπ, ε νπνία πξνθαιείηαη πάιη από ηελ εηζεξρόκελε θαη εμεξρόκελε θίλεζε ιόγσ ησλ αηηεκάησλ πνπ θζάλνπλ ζηνλ εμππεξεηεηή από ηνπο ρξήζηεο θαη ηεο απόθξηζεο ηνπ εμππεξεηεηή ζε απηά. Ρα ηξία απηά πξνβιήκαηα ζρεηίδνληαη άκεζα κεηαμύ ηνπο θαη πξέπεη λα αληηκεησπηζηνύλ ηαπηόρξνλα, έηζη ώζηε λα εμαζθαιηζηεί κία θιηκαθσηή θαη απνδνηηθή ιύζε. Ζ βαζηθή αξρή ηεο ιύζεο είλαη ν επηκεξηζκόο ησλ αηηεκάησλ επηζθεπήο αξρείνπ ζην ρξόλν θαη ζε πνιιαπινύο εμππεξεηεηέο. Ν MBMS ρξήζηεο: 1. Θαζνξίδεη ηε ιήμε ηεο κεηάδνζεο ησλ αξρείσλ ή ησλ ζπλόδσλ. 2. Θαζνξίδεη ηα ρακέλα δεδνκέλα κίαο MBMS ιήςεο. 3. πνινγίδεη κία ηπραία ρξνληθή ηηκή θαη επηιέγεη έλαλ εμππεξεηεηή επηζθεπήο αξρείνπ ηπραία από κία ιίζηα. 4. Πηέιλεη έλα κήλπκα αηηήκαηνο επηζθεπήο ζηνλ επηιεγκέλν εμππεξεηεηή ηελ ππνινγηζκέλε ρξνληθή ζηηγκή. Πηε ζπλέρεηα ν εμππεξεηεηήο επηζθεπήο αξρείνπ απνθξίλεηαη κε έλα κήλπκα απόθξηζεο επηζθεπήο, ην νπνίν είηε πεξηέρεη ηα δεδνκέλα πνπ δεηήζεθαλ, παξαπέκπνληαο ην ρξήζηε ζε κία MBMS download ζύλνδν ή πξνο έλαλ άιιν εμππεξεηεηή, είηε ελαιιαθηηθά πεξηγξάθεη ζην ρξήζηε κία θαηάζηαζε ζθάικαηνο Λεηηνπξγία Αλαθνξάο Λήςεο Κεηά από κία επηηπρεκέλε ιήςε πεξηερνκέλνπ, είηε κέζσ MBMS bearers, είηε κέζσ unicast bearers, είηε κέζσ ζπλδπαζκνύ point-to-multipoint θαη point-to-point bearers, κπνξεί λα μεθηλήζεη από έλα MBMS UE κία δηαδηθαζία αλαθνξάο ιήςεο κε πξννξηζκό ην BM-SC. Γηα ηε κέζνδν download, ε αλαθνξά ιήςεο ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ αλαθνξά ηεο νινθιήξσζεο ιήςεο ελόο ή πεξηζζόηεξσλ αξρείσλ. Γηα ηε κέζνδν streaming, ε αλαθνξά ιήςεο ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ αλαθνξά ζηαηηζηηθώλ ζηνηρείσλ ζρεηηθώλ κε ηε κεηάδνζε. Δάλ νη παξάκεηξνη ιεηηνπξγίαο ηνπ BM-SC απαηηνύλ ηελ επηβεβαίσζε κίαο ιήςεο, ηόηε ν MBMS παξαιήπηεο πξέπεη λα επηβεβαηώζεη ηε ιήςε. Δάλ ε αλαθνξά ιήςεο απαηηείηαη γηα ζηαηηζηηθνύο ζθνπνύο, ην BM-SC κπνξεί λα θαζνξίζεη ην πνζνζηό ησλ ρξεζηώλ πνπ ζα ζπκκεηέρνπλ ζηε δηαδηθαζία αλαθνξάο. 3.8 Η Λεηηνπξγία MBSFN Πηα πιαίζηα εμέιημεο ηεο ππεξεζίαο MBMS, ην ζύζηεκα LTE πξνζθέξεη ηε δπλαηόηεηα ε broadcast/multicast κεηάδνζε ησλ πνιπκεζηθώλ ππεξεζηώλ λα γίλεηαη πάλσ από δίθηπν κίαο ζπρλόηεηαο (Single Frequency Network-SFN), όπνπ κόλν κία ρξνλνζπγρξνληζκέλε θπκαηνκνξθή κεηαδίδεηαη από πνιιαπιέο θπςέιεο γηα κία ζπγθεθξηκέλε ρξνληθή δηάξθεηα. Ζ ππεξεζία MBMS έρεη εμειηρζεί ζηελ ππεξεζία embms (ην e αλαθέξεηαη ζην εμειηγκέλν (evolved)), ζθνπεύνληαο ζηελ παξνρή 72 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

73 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS broadcast θαη multicast ππεξεζηώλ ζπλδπάδνληαο πξνζαξκνζηηθόηεηα θαη πςειή απόδνζε ζην πεδίν ηεο ζπρλόηεηαο. Απηό επηηπγράλεηαη κέζσ ηεο απμεκέλεο απόδνζεο ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο, πεξηιακβάλνληαο έλα λέν ζρήκα κεηάδνζεο πνπ νλνκάδεηαη Multimedia Broadcast multicast service over a Single Frequency Network (MBSFN) [38]. Θαηά ηελ MBSFN ιεηηνπξγία, ηα MBMS δεδνκέλα κεηαδίδνληαη ηαπηόρξνλα από πνιιαπιέο, ηζρπξά ρξνλνζπγρξνληζκέλεο θπςέιεο. Κία νκάδα από ηέηνηεο θπςέιεο πνπ πξόθεηηαη λα ιάβνπλ ηα MBSFN δεδνκέλα απνηεινύλ κία MBSFN πεξηνρή. Όιεο νη θπςέιεο κέζα ζε κία MBSFN πεξηνρή ζπλεηζθέξνπλ ζηελ MBSFN κεηάδνζε θαη γλσζηνπνηνύλ ηε δηαζεζηκόηεηα ηεο ππεξεζίαο. Έλα UE ζα ιάβεη πνιιαπιέο εθδόζεηο ηνπ κεηαδηδόκελνπ ζήκαηνο κε δηαθνξεηηθέο θαζπζηεξήζεηο, ιόγσ ηεο κεηάδνζεο από πνιιαπιέο θπςέιεο. Απνηέιεζκα απηνύ, είλαη ε πιεπξά ηνπ UE λα αληηιακβάλεηαη ηε κεηάδνζε ζαλ κεηάδνζε ζε κία κεγάιε θπςέιε θαη λα αληηκεησπίδεη ηηο πνιιαπιέο κεηαδόζεηο, όπσο ηα θαηλόκελα πνιπδηόδεπζεο πνπ παξαηεξνύληαη θαηά ηε κεηάδνζε ζε κία θπςέιε. Ρν UE δε ρξεηάδεηαη θαλ λα γλσξίδεη πόζεο θπςέιεο κεηαδίδνπλ ην ζήκα. Δηθόλα 26. Η Αύμεζε ζηε Φαζκαηηθή Απόδνζε ηεο MBSFN Λεηηνπξγίαο. Ζ ιεηηνπξγία ηεο MBSFN κεηάδνζεο νδεγεί ζε ζεκαληηθή βειηίσζε ηεο θαζκαηηθήο απόδνζεο ζε ζύγθξηζε κε ηελ MBMS κεηάδνζε κίαο θπςέιεο, θαζώο ε MBSFN κεηάδνζε εληζρύεη πνιύ ην ιόγν ζήκαηνο πξνο ζόξπβν θαη παξεκβνιή (Signal to Interference Noise Ratio-SINR). Ρν γεγνλόο απηό είλαη ηδηαίηεξα επεξγεηηθό ζηα όξηα κίαο θπςέιεο, όπνπ νη κεηαδόζεηο (νη νπνίεο ζηελ MBMS Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 73

74 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS κεηάδνζε κίαο θπςέιεο ιακβάλνληαη ζαλ παξεκβνιή κεηαμύ θπςειώλ) ιακβάλνληαη ζαλ σθέιηκε ηζρύο ζήκαηνο θαη ζπλεπώο ε ηζρύο ηνπ ιακβαλόκελνπ ζήκαηνο απμάλεηαη [39]. Γεληθά ην MBSFN πξνζθέξεη θαιύηεξε απόδνζε ζε ζύγθξηζε κε ηηο θιαζηθέο point-to-point ή point-to-multipoint κεηαδόζεηο [40]. Δπηπιένλ, ε απόδνζε ηεο MBSFN κεηάδνζεο εμαξηάηαη από ην πιήζνο ησλ θπςειώλ πνπ κεηαδίδνπλ ηελ MBSFN ππεξεζία. Ππγθεθξηκέλα, έρεη απνδεηρζεί πσο ε απόδνζε ηνπ MBSFN απμάλεηαη δξαζηηθά όηαλ εθηόο από ηηο θπςέιεο πνπ πεξηέρνπλ ρξήζηεο, γεηηνληθέο θπςέιεο ζπλεπηθνπξνύλ θαη απηέο ζηε κεηάδνζε [41]. Ππλνιηθά ε βειηίσζε ηεο θαζκαηηθήο απόδνζεο ηεο MBSFN ιεηηνπξγίαο, ζε ζρέζε κε ηελ MBMS κεηάδνζε κίαο θπςέιεο θαη ζε ζρέζε κε ηελ αύμεζε ησλ γεηηνληθώλ θπςειώλ παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 26. Ζ αξρηηεθηνληθή ηεο embms ππεξεζίαο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 27. Ζ λέα δηθηπαθή νληόηεηα, ζε ζρέζε κε ηελ αξρηηεθηνληθή ηεο LTE MBMS ππεξεζίαο, είλαη ην Multi-cell/multicast Coordination Entity (MCE), ην νπνίν είλαη ππεύζπλν γηα ην ζπγρξνληζκό ηεο κεηάδνζεο από δηαθνξεηηθέο θπςέιεο. Ρν MCE αλαιακβάλεη ηε δηάζεζε ησλ ίδησλ αζύξκαησλ πόξσλ, νη νπνίνη ρξεζηκνπνηνύληαη από όια ηα enbs ηεο MBSFN πεξηνρήο γηα ηελ MBMS κεηάδνζε πνιιαπιώλ θπςειώλ. Ρέινο, εθηόο από ηε δέζκεπζε ησλ πόξσλ, ην MCE είλαη επίζεο ππεύζπλν γηα ηε ξύζκηζε ηεο αζύξκαηεο κεηάδνζεο (π.ρ. επηινγή ηνπ ζρήκαηνο δηακόξθσζεο θαη θσδηθνπνίεζεο). Δηθόλα 27. Η embms Αξρηηεθηνληθή. 3.9 MBMS Πεξηβάιινληα Μεηάδνζεο Κία γεσγξαθηθή πεξηνρή ελόο δηθηύνπ πνπ ππνζηεξίδεη ηελ ππεξεζία MBMS νλνκάδεηαη πεξηνρή MBMS ππεξεζίαο. Κία γεσγξαθηθή πεξηνρή όπνπ όια ηα enbs κπνξνύλ λα ζπγρξνληζηνύλ θαη λα εθηειέζνπλ MBSFN κεηαδόζεηο νλνκάδεηαη πεξηνρή MBSFN ζπγρξνληζκνύ. Κέζα ζε κία πεξηνρή MBSFN ζπγρξνληζκνύ, έλα ζύλνιν από θπςέιεο πνπ είλαη ζπγρξνληζκέλεο γηα κία MBSFN κεηάδνζε νλνκάδεηαη MBSFN πεξηνρή. Πρεκαηηθά θάπνηα πηζαλά ζελάξηα γηα δηαθνξεηηθά πεξηβάιινληα κεηάδνζεο MBMS παξνπζηάδνληαη ζηελ Δηθόλα 28. Ππγθεθξηκέλα, παξνπζηάδεηαη ε 74 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

75 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 3: Ζ πεξεζία MBMS πεξηνρή ηνπ ζπλόινπ 1 (Group 1) όπνπ πεξηιακβάλεη κία αλεμάξηεηε θπςέιε όπνπ ππνζηεξίδεηαη MBMS κεηάδνζε κίαο θπςέιεο θαη ηα ππόινηπα MBSFN ζύλνια όπνπ παξνπζηάδνληαη δηαθνξεηηθά ζελάξηα MBSFN κεηαδόζεσλ. Δηθόλα 28. Γηαθνξεηηθά Πεξηβάιινληα MBMS Μεηάδνζεο. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 75

76

77 Θ Δ Φ Α Ι Α Η Ν 4 : F E C & Ν Η Θ Υ Γ Η Θ Δ Π R A P T O R

78

79 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor FEC & ΟΙ ΚΩΓΙΚΔ RAPTOR Ρν Forward Error Correction (FEC) είλαη κία κέζνδνο ειέγρνπ ιαζώλ, ε νπνία κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα λα ππνζηεξίμεη ή θαη λα αληηθαηαζηήζεη άιιεο κεζόδνπο πνπ πξνζθέξνπλ αμηόπηζηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ. Ρν θύξην ραξαθηεξηζηηθό ησλ ζρεκάησλ FEC είλαη πσο ν απνζηνιέαο πξνζζέηεη πιενλάδνπζα πιεξνθνξία ζηε κεηαδηδόκελε πιεξνθνξία πξνο ηνλ παξαιήπηε. Ζ πιεξνθνξία απηή, επηηξέπεη ζηνλ παξαιήπηε λα αλαθαηαζθεπάζεη ηα πεγαία δεδνκέλα. Ρέηνηα ζρήκαηα αλαπόθεπθηα πξνζζέηνπλ έλα ζηαζεξό επηπιένλ θόξην (overhead) ζηα κεηαδηδόκελα δεδνκέλα θαη είλαη ππνινγηζηηθά θνζηνβόξα. Ξαξόια απηά, ζε πεξηβάιινληα multicast κεηάδνζεο, ε ρξήζε FEC ηερληθώλ πξνζθέξεη πνιύ ηζρπξά θίλεηξα. Ζ δηαδηθαζία ηεο θσδηθνπνίεζεο πεξηνξίδεη ζεκαληηθά ηελ επίδξαζε ησλ δηαθνξεηηθώλ απσιεηώλ δεδνκέλσλ πνπ παξνπζηάδνπλ δηαθνξεηηθνί παξαιήπηεο. Ρν γεγνλόο απηό θαζηζηά ηέηνηα ζρήκαηα πξνζηαζίαο ηθαλά λα ιεηηνπξγήζνπλ θιηκαθσηά θαη αλεμάξηεηα από ην ξπζκό απώιεηαο παθέησλ πνπ εκθαλίδεη ν θάζε ρξήζηεο. Δπηπξόζζεηα, ε κεγάιε κείσζε, πνπ επηθέξνπλ νη ηερληθέο FEC, ζην ξπζκό απώιεηαο παθέησλ (Packet Loss Rate-PLR) πεξηνξίδεη δξακαηηθά ηελ αλάγθε απνζηνιήο αλάδξαζεο ζηνλ παξαιήπηε γηα ηελ επαλαπνζηνιή δεδνκέλσλ. Ππλεπώο, ηα ζρήκαηα FEC κπνξνύλ πνιύ απιά λα πξνζθέξνπλ κία βαζηθή απαίηεζε ησλ multicast θηλεηώλ ππεξεζηώλ, ε νπνία είλαη ε δπλαηόηεηα θιηκάθσζεο ζε εθαξκνγέο κε πνιινύο ρξήζηεο. Πην παξόλ θεθάιαην γίλεηαη κία εηζαγσγή ζηηο κεζόδνπο παξνρήο πξνζηαζίαο ελάληηα ζηηο απώιεηεο δεδνκέλσλ θαηά ηε δηαδηθαζία ηεο κεηάδνζεο ζε multicast πεξηβάιινληα. Αθνινύζσο, πεξηγξάθεηαη ε κέζνδνο πξνζηαζίαο FEC, αλαθέξνληαο ηελ εμέιημε ησλ θσδίθσλ FEC, αλαιύνληαο ηα δηαζέζηκα είδε θσδίθσλ FEC θαη πεξηγξάθνληαο αλαιπηηθά ηηο αξρέο ιεηηνπξγίαο ηνπο. Πηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνληαη νη θώδηθεο Raptor FEC, θαηαιήγνληαο ζηελ πεξηγξαθή ηνπ πξνηππνπνηεκέλνπ από ην 3GPP ζπζηεκαηηθνύ (systematic) θώδηθα Raptor, όπνπ αλαιύεηαη ε ιεηηνπξγία ηνπ θαη δηαηίζεηαη κία αλάιπζε ηεο απόδνζήο ηνπο. Ρέινο, παξνπζηάδεηαη ε εθαξκνγή ηνπ θώδηθα Raptor πάλσ ζηελ ππεξεζία MBMS streaming. 4.1 Δηζαγσγηθά ηνηρεία πάξρνπλ αξθεηνί ηξόπνη γηα ηελ παξνρή αμηνπηζηίαο ζηα πξσηόθνιια κεηάδνζεο δεδνκέλσλ. Κία θνηλή κέζνδνο είλαη ε ρξήζε ηνπ Automatic Repeat request (ARQ). Κε ηε κέζνδν ARQ, νη παξαιήπηεο ρξεζηκνπνηνύλ έλα uplink θαλάιη πξνο ηνλ απνζηνιέα γηα λα ζηείινπλ αηηήζεηο γηα ηελ επαλακεηάδνζε ησλ ρακέλσλ παθέησλ. Ρν ARQ ιεηηνπξγεί ηθαλνπνηεηηθά κόλν ζε point-to-point πξσηόθνιια, όπσο έρεη απνδεηρζεί από ηελ επηηπρία ηνπ TCP/IP. Δπίζεο, ην ARQ ρξεζηκνπνηήζεθε ζαλ έλα απνηειεζκαηηθό εξγαιείν παξνρήο αμηνπηζηίαο γηα pointto-multipoint πξσηόθνιια θαη ζπγθεθξηκέλα γηα IP multicast πξσηόθνιια. Ξαξόια απηά, όηαλ ν αξηζκόο ησλ παξαιεπηώλ γίλεη αξθεηά κεγάινο ην ARQ έρεη πεξηνξηζκνύο, κε βαζηθόηεξν ην πξόβιεκα ηεο πιεκκύξαο ιόγσ αλάδξαζεο. Έλαο άιινο πεξηνξηζκόο είλαη πσο νη παξαιήπηεο κπνξεί λα παξνπζηάδνπλ δηαθνξεηηθό ξπζκό απσιεηώλ παθέησλ θαη έηζη θάπνηνη παξαιήπηεο κπνξεί λα επηβαξύλνληαη από άρξεζηεο επαλαπνζηνιέο δεδνκέλσλ, γεγνλόο πνπ πξνθαιεί θαη ζπαηάιε Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 79

80 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor εύξνπο δώλεο γηα ηελ επαλαπνζηνιή παθέησλ ηα νπνία έρνπλ ιεθζεί από ηελ πιεηνςεθία ησλ ρξεζηώλ. Πε πεξηβάιινληα όπνπ ην ARQ είλαη, είηε θνζηνβόξν, είηε αδύλαην ζηελ εθαξκνγή ηνπ επεηδή ππάξρεη πεξηνξηζκέλε ρσξεηηθόηεηα ησλ πξνο ηα πίζσ θαλαιηώλ ή δελ δηαηίζεληαη θαζόινπ πξνο ηα πίζσ θαλάιηα, όπσο ζηε δνξπθνξηθή κεηάδνζε, κεξηθέο θνξέο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηείηαη ε πξνζέγγηζε ηνπ Carousel δεδνκέλσλ [42]. Κε ην Carousel δεδνκέλσλ, ν απνζηνιέαο ρσξίδεη ην κεηαδηδόκελν αληηθείκελν ζε ίζνπ κήθνπο ηκήκαηα δεδνκέλσλ, ηα νπνία ζα κπνξνύζαλ εδώ λα νλνκαζηνύλ πεγαία ζύκβνια, ηα ηνπνζεηεί ζε παθέηα θαη ζηε ζπλέρεηα μεθηλά ηελ απνζηνιή ησλ παθέησλ απηώλ κε θπθιηθό ηξόπν. Νη παξαιήπηεο ιακβάλνπλ ζπλερώο παθέηα κέρξηο όηνπ λα έρνπλ ιάβεη έλα αληίγξαθν από θάζε παθέην. Ρν Carousel δεδνκέλσλ έρεη ην πιενλέθηεκα πσο δελ απαηηεί ηελ ύπαξμε uplink θαλαιηνύ, θαζώο δελ ππάξρνπλ δεδνκέλα πξνο απνζηνιή από ηνπο παξαιήπηεο πξνο ηνλ απνζηνιέα. Ξαξόια απηά, ην Carousel δεδνκέλσλ έρεη θαη απηό πεξηνξηζκνύο. Γηα παξάδεηγκα, εάλ έλαο παξαιήπηεο ράζεη έλα παθέην ζε έλα γύξν απνζηνιήο, πξέπεη λα πεξηκέλεη έλαλ νιόθιεξν γύξν πξηλ λα έρεη πάιη ηελ επθαηξία λα ιάβεη μαλά ην παθέην. Ρν γεγνλόο απηό, κπνξεί επίζεο λα πξνθαιέζεη ζπαηάιε ηνπ εύξνπο δώλεο θαζώο ν απνζηνιέαο ζπλερίδεη ηελ θπθιηθή κεηάδνζε θαη κεηαδίδεη ηα παθέηα κέρξηο όηνπ λα κελ ιείπεη θαλέλα παθέην από θάπνηνλ παξαιήπηε. Νη θώδηθεο FEC παξέρνπλ κία κέζνδν αμηνπηζηίαο πνπ κπνξεί λα ζπκπιεξώζεη ή λα αληηθαηαζηήζεη άιιεο κεζόδνπο, εηδηθόηεξα ζε point-to-multipoint πξσηόθνιια, όπσο ην IP multicast. Γεληθά ζηε βηβιηνγξαθία, ην FEC αλαθέξεηαη ζηελ ηθαλόηεηα λα αληηκεησπίζεη θαη ηηο απώιεηεο παθέησλ θαη ηηο αιινηώζεηο ζε επίπεδν bit. Ξαξόια απηά, ζηελ πεξίπησζε ηνπ IP multicast πξσηνθόιινπ, ην επίπεδν δηθηύνπ ζα αληρλεύζεη ηα θαηεζηξακκέλα παθέηα θαη ζα ηα απνξξίςεη ή ην επίπεδν κεηαθνξάο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηήζεη ηε δηαδηθαζία επηθύξσζεο παθέηνπ θαη λα απνξξίςεη πάιη ηα θαηεζηξακκέλα παθέηα. Ππλεπώο, ε βαζηθή εθαξκνγή ησλ θσδίθσλ FEC είλαη ζαλ θώδηθεο εμάιεηςεο (erasure codes). Ππγθεθξηκέλα, ηα payloads ησλ παθέησλ επεμεξγάδνληαη, ρξεζηκνπνηώληαο ηνλ θσδηθνπνηεηή FEC θαη ηα πξνο κεηάδνζε αληηθείκελα επαλαζπλαξκνινγνύληαη από ηε ιήςε ησλ παθέησλ πνπ πεξηέρνπλ ηελ θσδηθνπνηεκέλε πιεξνθνξία, ρξεζηκνπνηώληαο ηνλ απνθσδηθνπνηεηή FEC. Ζ είζνδνο ελόο FEC θσδηθνπνηεηή είλαη έλαο αξηζκόο k ίζνπ κήθνπο πεγαίσλ ζπκβόισλ. Ν FEC θσδηθνπνηεηήο παξάγεη έλα πιήζνο θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ ηα νπνία έρνπλ ην ίδην κήθνο κε ηα πεγαία ζύκβνια. Ρν επηιεγκέλν κήθνο ησλ ζπκβόισλ κπνξεί λα κεηαβάιιεηαη αλάινγα κε ηελ εθαξκνγή πνπ ρξεζηκνπνηεί ηελ FEC θσδηθνπνίεζε, ή λα είλαη ζηαζεξό. Ρα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ηνπνζεηνύληαη ζε παθέηα γηα ηε κεηάδνζε. Ρν πιήζνο ησλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ πνπ ηνπνζεηνύληαη ζε θάζε παθέην κπνξεί λα κεηαβάιιεηαη αλά παθέην, ή κπνξεί λα είλαη ζηαζεξό (ζπλήζσο έλα ζύκβνιν αλά παθέην). Δπίζεο, ζε θάζε παθέην ηνπνζεηείηαη επαξθήο πιεξνθνξία γηα λα αλαγλσξίδνληαη ηα ζπγθεθξηκέλα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ζε θάζε παθέην. Κε ηε ιήςε θάζε παθέηνπ, ν παξαιήπηεο πξνσζεί ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ζηνλ FEC απνθσδηθνπνηεηή γηα λα αλαθαηαζθεπάζεη έλα αληίγξαθν ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ από νπνηνδήπνηε ζύλνιν k θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ. Νη block FEC θώδηθεο ιεηηνπξγνύλ όπσο πεξηγξάθεηαη παξαθάησ. Ζ είζνδνο ελόο block FEC θσδηθνπνηεηή είλαη ηα k πεγαία ζύκβνια θαη έλαο αξηζκόο n. Ν θσδηθνπνηεηήο παξάγεη έλα ζύλνιν από n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια. Ν 80 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

81 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor θσδηθνπνηεηήο ραξαθηεξίδεηαη σο ζπζηεκαηηθόο εάλ παξάγεη n-k πιενλάδνληα ζύκβνια δεκηνπξγώληαο έλα θσδηθνπνηεκέλν block n θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ, απνηεινύκελν ζπλνιηθά από ηα k πεγαία ζύκβνια θαη ηα n-k πιενλάδνληα ζύκβνια. Έλαο block FEC απνθσδηθνπνηεηήο έρεη ηελ ηδηόηεηα πσο νπνηαδήπνηε k από ηα n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ηνπ block είλαη επαξθή γηα ηελ αλαθαηαζθεπή ησλ k αξρηθώλ πεγαίσλ ζπκβόισλ. Νη επεθηάζηκνη FEC θώδηθεο ιεηηνπξγνύλ σο εμήο. Έλαο επεθηάζηκνο FEC θσδηθνπνηεηήο δέρεηαη ζαλ είζνδν k πεγαία ζύκβνια θαη παξάγεη ηόζα κνλαδηθά θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια όζα δεηνύληαη, κε ην ζύλνιν ηνπ ρξόλνπ πνπ απαηηείηαη γηα ηελ παξαγσγή θάζε θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ λα είλαη ην ίδην αλεμάξηεηα από ηα πόζα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια παξάγνληαη. Έλαο επεθηάζηκνο FEC απνθσδηθνπνηεηήο έρεη ηελ ηδηόηεηα πσο νπνηαδήπνηε k από ηα κνλαδηθώο θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια είλαη επαξθή γηα ηελ αλαθαηαζθεπή ησλ k αξρηθώλ πεγαίσλ ζπκβόισλ. Νη παξαπάλσ νξηζκνί πεξηγξάθνπλ ηελ ηδαληθή πεξίπησζε, όπνπ ε ιήςε νπνηνλδήπνηε από ηα k θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια είλαη επαξθήο γηα ηελ αλάθηεζε ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ, όπνπ ζε απηή ηελ πεξίπησζε ην overhead ηεο ιήςεο είλαη 0%. Γηα θάπνηνπο πξαθηηθνύο FEC θώδηθεο, ειαθξώο πεξηζζόηεξα από k θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια απαηηνύληαη γηα ηελ αλάθηεζε ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ. Δάλ απαηηνύληαη k*(1+ep) θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια, νξίδνπκε ην overhead ηεο ιήςεο ζαλ ep*100%. Γηα παξάδεηγκα εάλ απαηηνύληαη k*1.05 θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ηόηε ην overhead είλαη 5%. Ξάλσ ζε κία άιιε, πην αόξηζηε δηάζηαζε, νη FEC θώδηθεο θαηεγνξηνπνηνύληαη ζαλ κηθξνί ή κεγάινη. Έλαο κηθξόο FEC θώδηθαο είλαη απνδνηηθόο ππό ηελ έλλνηα ησλ απαηηήζεσλ ζε ρξόλν επεμεξγαζίαο γηα ηελ θσδηθνπνίεζε θαη απνθσδηθνπνίεζε γηα κηθξέο ηηκέο ηνπ k, ελώ έλαο κεγάινο FEC θώδηθαο είλαη απνδνηηθόο γηα πνιύ κεγαιύηεξεο ηηκέο ηνπ k. πάξρνπλ πινπνηήζεηο block FEC θσδίθσλ νη νπνίνη έρνπλ ρξόλν θσδηθνπνίεζεο αλάινγν ησλ n-k θνξώλ ηνπ κήθνπο ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ θαη ρξόλν απνθσδηθνπνίεζεο αλάινγν ησλ l θνξώλ ηνπ κήθνπο ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ, όπνπ ην l είλαη ην πιήζνο ησλ ρακέλσλ πεγαίσλ ζπκβόισλ από ηα k ιεθζέληα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια κε ην l λα κπνξεί λα είλαη ηόζν κεγάιν όζν θαη ην k. Ιόγσ ηνπ ξπζκνύ αύμεζεο ησλ ρξόλσλ θσδηθνπνίεζεο θαη απνθσδηθνπνίεζεο ζε ζρέζε κε ην k θαη ην n-k, ηέηνηνπ είδνπο θώδηθεο είλαη ζπλήζσο κηθξνί block FEC θώδηθεο. πάξρνπλ block FEC θώδηθεο κε κηθξό overhead πνπ κπνξνύλ λα παξάγνπλ n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια θαη λα απνθσδηθνπνηήζνπλ ηα k πεγαία ζύκβνια ζε ρξόλν αλάινγν ηνπ κήθνπο ησλ n θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ. Απηνί νη θώδηθεο ζπλήζσο είλαη κεγάινη block FEC θώδηθεο. Δπίζεο ππάξρνπλ επεθηάζηκνη FEC θώδηθεο κε κηθξό overhead πνπ κπνξνύλ λα παξάγνπλ θάζε θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν ζε ρξόλν ζρεδόλ αλάινγν κε ην κήθνο ηνπ θαη κπνξνύλ λα απνθσδηθνπνηήζνπλ ηα k πεγαία ζύκβνια πάιη ζε ρξόλν ζρεδόλ αλάινγν ηνπ κήθνπο ηνπο. Απηνί ζεσξνύληαη κεγάινη επεθηάζηκνη FEC θώδηθεο. Ηδαληθά, νη FEC θώδηθεο ζηα πιαίζηα ηεο IP multicast κεηάδνζεο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ γηα λα παξάγνπλ θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια πνπ κεηαδίδνληαη ζε παθέηα, κε ηέηνην ηξόπν ώζηε θάζε ιεθζέλ παθέην λα είλαη πιήξσο σθέιηκν ζηνλ παξαιήπηε γηα ηελ αλαθαηαζθεπή ηνπ κεηαδηδόκελνπ αληηθεηκέλνπ αλεμάξηεηα από ηελ θαηάζηαζε πξνεγνύκελσλ ιεθζέλησλ παθέησλ. Έηζη, εάλ θάπνηα παθέηα ραζνύλ θαηά ηε κεηάδνζε, ν παξαιήπηεο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηήζεη νπνηαδήπνηε Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 81

82 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor άιιε αθνινπζία ίζνπ πιήζνπο παθέησλ γηα λα αλαθαηαζθεπάζεη ηα αξρηθά δεδνκέλα. Απηά ηα παθέηα κπνξεί λα κεηαδίδνληαη ζαλ πξνζηαζία ή λα δεηνύλ ηελ απνζηνιή ηνπο νη παξαιήπηεο. Ρν γεγνλόο απηό κπνξεί λα εμαιείςεη ηα πξνβιήκαηα ηνπ ARQ θαη ηνπ Carousel δεδνκέλσλ θαη λα απμήζεη δξακαηηθά ηελ ηθαλόηεηα θιηκάθσζεο ηνπ πξσηνθόιινπ, ώζηε λα κπνξεί λα εμππεξεηήζεη απνδνηηθά έλα κεγάιν πιήζνο παξαιεπηώλ. 4.2 Δθαξκνγή ησλ FEC θσδίθσλ Γηα θάπνηα αμηόπηζηα IP multicast πξσηόθνιια, νη FEC θώδηθεο ρξεζηκνπνηνύληαη ζε ζπλεξγαζία κε ην ARQ γηα λα πξνζθέξνπλ αμηνπηζηία ζηε κεηάδνζε. Γηα παξάδεηγκα, έλα κεγάιν αληηθείκελν κπνξεί λα ρσξηζηεί ζε έλα πιήζνο πεγαίσλ blocks απνηεινύκελα από έλα κηθξό αξηζκό πεγαίσλ ζπκβόισλ θαη ζηνλ πξώην γύξσ ηεο κεηάδνζεο κπνξνύλ λα κεηαδνζνύλ όια ηα πεγαία ζύκβνια από όια ηα πεγαία blocks. Πηε ζπλέρεηα, νη παξαιήπηεο κπνξεί λα αλαθέξνπλ ζηνλ απνζηνιέα ην πιήζνο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ πνπ δελ έρνπλ ιάβεη από θάζε πεγαίν block. Ν απνζηνιέαο κπνξεί λα ππνινγίζεη ην κέγηζην αξηζκό ησλ ρακέλσλ πεγαίσλ ζπκβόισλ θάζε πεγαίνπ block από όινπο ηνπο παξαιήπηεο. Βάζεη απηνύ, κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί έλαο κηθξόο block FEC θσδηθνπνηεηήο γηα λα παξάγεη γηα θάζε πεγαίν block έλα πιήζνο από πιενλάδνληα ζύκβνια ίζν κε ην ππνινγηζκέλν κέγηζην πιήζνο ησλ ρακέλσλ ζπκβόισλ θάζε block. Πην δεύηεξν γύξν ηεο κεηάδνζεο, ν εμππεξεηεηήο κπνξεί λα ζηείιεη ηα πιενλάδνληα ζύκβνια από όια ηα blocks. Πε απηό ην παξάδεηγκα, εάλ δελ ππάξρνπλ απώιεηεο θαηά ηε κεηάδνζε ηνπ δεύηεξνπ γύξνπ, ηόηε όινη νη παξαιήπηεο ζα είλαη ηθαλνί λα αλαθαηαζθεπάζνπλ έλα αθξηβέο αληίγξαθν θάζε αξρηθνύ block. Πε απηή ηελ πεξίπησζε, αθόκα θη εάλ από δηαθνξεηηθνύο παξαιήπηεο ιείπνπλ δηαθνξεηηθά ζύκβνια από δηαθνξεηηθά blocks, ε κεηάδνζε ησλ πιενλαδόλησλ ζπκβόισλ γηα έλα ζπγθεθξηκέλν block είλαη ρξήζηκε ζε όινπο ηνπο παξαιήπηεο από ηνπο νπνίνπο ιείπνπλ ζύκβνια από ην ζπγθεθξηκέλν block. Πε άιια αμηόπηζηα IP multicast πξσηόθνιια, νη FEC θώδηθεο ρξεζηκνπνηνύληαη θαηά έλαλ ηξόπν ζύκθσλα κε ην Carousel δεδνκέλσλ θαη νλνκάδνληαη FEC Carousel δεδνκέλσλ. Γηα παξάδεηγκα, έλα FEC Carousel δεδνκέλσλ πνπ ρξεζηκνπνηεί έλα κεγάιν FEC block θώδηθα ιεηηνπξγεί σο εμήο. Ν κεγάινπ block FEC θσδηθνπνηεηήο παξάγεη n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ζεσξώληαο όια ηα k πεγαία ζύκβνια ελόο αληηθεηκέλνπ ζαλ έλα block. Ν απνζηνιέαο απνζηέιιεη θπθιηθά ηα n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ζε παθέηα κε ηελ ίδηα ζεηξά ζε θάζε γύξν. Θαηά απηό ηνλ ηξόπν έλα FEC Carousel δεδνκέλσλ κπνξεί λα πξνζθέξεη πνιύ θαιύηεξε πξνζηαζία από απώιεηεο παθέησλ ζε ζρέζε κε έλα απιό Carousel δεδνκέλσλ. Γηα παξάδεηγκα, έλαο παξαιήπηεο κπνξεί λα ιάβεη κέξνο ζηε ιήςε νπνηαδήπνηε ρξνληθή ζηηγκή θαη όζν ν παξαιήπηεο ιακβάλεη ηνπιάρηζηνλ k θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια από ηελ απνζηνιή ησλ n ζε ζύλνιν, ζα κπνξεί λα αλαθηήζεη πιήξσο ην κεηαδηδόκελν αληηθείκελν. Ζ κέζνδνο απηή, κπνξεί επίζεο λα ρξεζηκνπνηεζεί όηαλ ην αληηθείκελν ρσξίδεηαη ζε blocks θαη εθαξκόδεηαη έλαο κηθξόο block FEC θώδηθαο ζε θάζε block μερσξηζηά. Πε απηή ηελ πεξίπησζε είλαη ρξήζηκν λα ρξεζηκνπνηείηαη ε ηερληθή ηνπ interleaving ζηα ζύκβνια δηαθνξεηηθώλ blocks. Ρέινο, ζε θάπνηα άιια αμηόπηζηα IP multicast πξσηόθνιια, ε κέζνδνο γηα ηελ παξνρή αμηνπηζηίαο είλαη ε παξαγσγή αξθεηώλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ έηζη ώζηε θάζε θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν λα κεηαδίδεηαη κόλν κία θνξά. Γηα παξάδεηγκα, 82 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

83 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor ν απνζηνιέαο κπνξεί λα απνθαζίζεη εμ αξρήο πόζα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ζα κεηαδώζεη, ρξεζηκνπνηώληαο έλαλ FEC θώδηθα γηα λα παξάγεη απηό ην πιήζνο ησλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ θαη ζηε ζπλέρεηα λα κεηαδώζεη ηα ζύκβνια απηά ζε όινπο ηνπο παξαιήπηεο. Ζ κέζνδνο απηή βξίζθεη ηδηαίηεξε εθαξκνγή ζε streaming πξσηόθνιια, όπνπ γηα παξάδεηγκα ην stream ρσξίδεηαη ζε blocks. Από ηα πεγαία ζύκβνια θάζε block παξάγνληαη ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια κε ρξήζε ελόο FEC θώδηθα θαη ζηα ζπλέρεηα ηα ζύλνια ησλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ κεηαδίδνληαη αθνινπζηαθά κε ρξήζε ηνπ IP multicast. 4.3 Κώδηθεο FEC Απινί Κώδηθεο πάξρνπλ θάπνηνη πνιύ απινί θώδηθεο νη νπνίνη είλαη απνηειεζκαηηθνί ζηελ αληηκεηώπηζε απσιεηώλ παθέησλ θάησ από θαηαζηάζεηο πνιύ κηθξώλ απσιεηώλ. Έλαο πνιύ απιόο ηξόπνο παξνρήο πξνζηαζίαο από κόλν κία απώιεηα είλαη, ν ρσξηζκόο ηνπ αληηθεηκέλνπ ζε ζηαζεξνύ κεγέζνπο πεγαία ζύκβνια θαη ζηε ζπλέρεηα ε πξνζζήθε ελόο πιενλάδνληνο ζπκβόινπ πνπ ζα είλαη ε ηζνηηκία (XOR) όισλ ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ. Ρν κέγεζνο ελόο πεγαίνπ ζπκβόινπ επηιέγεηαη θαηάιιεια, έηζη ώζηε λα ηαηξηάδεη απόιπηα ζην payload ελόο παθέηνπ, δειαδή εάλ ην payload ηνπ παθέηνπ είλαη 512 bytes ηόηε θάζε πεγαίν ζύκβνιν πξέπεη λα είλαη 512 bytes. Ζ επηθεθαιίδα θάζε παθέηνπ πεξηέρεη επαξθήο πιεξνθνξίεο γηα ηελ αλαγλώξηζε ηνπ payload. Έλα παξάδεηγκα απηνύ είλαη ην αλαγλσξηζηηθό (ID) ελόο θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ. Ρα IDs ησλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ κπνξεί λα απνηεινύληαη από δύν ηκήκαηα. Ρν πξώην ηκήκα είλαη κία ζεκαία θσδηθνπνίεζεο πνπ ηίζεηαη ζηελ ηηκή 1 εάλ ην θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν είλαη έλα πεγαίν ζύκβνιν θαη ζηελ ηηκή 0 εάλ ην θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν είλαη έλα πιενλάδνλ ζύκβνιν. Ρν δεύηεξν ηκήκα ηνπ ID, είλαη ην ID ηνπ πεγαίνπ ζπκβόινπ εάλ ε ζεκαία θσδηθνπνίεζεο είλαη 1 ή ην ID ηνπ πιενλάδνληνο ζπκβόινπ εάλ ε ζεκαία θσδηθνπνίεζεο είλαη 0. Ρα IDs ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ κπνξεί λα αξηζκνύληαη από ην 0 έσο ην k-1 θαη ην ID ηνπ πιενλάδνληνο ζπκβόινπ κπνξεί λα είλαη 0. Γηα παξάδεηγκα, εάλ ην αληηθείκελν απνηειείηαη από ηέζζεξα πεγαία ζύκβνια πνπ έρνπλ ηηο ηηκέο a, b, c θαη d, ηόηε ε ηηκή ηνπ πιενλάδνληνο ζπκβόινπ είλαη e = a XOR b XOR c XOR d. Έηζη, ηα παθέηα πνπ κεηαθέξνπλ απηά ηα ζύκβνια κπνξεί λα κνηάδνπλ ζαλ: (1, 0: a), (1, 1: b), (1, 2: c), (1, 3: d), (0, 0: e). Πε απηό ην παξάδεηγκα, ην ID ηνπ θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ απνηειείηαη από ηηο δύν πξώηεο ηηκέο, όπνπ ε πξώηε ηηκή είλαη ε ζεκαία θσδηθνπνίεζεο θαη ε δεύηεξε ηηκή είλαη είηε ην ID ηνπ πεγαίνπ ζπκβόινπ, είηε ην ID ηνπ πιενλάδνληνο ζπκβόινπ. Ζ ηειεπηαία ηηκή ηνπ παθέηνπ είλαη ε ηηκή ηνπ θάζε θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ. Θάζε πεγαίν ζύκβνιν ηνπ αληηθεηκέλνπ κπνξεί λα αλαθηεζεί ζαλ ηελ ηζνηηκία όισλ ησλ άιισλ ζπκβόισλ. Γηα παξάδεηγκα, εάλ έρνπλ ιεθζεί ηα παθέηα: (1, 0: a), (1, 1: b), (1, 3: d), (0, 0: e) ηόηε ην ρακέλν πεγαίν ζύκβνιν κε ID πεγαίνπ ζπκβόινπ 2 κπνξεί λα αλαθηεζεί ππνινγίδνληαο ηελ πνζόηεηα a XOR b XOR d XOR e = c. Έλαο άιινο ηξόπνο ζρεκαηηζκνύ ηνπ ID ηνπ θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ είλαη νη ηηκέο 0,, k-1 λα αλαηίζεληαη ζηα k πεγαία ζύκβνια θαη ε ηηκή k λα αλαηίζεηαη ζην πιενλάδνλ ζύκβνιν, ην νπνίν ζα είλαη ε πξάμε XOR ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 83

84 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor Όηαλ ην πιήζνο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ ηνπ αληηθεηκέλνπ είλαη κεγάιν, έλαο απιόο block θώδηθαο αλάινγεο ιεηηνπξγίαο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί. Πε απηή ηελ πεξίπησζε, ηα πεγαία ζύκβνια νκαδνπνηνύληαη ζε πεγαία blocks πιήζνπο k δηαδνρηθώλ ζπκβόισλ ην θαζέλα, όπνπ ην k κπνξεί λα είλαη δηαθνξεηηθό γηα δηαθνξεηηθά blocks. Δάλ έλα block απνηειείηαη από k πεγαία ζύκβνια, ηόηε έλα πιενλάδνλ ζύκβνιν πξνζηίζεηαη γηα λα ζρεκαηηζηεί έλα θσδηθνπνηεκέλν block απνηεινύκελν από k+1 θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια. Έηζη, έλα πεγαίν block απνηεινύκελν από k πεγαία ζύκβνια κπνξεί λα αλαθηεζεί από νπνηαδήπνηε k από ηα k+1 θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ηνπ ζρεηηθνύ block. Δπίζεο, κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ιίγν πην πεξίπινθνη ηξόπνη γηα λα ρξεζηκνπνηεζνύλ πιενλάδνληα ζύκβνια κε ρξήζε ηεο ηζνηηκίαο. Γηα παξάδεηγκα, κπνξεί λα δεκηνπξγεζεί έλα block απνηεινύκελν από k πεγαία ζύκβνια ζε έλα ηεηξαγσληθό κεηξών p x p, όπνπ ην p ζα είλαη ε ηεηξαγσληθή ξίδα ηνπ k. Πηε ζπλέρεηα, γηα θάζε γξακκή ηνπ κεηξώνπ πξνζηίζεηαη έλα πιενλάδνλ ζύκβνιν πνπ είλαη ε ηζνηηκία όισλ ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ ηεο γξακκήο. Νκνίσο, γηα θάζε ζηήιε πξνζηίζεηαη έλα πιενλάδνλ ζύκβνιν πνπ είλαη ε ηζνηηκία όισλ ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ ηεο ζηήιεο. Έηζη, θάζε γξακκή ηνπ κεηξώνπ κπνξεί λα αλαθηεζεί από νπνηαδήπνηε p από ηα p+1 ζύκβνια ηεο γξακκήο θαη νκνίσο γηα θάζε ζηήιε. Δπίζεο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ θαη θώδηθεο πνπ ρξεζηκνπνηνύλ πεξηζζόηεξεο από δύν δηαζηάζεηο κε ηελ ίδηα ινγηθή Μηθξνί Block FEC Κώδηθεο Ρα πξσηόθνιια αμηόπηζηεο IP multicast κεηάδνζεο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηνύλ έλαλ block (n, k) FEC θώδηθα [43]. Πε ηέηνηνπο θώδηθεο, ηα k πεγαία ζύκβνια θσδηθνπνηνύληαη ζε n > k θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια, έηζη ώζηε νπνηαδήπνηε k από ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ζηελ αλαθαηαζθεπή ησλ αξρηθώλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ. Ππλήζσο, νη block θώδηθεο είλαη ζπζηεκαηηθνί θώδηθεο, ην νπνίν ζεκαίλεη πσο ηα n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια απνηεινύληαη από ηα k πεγαία ζύκβνια θαη ηα n-k πιενλάδνληα ζύκβνια πνπ παξάγνληαη από ηα k πεγαία ζύκβνια, όπνπ ην κέγεζνο ελόο πιενλάδνληνο ζπκβόινπ είλαη ην ίδην κε απηό ηνπ πεγαίνπ ζπκβόινπ. Γηα παξάδεηγκα, ν πξώηνο απιόο XOR θώδηθαο πνπ πεξηγξάθεθε ζηελ πξνεγνύκελε παξάγξαθν είλαη έλαο (k+1, k) θώδηθαο. Γεληθά, είλαη επηζπκεηή ε επηινγή ηνπ n λα είλαη κεγαιύηεξε ηνπ k+1, θαζώο θάηη ηέηνην κπνξεί λα παξέρεη πνιύ θαιύηεξε πξνζηαζία έλαληη ζε απώιεηεο. Έλα πνιύ δηαδεδνκέλν παξάδεηγκα ηέηνησλ ηύπσλ θσδίθσλ είλαη ε θαηεγνξία ησλ Reed-Solomon θσδίθσλ, νη νπνίνη βαζίδνληαη ζε αιγεβξηθέο κεζόδνπο πνπ ρξεζηκνπνηνύλ πεπεξαζκέλα ζύλνια. Άιιεο πινπνηήζεηο (n, k) FEC θσδίθσλ ρξεζηκνπνηνύληαη απνδνηηθά θαη από πξνζσπηθνύο ππνινγηζηέο [44]. Ξξαθηηθά, νη ηηκέο ηνπ k θαη ηνπ n πξέπεη λα είλαη κηθξέο (π.ρ. κηθξόηεξεο από 256) γηα ηέηνηνπ είδνπο FEC θώδηθεο θαζώο νη κεγάιεο ηηκέο θάλνπλ ηελ θσδηθνπνίεζε θαη ηελ απνθσδηθνπνίεζε απαγνξεπηηθά θνζηνβόξεο. Θαζώο πνιιά αληηθείκελα ζα είλαη κεγαιύηεξα από k ζύκβνια γηα ινγηθέο ηηκέο ηνπ k θαη ηνπ κήθνπο ηνπ ζπκβόινπ (π.ρ. κεγαιύηεξα από 16 kb γηα k=16 ρξεζηκνπνηώληαο ζύκβνια ηνπ 1 kb), κπνξνύλ λα ρσξηζηνύλ ζε έλα πιήζνο από πεγαία blocks. Θάζε πεγαίν block απνηειείηαη από k πεγαία ζύκβνια, όπνπ ην k κπνξεί λα δηαθέξεη κεηαμύ δηαθνξεηηθώλ πεγαίσλ blocks. Ν θσδηθνπνηεηήο FEC ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα παξάγεη από έλα πεγαίν block, n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια, όπνπ ην πιήζνο n ηνπ θσδηθνπνηεκέλνπ block κπνξεί λα δηαθέξεη γηα θάζε πεγαίν block. Γηα λα αλαθηήζεη 84 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

85 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor πιήξσο έλαο παξαιήπηεο ην αληηθείκελν, πξέπεη λα ιάβεη k δηαθνξεηηθά (διδ. κε δηαθνξεηηθά IDs θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ) θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια από ην θάζε αληίζηνηρν θσδηθνπνηεκέλν block. Έλα παξάδεηγκα ελόο ηέηνηνπ FEC θσδηθνπνηεηή παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 29. Πην ζπγθεθξηκέλν παξάδεηγκα ην αληηθείκελν ρσξίδεηαη ζε δύν πεγαία blocks απνηεινύκελα από νθηώ πεγαία ζύκβνια ην θαζέλα θαη ν FEC θσδηθνπνηεηήο παξάγεη δύν πιενλάδνληα ζύκβνια (ζύλνιν δέθα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια) γηα ην θάζε block. Δηθόλα 29. Έλαο FEC Block Κσδηθνπνηεηήο. Πε πνιιέο πεξηπηώζεηο, έλα αληηθείκελν ρσξίδεηαη ζε ίζνπ κήθνπο πεγαία blocks απνηεινύκελα ην θαζέλα από k ζπλερή πεγαία ζύκβνια ηνπ αληηθεηκέλνπ, δειαδή ην block c απνηειείηαη από ηα πεγαία ζύκβνια πνπ αλήθνπλ ζην εύξνο [ck, (c+1)k-1]. Απηό εμαζθαιίδεη πσο ν FEC θσδηθνπνηεηήο κπνξεί λα βειηηζηνπνηεζεί γηα ην ρεηξηζκό ελόο ζπγθεθξηκέλνπ αξηζκνύ k πεγαίσλ ζπκβόισλ. Δπίζεο, εμαζθαιίδεη πσο νη αλαθνξέο ζηε κλήκε γίλνληαη ηνπηθά όηαλ ν απνζηνιέαο δηαβάδεη ηα πεγαία ζύκβνια πνπ ζα θσδηθνπνηήζεη θαη όηαλ ν παξαιήπηεο δηαβάδεη ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια πνπ ζα απνθσδηθνπνηήζεη. Ζ ηνπηθόηεηα ζηηο αλαθνξέο είλαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθή όηαλ ην αληηθείκελν απνζεθεύεηαη ζε δίζθνπο, θαζώο κεηώλεη ηηο απαηηνύκελεο αλαδεηήζεηο ζην δίζθν. Ν αξηζκόο ηνπ block θαη ην ID ηνπ πεγαίνπ ζπκβόινπ κέζα ζην block κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ ώζηε λα θαζνξηζηεί κνλαδηθά έλα πεγαίν ζύκβνιν ηνπ αληηθεηκέλνπ. Δάλ ην κέγεζνο ηνπ αληηθεηκέλνπ δελ είλαη πνιιαπιάζην ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ, ηόηε ην ηειεπηαίν πεγαίν block ζα πεξηιακβάλεη ιηγόηεξα από k ζύκβνια. Ζ αξίζκεζε ησλ blocks κπνξεί λα είλαη ζπλερήο, μεθηλώληαο από ην κεδέλ. Ρα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ελόο block κπνξεί λα θαζνξηζηνύλ κνλαδηθά από έλα ID θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ. Έλαο ηξόπνο θαζνξηζκνύ ησλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ ελόο block είλαη ν ζπλδπαζκόο κίαο ζεκαίαο θσδηθνπνίεζεο, ε νπνία θαζνξίδεη ην ζύκβνιν ζαλ πεγαίν ή πιενλάδνλ ζύκβνιν, καδί κε είηε έλα ID πεγαίνπ ζπκβόινπ είηε έλα ID πιενλάδνληνο ζπκβόινπ. Γηα παξάδεηγκα, εάλ ην αληηθείκελν απνηειείηαη από 10 πεγαία ζύκβνια κε ηηκέο a, b, c, d, e, f, g, h, i θαη j, θαη ην k=5 θαη ην n=8, ηόηε δεκηνπξγνύληαη δύν πεγαία blocks απνηεινύκελα από 5 ζύκβνια ην Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 85

86 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor θαζέλα θαη δύν θσδηθνπνηεκέλα blocks απνηεινύκελα από 8 ζύκβνια ην θαζέλα. Έζησ p, q θαη r νη ηηκέο ησλ πιενλαδόλησλ ζπκβόισλ γηα ην πξώην θσδηθνπνηεκέλν block θαη x, y θαη z νη ηηκέο γηα ην δεύηεξν θσδηθνπνηεκέλν block. Ρόηε ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια καδί κε ηα αλαγλσξηζηηθά ηνπο είλαη: (0, 1, 0: a), (0, 1, 1: b), (0, 1, 2: c), (0, 1, 3: d), (0, 1, 4: e), (0, 0, 0: p), (0, 0, 1: q), (o, o, 2: r), (1, 1, 0: f), (1, 1, 1: g), (1, 1, 2: h), (1, 1, 3: i), (1, 1, 4: j), (1, 0, 0: x), (1, 0, 1: y), (1, 0, 2: z). Πε απηό ην παξάδεηγκα, ε πξώηε ηηκή θαζνξίδεη ηνλ αξηζκό ηνπ block θαη νη επόκελεο δύν ηηκέο θαζνξίδνπλ καδί ην θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν ηνπ block, δειαδή ην ID ηνπ θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ απνηειείηαη από ηε ζεκαία θσδηθνπνίεζεο καδί κε ην ID ηνπ πεγαίνπ ζπκβόινπ ή ην ID ηνπ πιενλάδνληνο ζπκβόινπ, αλάινγα κε ηελ ηηκή ηεο ζεκαίαο θσδηθνπνίεζεο. Ζ ηειεπηαία ηηκή είλαη ην θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν. Θάζε block κπνξεί λα αλαθηεζεί από νπνηαδήπνηε 5 από ηα 8 θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια πνπ αλήθνπλ ζε απηό ην block. Έλαο άιινο ηξόπνο γηα λα θαζνξηζηνύλ κνλαδηθά ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια κέζα ζε έλα block είλαη λα ρξεζηκνπνηεζνύλ νη ηηκέο 0,, k-1 γηα ηα IDs ησλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ θαη νη ηηκέο k,, n-1 γηα ηα IDs ησλ πιενλαδόλησλ ζπκβόισλ Μεγάινη Block FEC Κώδηθεο Νη θώδηθεο Tornado [45], [46], [47] είλαη κεγάινη block FEC θώδηθεο πνπ πξνζθέξνληαη ελαιιαθηηθά ησλ κηθξώλ block FEC θσδίθσλ. Έλαο (n, k) Tornado θώδηθαο απαηηεί ειαθξώο πεξηζζόηεξα από k από ζπλνιηθά n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια γηα λα αλαθηήζεη ηα k πεγαία ζύκβνια. Ιόγσ θάπνησλ ζεκάησλ ζρεηηθώλ κε ηε δηαρείξηζε ηεο κλήκεο, πξαθηηθά ε ηηκή ηνπ n πεξηνξίδεηαη λα είλαη έλα κηθξό πνιιαπιάζην ηνπ k, π.ρ. n = 2k. Πην [48] πεξηγξάθεηαη έλα παξάδεηγκα πινπνίεζεο ησλ θσδίθσλ Tornado. Νη θώδηθεο Tornado είλαη ζρεδηαζκέλνη λα έρνπλ κηθξό overhead θαηά κέζν όξν, αλάινγα πάληα κε ην πιήζνο ησλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ πνπ ζα ιεθζνύλ. Γηα λα εμαζθαιηζηεί πσο έλαο παξαιήπηεο ζα κπνξέζεη λα αλαθαηαζθεπάζεη ην αληηθείκελν κε ηε ρξήζε ρακεινύ overhead, ηα παθέηα κεηαηίζεληαη κε ηπραία δηάηαμε πξηλ από ηελ απνζηνιή ηνπο Δπεθηάζηκνη FEC Κώδηθεο Όινη νη θώδηθεο FEC πνπ πεξηγξάθεθαλ κέρξη απηό ην ζεκείν είλαη block θώδηθεο. πάξρεη έλαο δηαθνξεηηθόο ηύπνο FEC θσδίθσλ πνπ νλνκάδνληαη επεθηάζηκνη FEC θώδηθεο. Όπσο θαη ζηνπο block θώδηθεο, έλαο επεθηάζηκνο FEC θσδηθνπνηεηήο ιεηηνπξγεί πάλσ ζε έλα αληηθείκελν γλσζηνύ κεγέζνπο πνπ ρσξίδεηαη ζε ίζνπ κήθνπο πεγαία ζύκβνια. Αληίζεηα κε ηνπο block θώδηθεο, δελ ππάξρεη πξνθαζνξηζκέλνο αξηζκόο θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ πνπ κπνξνύλ λα παξαρζνύλ γηα ηνπο επεθηάζηκνπο FEC θώδηθεο. Αλη απηνύ, έλαο επεθηάζηκνο FEC θσδηθνπνηεηήο κπνξεί λα παξάγεη ηόζα κνλαδηθά ζύκβνια όζα απαηηνύληαη θάζε θνξά. Νη θώδηθεο Luby Transform (LT) [49], [50], [51] είλαη έλα παξάδεηγκα κεγάισλ επεθηάζηκσλ FEC θσδίθσλ. Έλαο LT θσδηθνπνηεηήο ρξεζηκνπνηεί ηπραηόηεηα γηα λα παξάγεη θάζε θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν ηπραία θαη αλεμάξηεηα από ηα άιια θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια. Όπσο θαη ζηνπο θώδηθεο Tornado, ην πιήζνο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ k κπνξεί λα είλαη πνιύ κεγάιν θαη ζηνπο LT θώδηθεο, δειαδή ηεο ηάμεο ησλ δεθάδσλ ρηιηάδσλ. Ζ ηαρύηεηεο θσδηθνπνίεζεο θαη απνθσδηθνπνίεζεο ησλ LT 86 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

87 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor θσδίθσλ βξίζθνληαη ζην εύξνο ησλ 3-20 Mbps γηα ππνινγηζηέο Pentium όηαλ ην k είλαη δεθάδεο ρηιηάδεο. Έλαο LT θσδηθνπνηεηήο κπνξεί λα παξάγεη όζα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια απαηηνύληαη. Όηαλ πξόθεηηαη λα παξαρζεί έλα λέν θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν, βαζίδεηαη ζε έλα ηπραία επηιεγκέλν ID θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ, ην νπνίν θαζνξίδεη κνλαδηθά πσο ζα παξαρζεί ην θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν από ηα πεγαία ζύκβνια. Γεληθά, θάζε ηηκή ηνπ ID θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ αληαπνθξίλεηαη ζε έλα κνλαδηθό θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν, κε ην ρώξν ησλ πηζαλώλ θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ λα είλαη ηέζζεξα δηζεθαηνκκύξηα, εάλ γηα παξάδεηγκα ην ID θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ είλαη 4 bytes. Άξα, ε πηζαλόηεηα έλα ζπγθεθξηκέλν θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν λα είλαη ίδην κε έλα άιιν θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν είλαη αληηζηξόθσο αλάινγε κε ην πιήζνο ησλ πηζαλώλ IDs θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ. Έλαο LT απνθσδηθνπνηεηήο έρεη ηελ ηδηόηεηα πσο κε πνιύ κεγάιε πηζαλόηεηα ε ιήςε νπνηνπδήπνηε ζπλόινπ από ειαθξώο πεξηζζόηεξα από k θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια είλαη επαξθήο γηα ηελ αλαθαηαζθεπή ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ. Γηα παξάδεηγκα, όηαλ ην k είλαη ηεο ηάμεο ησλ εθαηνληάδσλ ρηιηάδσλ, ην overhead είλαη κηθξόηεξν από 5% ρσξίο θακία απνηπρία ζε εθαηνκκύξηα επαλαιήςεηο ηεο ιήςεο θάησ από νπνηεζδήπνηε ζπλζήθεο απσιεηώλ. Πε επόκελε παξάγξαθν ηνπ θεθαιαίνπ νη θώδηθεο LT αλαιύνληαη ζε κεγαιύηεξν βάζνο. Δπεηδή ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια παξάγνληαη ηπραία θαη αλεμάξηεηα, νη LT θώδηθεο έρνπλ ηελ ηδηόηεηα πσο ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια γηα ηα ίδηα k πεγαία ζύκβνια κπνξνύλ λα παξαρζνύλ θαη λα κεηαδνζνύλ από πνιιαπινύο απνζηνιείο, λα ιεθζνύλ από έλαλ παξαιήπηε θαη ην overhead θαη ν ρξόλνο απνθσδηθνπνίεζεο λα είλαη ν ίδηνο κε απηόλ εάλ ηα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια είραλ παξαρζεί από έλαλ απνζηνιέα. Ζ κόλε απαίηεζε είλαη πσο νη απνζηνιείο πξέπεη λα επηιέμνπλ ηα IDs θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ ηπραία θαη αλεμάξηεηα κεηαμύ ηνπο. πάξρεη όκσο έλα αδύλακν ζεκείν δηαπξαγκάηεπζεο κεηαμύ ηνπ πιήζνπο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ θαη ηνπ overhead γηα ηνπο LT θώδηθεο, κε όζν κεγαιύηεξν αξηζκό πεγαίσλ ζπκβόισλ ηόζν λα κεηώλεηαη ην overhead. Ππλεπώο, γηα κηθξά αληηθείκελα, είλαη κεξηθέο θνξέο επεξγεηηθό λα ρσξίδεηαη ην αληηθείκελν ζε πνιιά κηθξά πεγαία ζύκβνια θαη λα πεξηιακβάλνληαη πνιιά θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια ζε έλα παθέην. Πε απηή ηελ πεξίπησζε, ρξεζηκνπνηείηαη κόλν έλα ID θσδηθνπνηεκέλνπ παθέηνπ γηα λα θαζνξίζεη ηα πνιιαπιά θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια πνπ πεξηέρνληαη ζε έλα παθέην. πάξρνπλ θάπνηνη παξάγνληεο γηα ηελ επηινγή ηνπ θαηάιιεινπ κήθνπο ηνπ ζπκβόινπ θαη ηνπ αξηζκνύ ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ. Ρν βαζηθόηεξν ζεκείν είλαη πσο ππάξρεη έλα ζηαζεξό overhead επεμεξγαζίαο αλά ζύκβνιν θαηά ηηο δηαδηθαζίεο ηεο θσδηθνπνίεζεο θαη απνθσδηθνπνίεζεο, αλεμάξηεηα από ηνλ αξηζκό ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ. Ππλεπώο, ρξεζηκνπνηώληαο κηθξόηεξα ζύκβνια ζεκαίλεη πσο απηό ην ζηαζεξό overhead επεμεξγαζίαο αλά ζύκβνιν ζα είλαη κεγαιύηεξν ζπλνιηθά κε ηελ αύμεζε ηνπ αξηζκνύ ησλ ζπκβόισλ. Έλα δεύηεξν, ιηγόηεξν ζεκαληηθό ζεκείν, είλαη πσο ππάξρεη κία επηβάξπλζε ηεο επεμεξγαζίαο θάζε ζπκβόινπ πνπ εμαξηάηαη ινγαξηζκηθά από ηνλ αξηζκό ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ θαη γηα απηόλ ην ιόγν ππάξρεη κία κηθξή πξνηίκεζε ζην κηθξό αξηζκό πεγαίσλ ζπκβόισλ. Όπσο θαη ζηνπο κηθξνύο block θώδηθεο, έηζη θαη ζηνπο LT θώδηθεο ππάξρεη έλα ζεκείν, θαηά ην νπνίν ην αληηθείκελν είλαη αξθεηά κεγάιν ώζηε λα ρσξηζηεί ζε blocks. Γεληθά ην αληηθείκελν ρσξίδεηαη ζε blocks όηαλ ν αξηζκόο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ επί ην κήθνο ηνπ payload ηνπ παθέηνπ είλαη κηθξόηεξν από ην κέγεζνο ηνπ αληηθεηκέλνπ. Γηα παξάδεηγκα, εάλ ην payload είλαη 1024 bytes θαη ην κέγηζην πιήζνο Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 87

88 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor ησλ πεγαίσλ παθέησλ είλαη , ηόηε θάζε αληηθείκελν κεγαιύηεξν από 128 Mb ζα ρσξηζηεί ζε πεξηζζόηεξα από έλα blocks. Ρα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια κπνξνύλ λα θαζνξηζηνύλ κνλαδηθά από έλαλ αξηζκό block (όηαλ ην αληηθείκελν ρσξίδεηαη ζε πεξηζζόηεξα από έλα blocks) θαη έλα ID θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ. Ζ αξίζκεζε ησλ blocks (εάλ ρξεζηκνπνηείηαη) γίλεηαη ζπλερόκελα μεθηλώληαο από ην κεδέλ. Ν αξηζκόο block θαη ην ID θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ επηιέγνληαη νκνηόκνξθα θαη ηπραία από ην δηαζέζηκν εύξνο ηνπο. Γηα παξάδεηγκα, ζεσξώληαο πεγαία ζύκβνια θαη 2 blocks, θάζε παθέην πνπ παξάγεηαη από ηνλ LT θσδηθνπνηεηή κπνξεί λα έρεη ηε κνξθή (b, x: y). Ζ πξώηε ηηκή θαζνξίδεη ηνλ αξηζκό ηνπ block θαη ε δεύηεξε ηηκή θαζνξίδεη ην θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν ηνπ θάζε block. Πε απηό ην παξάδεηγκα, ν αξηζκόο block b είλαη είηε 0 είηε 1 θαη ην ID θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ x κπνξεί λα είλαη κία ηηκή ησλ 32 bit. Ζ ηηκή y είλαη ην θσδηθνπνηεκέλν ζύκβνιν Θέκαηα Αζθάιεηαο Ζ ρξήζε ηνπ FEC δελ πξνζζέηεη θακία πξόζζεηε αζθάιεηα ζε ζρέζε κε ηελ απνζηνιή ηεο ίδηαο πιεξνθνξίαο ρσξίο ηε ρξήζε FEC. Ξαξόια απηά, όπσο κε θάζε ζύζηεκα κεηάδνζεο, έλαο θαθόβνπινο απνζηνιέαο κπνξεί λα πξνζπαζήζεη λα πξνζβάιιεη ηα παθέηα κεηαθέξνληαο αιινησκέλα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια. Δάλ έλαο παξαιήπηεο δερζεί έλα ή πεξηζζόηεξα θαηεζηξακκέλα ζύκβνια, αληί ησλ γλήζησλ, ηόηε έλαο ηέηνηνο απνζηνιέαο ππάξρεη πεξίπησζε λα αλαθαηαζθεπάζεη έλα αιινησκέλν αληηθείκελν. Ζ δηαδηθαζία πηζηνπνίεζεο αληηθεηκέλνπ ζην επίπεδν εθαξκνγώλ κπνξεί λα αληρλεύζεη ηελ αιινησκέλε κεηάδνζε, αιιά ν παξαιήπηεο πξέπεη λα αθπξώζεη ην κεηαδηδόκελν αληηθείκελν. Ξξνζβάιινληαο αιινησκέλα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια, απηά ιακβάλνληαη ζαλ έγθπξα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια από έλαλ παξαιήπηε, ην νπνίν είλαη κία πξνζπάζεηα πηζαλήο επίζεζεο. Ιόγσ απηήο ηεο δπλαηόηεηαο, νη FEC παξαιήπηεο πξέπεη λα ειέγρνπλ ηε δηεύζπλζε ηεο πεγήο ελόο ιεθζέληνο ζπκβόινπ από κία ιίζηα από γλήζηεο δηεπζύλζεηο απνζηνιέσλ. Θαζώο ε δηεύζπλζε ηεο πεγήο κπνξεί λα είλαη πιαζηή, ηα πξσηόθνιια κεηαθνξάο πνπ ρξεζηκνπνηνύλ FEC ζα πξέπεη λα παξέρνπλ κεραληζκνύο γηα αμηόπηζηε εμαθξίβσζε ηεο πεγήο θάζε θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ. Νη multicast δξνκνινγεηέο θαηά κήθνο ηνπ κνλνπαηηνύ κεηάδνζεο κπνξεί λα παξέρνπλ ηε δπλαηόηεηα ηεο αθύξσζεο παθέησλ πνπ πξνέξρνληαη από έλα ππνδίθηπν θαη ε IP δηεύζπλζε απνζηνιήο ηνπο δελ αλήθεη ζε απηό ην ππνδίθηπν. Γεληθά, πξνηείλεηαη ε ρξήζε ελόο κεραληζκνύ πηζηνπνίεζεο παθέησλ, όπσο ν κεραληζκόο ηνπ [52], ζε ζπλεξγαζία κε ηνπο θώδηθεο FEC. Έηζη, παθέηα πνπ δελ κπνξνύλ λα πηζηνπνηεζνύλ ζα κπνξνύλ λα αθπξώλνληαη θαη ην κεηαδηδόκελν αληηθείκελν ζα κπνξεί λα αλαθηεζεί αμηόπηζηα από ηα ιεθζέληα παθέηα. 4.4 Οη Κώδηθεο Raptor Νη θώδηθεο Raptor παξνπζηάζηεθαλ από ηνλ Shokrollahi ην 2001 [53] θαη κία αλαιπηηθή επηζθόπεζή ηνπο παξέρεηαη ζην [54]. Ξξόθεηηαη γηα κία επέθηαζε ησλ θσδίθσλ LT, νη νπνίνη παξνπζηάζηεθαλ από ηνλ Luby [55]. Νη θώδηθεο Raptor πξνηππνπνηήζεθαλ γηα λα θαιύςνπλ ηηο αλάγθεο ζπκβαηηθώλ πινπνηήζεσλ ζε δηαθνξεηηθά πεξηβάιινληα γηα ηελ απνδνηηθή κεηάδνζε δεδνκέλσλ πάλσ ζε έλα broadcast δίθηπν. Ζ βαζηθή δηαδηθαζία ηεο πξνηππνπνίεζεο έγηλε ζην 3GPP θαη νη πξνδηαγξαθέο ηνπ πξνηππνπνηεκέλνπ θώδηθα Raptor παξνπζηάζηεθαλ ζηελ 88 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

89 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor ππεξεζία MBMS ηνπ 3GPP θαη είλαη ίδηεο κε ηηο πξνδηαγξαθέο ησλ [56] θαη [57]. Νη θώδηθεο Raptor πξνζθέξνπλ βειηίσζε ζηελ αμηνπηζηία ηεο κεηάδνζεο, ελώ παξάιιεια πξνζθέξνπλ έλα κεγάιν βαζκό ειεπζεξίαο ζηελ επηινγή ησλ παξακέηξσλ ηεο κεηάδνζεο. Νη θώδηθεο Raptor είλαη θώδηθεο ξνήο (fountain codes), πνπ ζεκαίλεη πσο κπνξνύλ λα παξάγνπλ άκεζα όζα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια θη αλ απαηηνύληαη από ηα πεγαία ζύκβνια ελόο πεγαίνπ block δεδνκέλσλ. Ν απνθσδηθνπνηεηήο είλαη ηθαλόο λα αλαθηήζεη ην πεγαίν block από νπνηνδήπνηε ζύλνιν θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ, ειαθξώο κεγαιύηεξν ζε πιήζνο από ην πιήζνο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ. Παλ απνηέιεζκα, νη θώδηθεο Raptor κπνξνύλ λα ιεηηνπξγνύλ πνιύ θνληά ζε έλαλ ηδαληθό fountain θώδηθα, ν νπνίνο ζα απαηηνύζε κόλν ηνλ αθξηβή αξηζκό ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ γηα λα αλαθηήζεη ην κεηαδηδόκελν αληηθείκελν. Γηα ηελ αλαιπηηθή πεξηγξαθή ησλ βαζηθώλ αξρώλ ιεηηνπξγίαο ησλ θσδίθσλ Raptor, ππνζέηνπκε πσο απνζηέιιεηαη έλα ηκήκα πεξηερνκέλνπ, απνηεινύκελν από k ζύκβνια, πάλσ ζε έλα κε αμηόπηζην θαλάιη όπνπ κπνξεί λα ραζνύλ θάπνηα ζύκβνια. Έλα ζύκβνιν απνηειείηαη από bits, κπνξεί λα είλαη πνιύ κηθξό όπσο έλα bit, ή κεγάιν όπσο έλα παθέην κεηάδνζεο ζην Γηαδίθηπν. Νξίδνπκε ην δηάλπζκα ησλ ζπκβόισλ x = (x 1, x 2,, x k) θαη ζεσξνύκε πσο όια ηα ζύκβνια ηνπ δηαλύζκαηνο έρνπλ ην ίδην κέγεζνο (ζε bits). Ρν δηάλπζκα x, θαιείηαη ην πεγαίν block ή απιώο ηα πεγαία ζύκβνια. Ζ δηαδηθαζία θσδηθνπνίεζεο ρξεζηκνπνηεί ηελ πξάμε XOR πάλσ ζηα ζύκβνια, όπνπ ε XOR δύν ζπκβόισλ x i θαη x j είλαη έλα ζύκβνιν, ηνπ νπνίνπ ην l- νζηό bit είλαη ε XOR ηνπ l-νζηνύ bit ηνπ x i θαη ηνπ l-νζηνύ bit ηνπ x j, αληίζηνηρα. Ζ πξάμε XOR ησλ x i θαη x j ζπκβνιίδεηαη κε x i x j. Δάλ ην α είλαη ζε GF(2) ηόηε ην αx ππνδειώλεη ην ζύκβνιν, ηνπ νπνίνπ ην l-νζηό bit είλαη ε πξάμε AND ηνπ α θαη ηνπ l- νζηνύ bit ηνπ x. Βάζεη απηνύ, εάλ ηα α 1, α 2,..., α k είλαη ζηνηρεία ζε GF(2), ηόηε ε k έθθξαζε i 1 α ix i είλαη έλα θαιώο νξηζκέλν ζύκβνιν Fountain Κώδηθεο Νη fountain θώδηθεο είλαη κία λέα θαη θαηλνηόκα θιάζε θσδίθσλ, ζρεδηαζκέλσλ γηα ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ πάλσ από ρξνληθά κεηαβαιιόκελα θαη άγλσζηα θαλάιηα κε απώιεηεο. Ξξσηνεκθαλίζηεθαλ ζην [48] θαη ε πξώηε απνδνηηθή ηνπο πινπνίεζε δόζεθε από ηνλ Luby ζην [50]. Έλαο fountain θώδηθαο ζρεδηαζκέλνο γηα k πεγαία ζύκβνια θαζνξίδεηαη από κία πηζαλνηηθή θαηαλνκή D πάλσ ζην ζύλνιν ησλ δπαδηθώλ αξηζκώλ κήθνπο k. Έλαο fountain θώδηθαο κπνξεί λα παξάγεη από ην δηάλπζκα x, κία απεξηόξηζηε ξνή από ζύκβνια y 1, y 2, y 3,, απνθαινύκελα ζύκβνια εμόδνπ, ηθαλνπνηώληαο έηζη πνιιέο ζεκειηώδεηο ηδηόηεηεο: 1) Θάζε ζύκβνιν εμόδνπ κπνξεί λα παξαρζεί ζύκθσλα κε ηελ αθόινπζε πηζαλνηηθή δηαδηθαζία: ε θαηαλνκή D δεηγκαηνιεπηείηαη γηα λα ζρεκαηηζηεί έλα δηάλπζκα (α 1,..., α k) θαη ε ηηκή ησλ ζπκβόισλ εμόδνπ νξίδεηαη λα είλαη k ίζε κε i 1 α ix i. ε δηαδηθαζία απηή αλαθέξεηαη ζαλ θσδηθνπνίεζε θαη ην δηάλπζκα (α 1,..., α k) θαιείηαη κάζθα. 2) Ρα ζύκβνια εμόδνπ κπνξνύλ ηώξα λα παξαρζνύλ αλεμάξηεηα. 3) Ρα πεγαία ζύκβνια κπνξνύλ λα αλαθηεζνύλ από νπνηνδήπνηε ζύλνιν από n ζύκβνια εμόδνπ, κε κεγάιε πηζαλόηεηα. Ζ δηαδηθαζία αλάθηεζεο ζπλήζσο θαιείηαη απνθσδηθνπνίεζε θαη ε πνζόηεηα n/k-1 θαιείηαη ην overhead ηνπ Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 89

90 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor απνθσδηθνπνηεηή. Ζ πηζαλόηεηα λα απνηύρεη ν απνθσδηθνπνηεηήο θαιείηαη πηζαλόηεηα ιάζνπο ηνπ θώδηθα. Ζ ηξίηε ηδηόηεηα δείρλεη πσο νη fountain θώδηθεο είλαη αλζεθηηθνί απέλαληη ζηηο απώιεηεο, θαζώο κόλν ν αξηζκόο ησλ ιεθζέλησλ ζπκβόισλ εμόδνπ έρεη ζεκαζία γηα ηελ απνθσδηθνπνίεζε. Γηαθνξεηηθνί fountain θώδηθεο δηαθέξνπλ ζην ζεκείν ηνπ απαηηνύκελνπ overhead γηα κία δεδνκέλε πηζαλόηεηα ιάζνπο. Δπίζεο δηαθέξνπλ θαη ζην ζεκείν ηεο ππνινγηζηηθήο ηνπο απόδνζεο γηα ηηο δηαδηθαζίεο ηεο θσδηθνπνίεζεο θαη απνθσδηθνπνίεζεο. Γηα ηνλ θαζνξηζκό απηνύ ηνπ ζεκείνπ, ν αλακελόκελνο αξηζκόο πξάμεσλ XOR γηα ηελ παξαγσγή ελόο ζπκβόινπ εμόδνπ θαιείηαη θόζηνο θσδηθνπνίεζεο ελόο fountain θώδηθα θαη ν αλακελόκελνο αξηζκόο XORs πνπ απαηηνύληαη γηα ηελ απνθσδηθνπνίεζε ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ από ηα ιεθζέληα ζύκβνια εμόδνπ θαιείηαη θόζηνο απνθσδηθνπνίεζεο. Όζνλ αθνξά ηελ ππνινγηζηηθή πνιππινθόηεηα, ν θαιύηεξνο ηύπνο fountain θσδίθσλ, πνπ κπνξεί θάπνηνο λα ζεσξήζεη, έρεη ζηαζεξό θόζηνο θσδηθνπνίεζεο (αλεμάξηεην ηνπ k) θαη θόζηνο απνθσδηθνπνίεζεο πνπ απμάλεηαη γξακκηθά κε ην k. Θα πξέπεη λα ζεκεηώζνπκε πσο ην λα εμεηάδεη θάπνηνο ηελ ππνινγηζηηθή πνιππινθόηεηα μερσξηζηά δελ έρεη λόεκα, αιιά γεληθά ζα πξέπεη λα εμεηάδνληαη ζπλνιηθά όιεο νη παξάκεηξνη ελόο ηέηνηνπ θώδηθα, δειαδή ην overhead, ε ππνινγηζηηθή πνιππινθόηεηα θαη ε πηζαλόηεηα ιάζνπο ηνπ απνθσδηθνπνηεηή. Πηε ιεηηνπξγία ηνπ θώδηθα, ηα ζύκβνια εμόδνπ πξέπεη λα πεξηιακβάλνπλ αλαγλσξηζηηθά πνπ ζα επηηξέπνπλ ζηνλ παξαιήπηε λα αλαθηήζεη ηε κάζθα θαζελόο ζπκβόινπ. Απηό επηηπγράλεηαη αλαζέηνληαο ζηα ζύκβνια εμόδνπ αλαγλσξηζηηθά θσδηθνπνηεκέλνπ ζπκβόινπ (Encoding Symbol IDs-ESI s). Πηνλ πξνηππνπνηεκέλν θώδηθα Raptor, έλα ESI είλαη έλαο 16-bit αθέξαηνο πνπ δηεπθνιύλεη ηε δεκηνπξγία ηεο κάζθαο ελόο ζπκβόινπ εμόδνπ. Ζ πην απινπνηεκέλε κνξθή απνθσδηθνπνίεζεο ελόο fountain θώδηθα είλαη ε παξαθάησ: ν παξαιήπηεο αλαθηά από θάζε ιεθζέλ ζύκβνιν y i ηελ αληίζηνηρε κάζθα ηνπ (α i1,, α ik) θαη θαηαζηξώλεη ην αθόινπζν ζύζηεκα γξακκηθώλ εμηζώζεσλ: a11 a1 k x1 y1. ( 1) a a x y n1 nk k n Πηελ πξαγκαηηθόηεηα, όιεο νη κέζνδνη απνθσδηθνπνίεζεο ησλ fountain θσδίθσλ πξνζπαζνύλ λα επηιύζνπλ ην παξαπάλσ ζύζηεκα εμηζώζεσλ, είηε απηό είλαη άκεζα αληηιεπηό, είηε όρη. Ρν βαζηθό ζεκείν θαηά ην ζρεδηαζκό ηνπ θώδηθα είλαη ε δεκηνπξγία ελόο αιγνξίζκνπ απνθσδηθνπνίεζεο ρακειήο πνιππινθόηεηαο κε ηθαλνπνηεηηθέο επηδόζεηο LT Κώδηθεο Νη LT θώδηθεο είλαη νη πξώηνη fountain θώδηθεο. Ξαξνπζηάδνπλ πάξα πνιύ θαιέο απνδόζεηο, όζνλ αθνξά ην απαηηνύκελν overhead θαη ηελ πηζαλόηεηα ιάζνπο. Γηα ηνπο LT θώδηθεο ε πηζαλνηηθή θαηαλνκή D έρεη κία ζπγθεθξηκέλε κνξθή ε νπνία πεξηγξάθεηαη από ηε δηαδηθαζία δεηγκαηνιεςίαο ηεο. Ζ θαξδηά ησλ LT θσδίθσλ είλαη κία πηζαλνηηθή θαηαλνκή Υ ησλ αθεξαίσλ 1,, k. Ζ θαηαλνκή απηή ζπρλά θαιείηαη ην βάξνο ή ε ηάμε ηεο θαηαλνκήο ηνπ LT θώδηθα. Γηα ηε δεκηνπξγία ελόο ζπκβόινπ εμόδνπ, εθαξκόδεηαη ε αθόινπζε δηαδηθαζία: 90 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

91 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor 1) Γεηγκαηνιεςία ηνπ Υ γηα λα δεκηνπξγεζεί έλαο αθέξαηνο w є {1,, k}. Ν αξηζκόο w θαιείηαη ην βάξνο ή ε ηάμε ηνπ ζπκβόινπ εμόδνπ. 2) Ρπραία, νκνηόκνξθε επηινγή ελόο δπαδηθνύ δηαλύζκαηνο (a 1,, a k) από Hamming βάξε w. k 3) Νξηζκόο ηεο ηηκήο ηνπ ζπκβόινπ εμόδνπ ζε i 1 α ix i. Έλαο LT θώδηθαο όπσο πεξηγξάθεθε παξαπάλσ νξίδεηαη από ηηο παξακέηξνπο ηνπ (k, Υ). Δπίζεο ζε θάζε ζύκβνιν εμόδνπ αλαηίζεηαη έλα ESI, ην νπνίν επηηξέπεη ηελ αλαθαηαζθεπή ηεο κάζθαο. Όπσο θαη κε ηνπο άιινπο fountain θώδηθεο, νη LT θώδηθεο κπνξνύλ λα απνθσδηθνπνηεζνύλ επηιύνληαο ην ζύζηεκα (1). Ξαξόια απηά, ζε πνιιέο εθαξκνγέο, ε απεπζείαο επίιπζε ηνπ ζπζηήκαηνο, ρξεζηκνπνηώληαο γηα παξάδεηγκα δηάζπαζε Gauss είλαη απαγνξεπηηθά θνζηνβόξα. Δίλαη ινηπόλ επηηαθηηθή αλάγθε, ε εθαξκνγή πην γξήγνξσλ αιγνξίζκσλ επίιπζεο θαη ν ζρεδηαζκόο ηεο θαηαλνκήο Υ κε ηέηνην ηξόπν, ώζηε νη αιγόξηζκνη απνθσδηθνπνίεζεο λα έρνπλ ρακειό θόξην θαη ηαπηόρξνλα λα δηαηεξνύλ ηελ πηζαλόηεηα ιάζνπο ζε πνιύ ρακειά επίπεδα. Έλαο από ηνπο απινύζηεξνπο αιγνξίζκνπο επίιπζεο είλαη ν άπιεζηνο αιγόξηζκνο, ν νπνίνο πεξηγξάθεηαη παξαθάησ ρξεζηκνπνηώληαο νξνινγία ηεο γξαθνζεσξίαο. Κεηά ηε ιήςε ησλ ζπκβόισλ εμόδνπ y 1,, y n, ηαμηλνκνύληαη ζε έλα δηκεξή γξάθν κε ηα ζύκβνια εμόδνπ λα απνηεινύλ ηε κία πιεπξά θαη ηα πεγαία ζύκβνια x 1,, x k ηελ άιιε. Θάζε ζύκβνιν εμόδνπ y ζπλδέεηαη κε όια ηα ζύκβνια εηζόδνπ ησλ νπνίσλ ην y είλαη ε πξάμε XOR. Έηζη, εάλ γηα παξάδεηγκα ην y = x 1 x 5 x 9, ην y ζπλδέεηαη κε ηα πεγαία ζύκβνια x 1, x 5 θαη x 9. Ν αιγόξηζκνο απνθσδηθνπνίεζεο είλαη κία παξαιιαγή ηνπ αιγνξίζκνπ πνπ παξνπζηάδεηαη ζην [46] θαη ιεηηνπξγεί ζε γύξνπο. Πε θάζε γύξν, αλαδεηείηαη έλα ζύκβνιν εμόδνπ βαζκνύ έλα θαη αληηγξάθεηαη ε ηηκή ηνπ ζηελ ηηκή ηνπ κνλαδηθνύ ηνπ γείηνλα κεηαμύ ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ. Πηε ζπλέρεηα εθαξκόδεηαη ε πξάμε XOR ηνπ ζπκβόινπ απηνύ κε όια ηα γεηηνληθά ηνπ ζύκβνια από ηα ζύκβνια εμόδνπ, δηαγξάθνληαο όιεο ηηο εμεξρόκελεο αθκέο ηνπ πεγαίνπ απηνύ ζπκβόινπ. Ζ δηαδηθαζία απηή ζπλερίδεηαη, κέρξηο όηνπ λα κελ βξεζεί ζύκβνιν εμόδνπ βαζκνύ έλα. Δάλ ζε απηό ην ζεκείν δελ έρνπλ αλαθηεζεί όια ηα πεγαία ζύκβνια, ηόηε δειώλεηαη έλα ιάζνο απνθσδηθνπνίεζεο. Πε εθαξκνγέο, είλαη ζπρλά επεξγεηηθό λα κελ εθηεινύληαη νη πξάμεηο XOR ηνπ αιγνξίζκνπ ακέζσο. Αληίζεηα, ζα κπνξνύζε λα ρξεζηκνπνηεζεί ν πξνεγνύκελνο αιγόξηζκνο απνθσδηθνπνίεζεο γηα ηε δεκηνπξγία ελόο ρξνλνδηαγξάκκαηνο ζην νπνίν απνζεθεύεηαη ε ζεηξά κε ηελ νπνία εθηεινύληαη ηα XORs. Δηθόλα 30. Παξάδεηγκα ελόο Κώδηθα LT. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 91

92 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor Ζ Δηθόλα 30 παξνπζηάδεη έλα παξάδεηγκα ελόο θώδηθα LT παξνπζηάδνληαο ην ζρεηηθό γξάθν θαη ην ρξνλνδηάγξακκα ην νπνίν πεξηγξάθεη ηε ζεηξά ηνπ αιγνξίζκνπ αλάθηεζεο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ από ηα ιεθζέληα ζύκβνια εμόδνπ. Όκσο, δελ είλαη ζε θακία πεξίπησζε βέβαην πσο ν άπιεζηνο αιγόξηζκνο επηηπγράλεη. Πηελ πξαγκαηηθόηεηα, ζρεδόλ όιεο νη επηινγέο γηα ηελ θαηαλνκή Υ ζα νδεγνύζαλ ζε αιγνξίζκνπο κε πνιύ κεγάιε πηζαλόηεηα ιάζνπο αθόκα θαη κε ηε ρξήζε κεγάινπ overhead. Δίλαη πνιύ εύθνιν λα δηαπηζησζεί πσο εάλ ν αιγόξηζκνο απνθσδηθνπνίεζεο έρεη πηζαλόηεηα ιάζνπο πνπ κεηώλεηαη αληηζηξόθσο αλάινγα κε ην k, ηόηε ην θόζηνο θσδηθνπνίεζεο πξέπεη λα είλαη ηεο ηάμεο ηνπ O(log(k)) [54], [55] θαη ην κέζν θόζηνο ελόο αιγνξίζκνπ ηεο ηάμεο ηνπ O(klog(k)). Δίλαη αμηνζεκείσην πσο απηό ην θξάγκα κπνξεί λα επηηεπρζεί κε έλα ζπγθεθξηκέλν ζρεδηαζκό, πνπ νλνκάδεηαη robust soliton distribution θαη αζπκπησηηθά εγγπάηαη κηθξή πηζαλόηεηα ιάζνπο κε έλα overhead ηεο ηάμεο ηνπ O(log 2 (k)/ k) [55] Με πζηεκαηηθνί Κώδηθεο Raptor Ξαξά ηελ εμαηξεηηθή απόδνζε ησλ LT θσδίθσλ, δελ είλαη δπλαηό λα θαηαζθεπαζηεί έλαο κεραληζκόο κε ζηαζεξό θόζηνο γηα ηελ θσδηθνπνίεζε θαη γξακκηθό θόζηνο γηα ηελ απνθσδηθνπνίεζε ρσξίο λα απμεζεί ε πηζαλόηεηα ιάζνπο. Δηδηθόηεξα, κία απιή αλάιπζε δείρλεη πσο γηα λα επηηεπρζεί ζηαζεξό θόζηνο θσδηθνπνίεζεο κε ινγηθό overhead, ε πηζαλόηεηα ιάζνπο ζα είλαη θη απηή ζηαζεξή. Κία επέθηαζε ησλ θσδίθσλ LT, νη θώδηθεο Raptor είλαη κία θιάζε fountain θσδίθσλ κε ζηαζεξό θόζηνο θσδηθνπνίεζεο θαη γξακκηθό θόζηνο απνθσδηθνπνίεζεο. Πε ζύγθξηζε κε ηνπο LT θώδηθεο, πεηπραίλνπλ απηή ηελ ππεξνρή ζηελ πνιππινθόηεηα ζε βάξνο ελόο αζπκπησηηθά κεγαιύηεξνπ overhead, παξόηη ζηηο πεξηζζόηεξεο πξαθηηθέο πινπνηήζεηο ηνπο νη θώδηθεο Raptor ππεξηεξνύλ ησλ LT ζε πνιιά ζέκαηα. Πηελ πξαγκαηηθόηεηα, γηα ζηαζεξό overhead ε κπνξνύλ λα θαηαζθεπαζηνύλ νηθνγέλεηεο θσδίθσλ Raptor κε θόζηνο θσδηθνπνίεζεο O(log(1/ε)), θόζηνο απνθσδηθνπνίεζεο O(klog(1/ε)) θαη πηζαλόηεηα ιάζνπο πνπ αζπκπησηηθά κεηώλεηαη αληηζηξόθσο πνιπσλπκηθά κε ην k [54]. Δηθόλα 31. Παξάδεηγκα ελόο Κώδηθα Raptor. Νη θώδηθεο Raptor πεηπραίλνπλ απηή ηελ απόδνζε ρξεζηκνπνηώληαο κία απιή ηδέα: ε πεγή x πξνθσδηθνπνηείηαη ρξεζηκνπνηώληαο έλα γξακκηθό θώδηθα C δηάζηαζεο k θαη κήθνπο ηνπ block m. Ζ θσδηθνπνίεζε ηνπ x κε ηνλ C παξάγεη έλα δηάλπζκα z = (z 1,, z m) ζπκβόισλ πνπ νλνκάδνληαη ζύκβνια εηζόδνπ. Ππρλά 92 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

93 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor ρξεζηκνπνηείηαη κία ζπζηεκαηηθή θσδηθνπνίεζε γηα ηνλ C, θαηά ηελ νπνία ην z = (x 1,, x k, z 1,,, z m-k), όπνπ ηα z 1,,, z m-k είλαη πιενλάδνληα ζύκβνια. Πηε ζπλέρεηα, εθαξκόδεηαη έλαο θαηάιιεια επηιεγκέλνο LT θώδηθαο (m, Υ) ζην z γηα λα παξαρζνύλ ηα ζύκβνια εμόδνπ y 1, y 2,. Ν ραξαθηεξηζκόο ελόο θώδηθα Raptor κπνξεί λα γίλεη από ηηο παξακέηξνπο ηνπ (C, k, Υ). Έλα παξάδεηγκα ελόο θώδηθα Raptor παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 31. Πε απηό ην παξάδεηγκα ην κεηξών ειέγρνπ ηεο πξνθσδηθνπνίεζεο C είλαη: H Νη θώδηθεο Raptor κπνξνύλ λα απνθσδηθνπνηεζνύλ κε δηάθνξνπο ηξόπνπο. Ν πην απιόο απνθσδηθνπνηεηήο θαηαζηξώλεη έλα ζύζηεκα από γξακκηθέο εμηζώζεηο θαη επηιύεη ην ζύζηεκα κε δηάζπαζε Gauss. Ζ ιεηηνπξγία ηνπ ζπζηήκαηνο έρεη ηελ παξαθάησ δνκή: ζεσξνύκε πσο ν θώδηθαο C έρεη έλα κεηξών ειέγρνπ H κε m ζηήιεο θαη m-k γξακκέο. Δπηπιένλ, ζεσξνύκε πσο θάζε ζύκβνιν εμόδνπ y i έρεη κία κάζθα (α i1,, α mi), ε νπνία αλαθηάηαη ρξεζηκνπνηώληαο ην ESI ηνπ ζπκβόινπ εμόδνπ. Δπηπξόζζεηα, έζησ (z 1,, z m) ηα ζύκβνια εηζόδνπ ηνπ LT θώδηθα. Ζ αλάθηεζε απηώλ ησλ ζπκβόισλ εηζόδνπ είλαη ηζνδύλακε κε ηελ αλάθηεζε ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ, θάηη πνπ είλαη πξνθαλέο εάλ ν C είλαη ζπζηεκαηηθόο. Ρα ζύκβνια εηζόδνπ κπνξνύλ λα αλαθηεζνύλ επηιύνληαο ην παξαθάησ γξακκηθό ζύζηεκα: y m y z 2m 1 z2 yn. ( 2) n 1 n2 nm z m 0 H 0 Γεληθά, κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ε δηάζπαζε Gauss γηα ηελ επίιπζε ηνπ ζπζηήκαηνο, θαζώο ν απνθσδηθνπνηεηήο ζα είλαη βέιηηζηνο ππό ηελ έλλνηα ηεο απνθσδηθνπνίεζεο, θαζώο έλαο ηέηνηνο αιγόξηζκνο ζα απνηπγράλεη, εάλ θαη κόλν εάλ, απνηπγράλεη ε δηάζπαζε Gauss. Ξαξόια απηά, ν ρξόλνο εθηέιεζεο ηνπ απνθσδηθνπνηεηή ζα είλαη απαγνξεπηηθά κεγάινο. Έλαο δηαθνξεηηθόο απνθσδηθνπνηεηήο κε πνιύ κηθξόηεξε πνιππινθόηεηα ιεηηνπξγεί κε ηνλ ίδην ηξόπν κε ηνλ άπιεζην αιγόξηζκν ησλ LT θσδίθσλ. Ρν κεηξών ηνπ (2) ρξεζηκνπνηείηαη ζαλ κεηξών ζύλδεζεο ησλ m ζπκβόισλ εηζόδνπ θαη ησλ n+m-k ζπκβόισλ εμόδνπ. Γεκηνπξγνύληαη n δπλακηθά ζύκβνια εμόδνπ, ησλ νπνίσλ ε ζρέζε κε ηα ζύκβνια εηζόδνπ παξνπζηάδεηαη ζηνλ πάλσ γξάθν ηεο Δηθόλα 31 θαη ηα ηειεπηαία m-k ζηαηηθά ζύκβνια εμόδνπ κε ηηο ηηκέο ηνπο λα είλαη κεδέλ, ησλ νπνίσλ ε ζρέζε κε ηα ζύκβνια εηζόδνπ παξνπζηάδεηαη ζηνλ θάησ γξάθν. Πηε ζπλέρεηα κπνξεί λα εθαξκνζηεί ν άπιεζηνο αιγόξηζκνο ηεο πξνεγνύκελεο παξαγξάθνπ γηα ηελ αλάθηεζε ησλ ζπκβόισλ εηζόδνπ. Ξεξηζζόηεξεο ιεπηνκέξεηεο γηα ηε δηαδηθαζία απνθσδηθνπνίεζεο παξέρνληαη ζην [58] Ο πζηεκαηηθόο Πξνηππνπνηεκέλνο Κώδηθαο Raptor Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 93

94 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor Πε αξθεηέο εθαξκνγέο είλαη επηηαθηηθή αλάγθε ηα πεγαία ζύκβνια λα παίξλνπλ κέξνο ζηε κεηάδνζε. Έλαο ζπζηεκαηηθόο fountain θώδηθαο είλαη έλαο fountain θώδηθαο ν νπνίνο, εθηόο από ηηο ηξεηο ηδηόηεηεο πνπ αλαθέξζεθαλ ζηελ πξνεγνύκελε παξάγξαθν, πξέπεη λα δηαζέηεη θαη ηηο επόκελεο δύν ηδηόηεηεο: 1) Ρα αξρηθά πεγαία ζύκβνια πεξηέρνληαη ζηε ξνή ησλ κεηαδηδόκελσλ ζπκβόισλ εμόδνπ. Ρα ζύκβνια εμόδνπ πνπ δελ αλήθνπλ ζην ζύλνιν ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ νλνκάδνληαη ζύκβνια επηζθεπήο (repair symbols). 2) Γηα θάζε 0 l m, όια ηα πεγαία ζύκβνια κπνξνύλ λα αλαθηεζνύλ από νπνηνδήπνηε ζύλνιν l από ηα πεγαία ζύκβνια θαη νπνηνδήπνηε ζύλνιν n-l ζπκβόισλ επηζθεπήο, κε κεγάιε πηζαλόηεηα. Δηθόλα 32. Παξάδεηγκα ελόο πζηεκαηηθνύ Κώδηθα Raptor. Ζ απιή ηδέα ηεο απνζηνιήο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ παξάιιεια κε ηα απιά ζύκβνια εμόδνπ ελόο κε ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor απνηπγράλεη. Απηό ζπκβαίλεη γηαηί ππάξρεη κεγάιε δηαθνξά κεηαμύ ησλ ζηαηηζηηθώλ απόδνζεο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ θαη ησλ ζπκβόισλ επηζθεπήο. Αληηζέησο, απηό πνπ ρξεηάδεηαη είλαη κία κέζνδνο πνπ θάλεη ηα πεγαία ζύκβνια όκνηα κε ηα άιια ζύκβνια εμόδνπ. Κε κία ηέηνηα κέζνδν, νη δηαθνξέο κεηαμύ ησλ δύν ζπλόισλ εμαθαλίδνληαη θαη δελ έρεη θακία ζεκαζία πνην κέξνο ησλ ιεθζέλησλ ζπκβόισλ είλαη πεγαία. Κία ηέηνηα κέζνδνο έρεη πεξηγξαθεί ζην [54] θαη ζην [59]. Ζ βαζηθή ηδέα πίζσ από απηήλ ηε κέζνδν είλαη ε αθόινπζε: ε δηαδηθαζία μεθηλά κε έλα κε ζπζηεκαηηθό θώδηθα Raptor, όπνπ παξάγνληαη k ζύκβνια εμόδνπ. Πηε ζπλέρεηα εθηειείηαη έλαο αιγόξηζκνο, ν νπνίνο εμεηάδεη εάλ είλαη δπλαηόλ λα απνθσδηθνπνηεζνύλ ηα ζύκβνια εηζόδνπ ρξεζηκνπνηώληαο ηα ζπγθεθξηκέλα ζύκβνια εμόδνπ. Δάλ λαη, ηόηε αλαγλσξίδνληαη απηά ηα ζύκβνια εμόδνπ καδί κε ηα πεγαία ζύκβνια θαη απνθσδηθνπνηνύληαη γηα λα παξαρζεί έλα ζύλνιν από m ελδηάκεζα ζύκβνια (intermediate symbols). Πηε ζπλέρεηα, δεκηνπξγνύληαη ηα ζύκβνια επηζθεπήο από ηα ελδηάκεζα ζύκβνια ρξεζηκνπνηώληαο ηελ θαλνληθή δηαδηθαζία θσδηθνπνίεζεο ησλ θσδίθσλ Raptor. Έλα παξάδεηγκα ελόο ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 32. Πην ζπγθεθξηκέλν παξάδεηγκα ηα πεγαία ζύκβνια είλαη ηα x 1,, x 6. Νη θόκβνη s 1, s 2 έρνπλ παξαρζεί από ηηο ζρέζεηο πνπ ππαγνξεύνληαη από ηελ πξνθσδηθνπνίεζε θαη νη ηηκέο ηνπο είλαη κεδέλ. Πην πξώην βήκα, ηα ελδηάκεζα ζύκβνια z 1,, z 8 παξάγνληαη από ηα πεγαία ζύκβνια εθαξκόδνληαο 94 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

95 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor απνθσδηθνπνίεζε. Νη επόκελεο δηαδηθαζίεο νδεγνύλ ζηα z i όπσο παξνπζηάδνληαη ζηελ Δηθόλα 32 αξηζηεξά. Πηε ζπλέρεηα, ηα ζύκβνια εμόδνπ παξάγνληαη από απηά ηα ελδηάκεζα ζύκβνια. Πεκεηώλεηαη πσο εθ θαηαζθεπήο ηα x i είλαη επίζεο νη XORs ησλ z i κε ηα νπνία ζπλδένληαη. Ρν βαζηθόηεξν ζεκείν απηήο ηεο κεζόδνπ είλαη ην πξώην βήκα θαηά ην νπνίν πξέπεη λα βξεζνύλ k ζύκβνια εμόδνπ πνπ λα είλαη απνθσδηθνπνηήζηκα. πάξρεη κία πνηθηιία κεζόδσλ πνπ κπνξνύλ λα πξαγκαηνπνηήζνπλ θάηη ηέηνην. Ρα ζύκβνια εμόδνπ πνπ παξάγνληαη από απηέο ηηο κεζόδνπο δηαθέξνπλ ζηελ πηζαλόηεηα ιάζνπο θαη ζηελ πνιππινθόηεηα ηνπ απνθσδηθνπνηεηή. Νη ππνινγηζκνί πνπ αθνξνύλ απηά ηα ζύκβνια κπνξνύλ λα εθηειεζηνύλ εθ ησλ πξνηέξσλ θαη κπνξεί λα δηαηεξεζεί ην θαιύηεξν ζύλνιν ζπκβόισλ εμόδνπ γηα επαλαιακβαλόκελε ρξήζε. Ππλεπώο, απηό πνπ ρξεηάδεηαη είλαη κία απνδνηηθή κέζνδν γηα ηελ επαλαπαξαγσγή απηώλ ησλ ζπκβόισλ εμόδνπ, γηα παξάδεηγκα έλαο αθέξαηνο ησλ 16 bit. Ν πξνηππνπνηεκέλνο θώδηθαο Raptor ηνπ [23] θάλεη αθξηβώο απηό, πξνζθέξνληαο γηα θάζε κήθνο k κεηαμύ 1 θαη 8192 έλαλ 16-bit αθέξαην θαη κία δηαδηθαζία γηα ηελ παξαγσγή ησλ k ζπκβόισλ εμόδνπ από απηό ηνλ αθέξαην Η Απόδοζη ηοσ Προησποποιημένοσ Κώδικα Raptor πάξρνπλ αξθεηά ζέκαηα πνπ πξέπεη λα εμεηαζηνύλ θαηά ηελ αμηνιόγεζε ηεο απόδνζεο ησλ θσδίθσλ Raptor. Απηά πεξηιακβάλνπλ ηελ απόδνζε θσδηθνπνίεζεο, ηελ πνιππινθόηεηα (ηδηαίηεξα ηνπ απνθσδηθνπνηεηή) θαη ηελ πξνζαξκνζηηθόηεηα ζε δηαθνξεηηθέο πεξηπηώζεηο ρξήζεο. Απνηειεζκαηηθά ζπκπεξάζκαηα κπνξνύλ λα εμαρζνύλ από ηε ζύγθξηζε ηνπ πξνηππνπνηεκέλνπ θώδηθα Raptor κε έλαλ ηδαληθό fountain θώδηθα. Έλαο ηέηνηνο θώδηθαο έρεη ηελ ηδηόηεηα πσο γηα νπνηνδήπνηε αξηζκό k πεγαίσλ ζπκβόισλ, κπνξεί λα δεκηνπξγήζεη νπνηνδήπνηε αξηζκό m ζπκβόισλ επηζθεπήο εμαζθαιίδνληαο πσο, νπνηνζδήπνηε ζπλδπαζκόο k από ηα k+m πεγαία θαη επηζθεπήο ζύκβνια είλαη επαξθήο γηα ηελ αλάθηεζε ησλ k πεγαίσλ ζπκβόισλ. Ππλεπώο, έλαο ηδαληθόο fountain θώδηθαο έρεη κεδεληθό overhead ιήςεο, δειαδή ν αξηζκόο ησλ ιεθζέλησλ ζπκβόισλ πνπ απαηηνύληαη γηα ηελ απνθσδηθνπνίεζε ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ, είλαη αθξηβώο ν αξηζκόο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ αλεμάξηεηα από ην πνηα ζύκβνια έρνπλ ιεθζεί. Απνηειέζκαηα πξνζνκνίσζεο ησλ θσδίθσλ Raptor, όπσο γηα παξάδεηγκα ηα [60], [61], δείρλνπλ πσο νη θώδηθεο Raptor έρνπλ overhead ιήςεο πνιύ θνληά ζε απηό ησλ ηδαληθώλ fountain θσδίθσλ. Γηα κία ζύλνδν κεηάδνζεο ελόο αξρείνπ κε ηε ρξήζε Application Layer FEC (AL- FEC), ην overhead κεηάδνζεο νξίδεηαη ζαλ 100 (Λ/Θ-1), όπνπ ην Λ είλαη ν αξηζκόο ησλ θσδηθνπνηεκέλσλ παθέησλ πνπ κεηαδόζεθαλ θαηά ηε ζύλνδν ιήςεο ηνπ αξρείνπ θαη Θ είλαη ν αξηζκόο ησλ πεγαίσλ παθέησλ ηνπ αξρηθνύ αξρείνπ (όια ηα παθέηα είλαη ίδηνπ κεγέζνπο). Άξα, ην overhead κεηάδνζεο είλαη ην πνζό ησλ δεδνκέλσλ επηζθεπήο πνπ ζηάιζεθαλ γηα ηε ιήςε ηνπ αξρείνπ, κεηξνύκελν ζαλ πνζνζηό ηνπ κεγέζνπο ηνπ αξρείνπ. Θαηά ηε θάζε πξνηππνπνίεζεο ηεο ππεξεζίαο MBMS, ην 3GPP δνθίκαζε εθηελώο δηαθνξεηηθέο ελαιιαθηηθέο γηα λα παξέρεη αμηνπηζηία ζηα ζπζηήκαηά ηνπ. Έλα ελδεηθηηθό απνηέιεζκα παξέρεηαη ζηελ Δηθόλα 33, όπνπ παξνπζηάδεηαη ε πηζαλόηεηα απνηπρεκέλεο απνθσδηθνπνίεζεο ζε αληίζεζε κε ην overhead κεηάδνζεο όηαλ κεηαδίδεηαη έλα αξρείν 3 Mb θσδηθνπνηεκέλν κε Raptor πάλσ από έλαλ UMTS bearer κε δηαθνξεηηθνύο ξπζκνύο απσιεηώλ ζην επίπεδν δεύμεο p, ζπγθξηλόκελνο κε έλαλ ηδαληθό fountain θώδηθα. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 95

96 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor Δηθόλα 33. Πηζαλόηεηα Απνηπρίαο vs. Overhead Μεηάδνζεο. Δίλαη μεθάζαξν από ηα απνηειέζκαηα πσο γηα απηέο ηηο ζπλζήθεο νη Raptor θώδηθεο ιεηηνπξγνύλ ηόζν θαιά όζν θαη νη ηδαληθνί fountain θώδηθεο γηα όινπο ηνπο ξπζκνύο απσιεηώλ. Δίλαη επίζεο άμην λα ζεκεησζεί πσο ν ξπζκόο απώιεηαο θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ είλαη γεληθά κεγαιύηεξνο από ην ξπζκό απώιεηαο ζην επίπεδν δεύμεο, θαζώο ε αληηζηνίρηζε ησλ IP παθέησλ ζηα παθέηα ηνπ επηπέδνπ δεύμεο δελ είλαη ηέιεηα. Ζ απόδνζε ησλ θσδίθσλ Raptor ζπγθξηλόκελε κε έλαλ ηδαληθό fountain θώδηθα έρεη εξεπλεζεί θαη πεξαηηέξσ, θαζώο ε απόδνζε ηνπ overhead ελόο AL-FEC θώδηθα κπνξεί λα εθθξαζηεί από ηελ πηζαλόηεηα απνηπρεκέλεο απνθσδηθνπνίεζεο p f(n,k) ζε ζπλάξηεζε κε ην κέγεζνο k ηνπ πεγαίνπ block θαη ηνλ αξηζκό ησλ ιεθζέλησλ ζπκβόισλ n. Ζ ζρέζε έρεη νξηζηεί ζαλ: 1 p f (n,k) n-k if n k, if n k. ( 3). Πηελ Δηθόλα 34 παξνπζηάδεηαη ε πηζαλόηεηα απνηπρίαο p f(n,k) ζε αληίζεζε κε ηελ πνζόηεηα n-k, ε νπνία ραξαθηεξίδεη ην overhead ηνπ θώδηθα. Ξαξαηεξείηαη πσο γηα δηαθνξεηηθέο ηηκέο ηνπ k, ε παξάζηαζε p f(n,k) εμνκνηώλεη ζρεδόλ ηέιεηα ηελ απόδνζε ηνπ overhead. Γηα ηνλ θώδηθα Raptor ε πηζαλόηεηα απνηπρίαο γηα n k κεηώλεηαη εθζεηηθά κε ηελ αύμεζε ηνπ αξηζκνύ ησλ ιεθζέλησλ ζπκβόισλ. Ζ αύμεζε είλαη ηόζν γξήγνξε, πνπ γηα κόλν 12 επηπξόζζεηα ζύκβνια ε πηζαλόηεηα απνηπρίαο είλαη 0.1% θαη γηα 24 επηπξόζζεηα ζύκβνια γίλεηαη %. Γηα έλα ηππηθό πεγαίν block κεγέζνπο k 1000 ζπκβόισλ, ην απαηηνύκελν overhead γηα πηζαλόηεηα απνηπρίαο 0.1% είλαη θάησ από 1.2% θαη γηα πηζαλόηεηα απνηπρίαο % είλαη θάησ από 2.4%. 96 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

97 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor Δηθόλα 34. Πηζαλόηεηα Απνηπρίαο vs. Overhead Λήςεο. Ρν κέζν overhead ηνπ θώδηθα, ε, είλαη ην κέζν πνζό ησλ επηπξόζζεησλ απαξαίηεησλ δεδνκέλσλ γηα ηελ αλάθηεζε ελόο πεγαίνπ block. Πε πξαθηηθά πεξηβάιινληα, θάηη ηέηνην αληαπνθξίλεηαη ζε έλαλ παξαιήπηε πνπ δεηά ηελ απνζηνιή θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ κέρξηο όηνπ ε απνθσδηθνπνίεζε λα γίλεη δπλαηή. Βάζεη ηεο ζπλάξηεζεο p f(n,k), ην κέζν overhead, ε, ζε ζρέζε κε ην k δίλεηαη σο: i1 i ( k) i( p f( k i 1, k) p f( k i, k)) i( o ). k i0 k i0 ( ) k Γειαδή ε ηειηθή ζρέζε είλαη πεξίπνπ 2/k. Ππλεπώο, ν αξηζκόο ησλ επηπξόζζεησλ ζπκβόισλ είλαη θαηά κέζν όξν 2, αλεμάξηεηα ηνπ k. Ρν κέζν overhead ιήςεο κεηώλεηαη κε ηελ αύμεζε ηνπ k θαη γηα ηππηθέο ηηκέο ηνπ k 1000 είλαη ην πνιύ 0.2%. Όζνλ αθνξά ηελ πνιππινθόηεηα, ν πξνηππνπνηεκέλνο θώδηθαο Raptor είλαη αξθεηά απνδνηηθόο. Γηα παξάδεηγκα ζε κία θηλεηή πιαηθόξκα ARM ησλ 206 MHz κπνξνύλ λα επηηεπρζνύλ ηαρύηεηεο απνθσδηθνπνίεζεο κεγαιύηεξεο από 25 Mbps. Πε ζύγθξηζε, γηα παξάδεηγκα κε ηνπο Reed-Solomon θώδηθεο, νη νπνίνη ιεηηνπξγνύλ κε κε δπαδηθά ζύκβνια, ε ππνινγηζηηθή πνιππινθόηεηα ησλ θσδίθσλ Raptor είλαη ηάμεηο κεγέζνπο κηθξόηεξε. Δπηπιένλ πιενλεθηήκαηα ησλ θσδίθσλ Raptor είλαη πσο ε πνιππινθόηεηα είλαη γξακκηθή κε ην κέγεζνο ησλ πεγαίσλ δεδνκέλσλ θαη παξακέλεη γξακκηθή γηα θάζε ξπζκό απώιεηαο παθέησλ. Νη απαηηήζεηο ζε κλήκε είλαη επίζεο αξθεηά ειθπζηηθέο, θαζώο θαη γηα ηελ θσδηθνπνίεζε θαη γηα ηελ απνθσδηθνπνίεζε απαηηείηαη κόλν ειαθξώο κεγαιύηεξε κλήκε από ην κέγεζνο ηνπ πεγαίνπ block. 4.5 Οη Κώδηθεο RaptorQ Νη θώδηθεο RaptorQ [62] είλαη νη πην επέιηθηνη θαη ηζρπξνί θώδηθεο ηηο νηθνγέλεηαο θσδίθσλ Raptor, εμειηγκέλνη πξόζθαηα από ηνλ νξγαληζκό Digital Fountain (DF). Ξξόθεηηαη γηα έλαλ ζπζηεκαηηθό θώδηθα, ν νπνίνο ππνζηεξίδεη έσο θαη πεγαία ζύκβνια αλά πεγαίν block θαη ηελ παξαγσγή πεξηζζόηεξσλ από 16 εθαηνκκπξίσλ ζπκβόισλ επηζθεπήο αλά πεγαίν block. πνζηεξίδεη κέγεζνο Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 97

98 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor ζπκβόινπ έσο θαη bytes θαη πξνζθέξεη γξακκηθό ρξόλν θσδηθνπνίεζεο θαη απνθσδηθνπνίεζεο, ζπγθξηλόκελνο πάληα κε ηνλ πξνηππνπνηεκέλν από ην 3GPP ζπζηεκαηηθό θώδηθα Raptor. Δπίζεο πξνζθέξεη θαιύηεξεο ηδηόηεηεο αλάθηεζεο ηνπ κεηαδηδόκελνπ αληηθεηκέλνπ, θαζώο εάλ ην πιήζνο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ είλαη k, ηόηε κε ηε ιήςε k ζπκβόισλ πεηπραίλεη ηελ απνθσδηθνπνίεζε ζε πνζνζηό 99%, κε ηε ιήςε k+1 ζπκβόισλ ζε πνζνζηό 99.99% θαη κε ηε ιήςε k+2 ζπκβόισλ ζε πνζνζηό %. Ν θώδηθαο RaptorQ είλαη απινύζηεξνο από ηνλ θώδηθα Raptor, θαζώο ζπληζηά ηε ρξήζε ελόο ζπκβόινπ αλά παθέην θαη πην επέιηθηνο, ππνζηεξίδνληαο κεγαιύηεξνπ κεγέζνπο πεγαία blocks, δηαζέηνληαο ηελ ηθαλόηεηα λα θσδηθνπνηήζεη έλα αξρείν κεγέζνπο κεγαιύηεξνπ ησλ 40 Mb ζαλ έλα πεγαίν block. Ν Ξίλαθαο 2 παξνπζηάδεη ζπλνιηθά ηηο βειηηώζεηο ηνπ θώδηθα RaptorQ ζε ζρέζε κε ηνλ Raptor. Ν θώδηθαο RaptorQ αλακέλεηαη λα ελζσκαησζεί ζην κέιινλ ζε πνιιά πξόηππα ηνπ 3GPP γηα ηελ παξάδνζε αξρείσλ θαη γηα streaming ππεξεζίεο. Πίλαθαο 2. Σα Πιενλεθηήκαηα ηνπ Κώδηθα RaptorQ. Property Raptor RFC 5053 [63] RaptorQ # source symbols # encoded symbols Max. sym. Size # source blocks Recovery properties Good Exceptional # symbols/packet Often multiple 1 Sub-block support Good Improved 4.6 Ο Κώδηθαο Raptor ζηελ Τπεξεζία MBMS Streaming Ν θώδηθαο FEC Raptor κπνξεί λα εθαξκνζηεί θαη ζηελ ππεξεζία MBMS download θαη ζηελ ππεξεζία MBMS streaming. Πηε ζπγθεθξηκέλε παξάγξαθν πεξηγξάθνπκε ηηο βαζηθέο παξακέηξνπο ιεηηνπξγίαο ηνπ κεραληζκνύ FEC Raptor γηα ηηο ππεξεζίεο MBMS streaming ηνπ 3GPP. Ρν θύξην ζπζηαηηθό ηνπ ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor είλαη ν βαζηθόο θσδηθνπνηεηήο, ν νπνίνο πεξηγξάθεηαη αλαιπηηθά ζην Ξαξάξηεκα I. Γηα ηε δηαδηθαζία ηεο απνθσδηθνπνίεζεο είλαη δπλαηή ε ρξήζε ελόο πιήζνπο πηζαλώλ αιγνξίζκσλ απνθσδηθνπνίεζεο. Έλαο απνδνηηθόο απνθσδηθνπνηεηήο πεξηγξάθεηαη ζην [63]. Ζ θαηαζθεπή ησλ ελδηάκεζσλ θαη επηζθεπήο ζπκβόισλ βαζίδεηαη ζε κία ςεπδνηπραία γελλήηξηα αξηζκώλ, ε ιεηηνπξγία ηεο νπνίαο βαζίδεηαη ζε έλα ζηαζεξό ζύλνιν από 512 ηπραίνπο αξηζκνύο, νη νπνίνη πξέπεη λα είλαη δηαζέζηκνη θαη ζηνλ απνζηνιέα θαη ζηνλ παξαιήπηε. Ζ θαηαζθεπή ησλ ελδηάκεζσλ ζπκβόισλ από ηα πεγαία ζύκβνια βαζίδεηαη ζε έλα ζπζηεκαηηθό πεξηερόκελν, νη ηηκέο ηνπ νπνίνπ ππνζηεξίδνπλ κεγέζε πεγαίνπ block από 4 έσο K max = 8192 πεγαία ζύκβνια Καηαζθεπή Πεγαίνπ Block 98 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

99 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor Έλα πεγαίν block θαηαζθεπάδεηαη από ην πξσηόθνιιν κεηαθνξάο, θάλνληαο ρξήζε ηνπ ζπζηεκαηηθνύ FEC Raptor θώδηθα. Ρν κέγεζνο ηνπ ζπκβόινπ, T, ην νπνίν ζα ρξεζηκνπνηεζεί γηα ηελ θαηαζθεπή ηνπ πεγαίνπ block θαζώο θαη ε θαηαζθεπή ησλ ζπκβόισλ επηζθεπήο παξέρνληαη από ην πξσηόθνιιν κεηαθνξάο. Ζ παξάκεηξνο T πξέπεη λα νξίδεηαη έηζη, ώζηε ν αξηζκόο ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ ζε νπνηνδήπνηε πεγαίν block λα κελ ππεξβαίλεη ηελ ηηκή K max. Νη πξνηεηλόκελεο ξπζκίζεηο γηα ηελ παξάκεηξν T, βαζίδνληαη ζηηο παξαθάησ παξακέηξνπο εηζόδνπ: B, ην κέγηζην κέγεζνο ηνπ πεγαίνπ block, ζε bytes. P, ην κέγηζην κέγεζνο ηνπ payload ησλ παθέησλ επηζθεπήο, ζε bytes, ην νπνίν είλαη πνιιαπιάζην ηνπ A. A, ν παξάγνληαο επζπγξάκκηζεο ζπκβόινπ, ζε bytes. K max, ν κέγηζηνο αξηζκόο πεγαίσλ ζπκβόισλ αλά πεγαίν block. K min, έλαο ειάρηζηνο ζηόρνο γηα ηνλ αξηζκό ησλ ζπκβόισλ αλά πεγαίν block. G max, έλαο κέγηζηνο ζηόρνο γηα ηνλ αξηζκό ησλ ζπκβόισλ αλά παθέην επηζθεπήο. Κία απαίηεζε γηα απηέο ηηο παξακέηξνπο είλαη πσο ceil(b/p) K max. Βάζεη ησλ παξαπάλσ παξακέηξσλ εηζόδνπ, ην T ππνινγίδεηαη σο αθνινύζσο: Έζησ, G = min{ceil(p K min/b),p/a,g max} 1, ν αθξηβήο αξηζκόο ησλ ζπκβόισλ αλά παθέην, ηόηε T = floor(p/(a G)) A 2. Δπίζεο κπνξεί λα είλαη επεξγεηηθό λα εμαζθαιηζηεί πσο ην T ζα δηαηξεί ην P. Δπηπιένλ, ε επηινγή ηνπ T κπνξεί λα εμαξηάηαη από ην κέγεζνο ηνπ πεγαίνπ παθέηνπ. Γηα παξάδεηγκα, εάλ όια ηα πεγαία παθέηα είλαη ηνπ ίδηνπ κεγέζνπο ηόηε ζα ήηαλ απνδνηηθό λα επηιεγεί ην T, έηζη ώζηε ην κέγεζνο ηνπ payload ελόο παθέηνπ επηζθεπήο P λα είλαη πνιιαπιάζην ηνπ T θαη λα είλαη ίζν κε (ή όζν ιηγόηεξα bytes γίλεηαη κεγαιύηεξν από) ηνλ αξηζκό ησλ bytes πνπ θαηαιακβάλεη θάζε πεγαίν παθέην ζην πεγαίν block. Ξξνηεηλόκελεο ξπζκίζεηο γηα ηηο παξακέηξνπο εηζόδνπ, A, K min θαη G max είλαη: A = 4 K min = 1024 G max = Καηαζθεπή Κσδηθνπνηεκέλνπ Παθέηνπ Θάζε παθέην επηζθεπήο ζα πξέπεη λα πεξηιακβάλεη ηηο αθόινπζεο πιεξνθνξίεο: Source Block Number (SBN). Encoding Symbol ID (ESI). Source Block Length (SBL). Πύκβνιν(α) επηζθεπήο. 1 ceil(x), νξίδεη ην κηθξόηεξν ζεηηθό αθέξαην πνπ είλαη κεγαιύηεξνο ή ίζνο ην x. 2 floor(x), νξίδεη ην κεγαιύηεξν ζεηηθό αθέξαην πνπ είλαη κηθξόηεξνο ή ίζνο ηνπ x. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 99

100 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 4: FEC & νη Θώδηθεο Raptor Ν αξηζκόο ησλ ζπκβόισλ επηζθεπήο πνπ πεξηέρνληαη ζε έλα παθέην επηζθεπήο ππνινγίδεηαη από ην κήθνο ηνπ παθέηνπ. Νη ηηκέο ESI ηνπνζεηνύληαη ζηα παθέηα επηζθεπήο θαη νη ηξηάδεο ηνπ ζπκβόινπ επηζθεπήο, πνπ ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ παξαγσγή ησλ ζπκβόισλ επηζθεπήο, ππνινγίδνληαη όπσο πεξηγξάθεηαη ζην Ξαξάξηεκα Η Μεηαθνξά Πηελ παξάγξαθν απηή πεξηγξάθεηαη ε πιεξνθνξία πνπ αληαιιάζζεηαη κεηαμύ ηνπ Raptor θσδηθνπνηεηή/απνθσδηθνπνηεηή θαη ηνπ πξσηνθόιινπ κεηαθνξάο πνπ ρξεζηκνπνηεί ην FEC Raptor γηα ηε streaming κεηάδνζε. Ν θσδηθνπνηεηήο Raptor απαηηεί ηηο παξαθάησ πιεξνθνξίεο από ην πξσηόθνιιν κεηαθνξάο γηα θάζε πεγαίν block: Ρν κέγεζνο ζπκβόινπ, T, ζε bytes. Ρνλ αξηζκό ησλ ζπκβόισλ ζην πεγαίν block, Θ. Ρν Source Block Number (SBN). Ρα πεγαία ζύκβνια πξνο θσδηθνπνίεζε, K T bytes. Ν θσδηθνπνηεηήο Raptor παξέρεη ζην πξσηόθνιιν κεηαθνξάο κε ηηο πιεξνθνξίεο ηνπ θσδηθνπνηεκέλνπ παθέηνπ, γηα θάζε παθέην επηζθεπήο, απνηεινύκελεο από: Ρν Source Block Number (SBN). Ρν Encoding Symbol ID (ESI). Ρν Source Block Length (SBL). Ρα ζύκβνια επηζθεπήο. Πηε ζπλέρεηα, ην πξσηόθνιιν κεηαθνξάο πξέπεη λα κεηαθέξεη ηηο πιεξνθνξίεο απηέο ζηνλ απνθσδηθνπνηεηή Raptor Δλδεηθηηθά Παξαδείγκαηα Ν Ξίλαθαο 3 παξαθάησ παξνπζηάδεη δηάθνξα παξαδείγκαηα γηα ηηο παξακέηξνπο κεηαθνξάο ζύκθσλα κε ηνλ παξαπάλσ αιγόξηζκν, ζεσξώληαο ηηο πξνηεηλόκελεο ηηκέο γηα ηα A, K min, G max θαη P = 512. Πίλαθαο 3. Παξαδείγκαηα ησλ Παξακέηξσλ Μεηαθνξάο ηνπ Κσδηθνπνηεηή Raptor. Max source block size B G Symbol size T G T 40 KB KB KB Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

101 Θ Δ Φ Α Ι Α Η Ν 5 : Α Λ Α Π Θ Ν Ξ Ζ Π Ζ Δ Ο Δ Λ Ζ Ρ Η Θ Ζ Π Ξ Δ Ο Η Ν Σ Ζ Π

102

103 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο ΑΝΑΚΟΠΗΗ ΔΡΔΤΝΗΣΙΚΗ ΠΔΡΙΟΥΗ Πην ζπγθεθξηκέλν θεθάιαην πξαγκαηνπνηείηαη κία αλαζθόπεζε ηεο εξεπλεηηθήο πεξηνρήο πνπ κειεηά ε παξνύζα κεηαπηπρηαθή δηπισκαηηθή εξγαζία. Ξεξηγξάθνληαη κε ιεπηνκέξεηεο ηα βαζηθόηεξα ζεκεία ησλ εξεπλεηηθώλ εξγαζηώλ πνπ κειεηήζεθαλ θαη ρξεζηκνπνηήζεθαλ γηα ηελ εθπόλεζε ηεο εξγαζίαο. Γηα ιόγνπο πιεξόηεηαο, ζα ζπκπεξηιάβνπκε θαη εξγαζίεο πνπ αλαθέξνληαη ζε παιαηόηεξεο γεληάο θηλεηά δίθηπα, από ηα LTE, θπξίσο από ηελ πξνθάηνρε ηξίηε γεληά (3G) ησλ θηλεηώλ ζπζηεκάησλ, ηα νπνία όκσο πξνζθέξνπλ πνιύηηκα ζπκπεξάζκαηα γηα ηελ αμηνιόγεζε ηεο εθαξκνγήο ηνπ AL-FEC πάλσ ζηελ ππεξεζία MBMS ηνπ 3GPP. Δπίζεο, θαζώο ε δηαδηθαζία ηεο πξνζνκνίσζεο ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ επηθνηλσληώλ απνηειεί έλα ζεκαληηθό θνκκάηη ηεο παξνύζαο έξεπλαο, παξνπζηάδνπκε εθηελώο ηνπο βαζηθνύο κεραληζκνύο πξνζνκνίσζεο εξεπλεηηθήο ρξήζεο ησλ θπςεισηώλ δηθηύσλ επηθνηλσληώλ. Γηα ιόγνπο νξζόηεξεο παξνπζίαζεο ησλ ζρεηηθώλ εξγαζηώλ ζα ρσξίζνπκε ηελ εξεπλεηηθή πεξηνρή ζε ηξία ηκήκαηα, ηα νπνία παξνπζηάδνληαη ζηηο επόκελεο παξαγξάθνπο: Αμηνιόγεζε ηνπ AL-FEC πάλσ ζηελ ππεξεζία MBMS download. Αμηνιόγεζε ηνπ AL-FEC πάλσ ζηελ ππεξεζία MBMS streaming. Κεραληζκνί πξνζνκνίσζεο ησλ θπςεισηώλ δηθηύσλ επηθνηλσληώλ. Δίλαη ζεκαληηθό λα αλαθέξνπκε, πσο ε εξεπλεηηθή πεξηνρή ησλ LTE δηθηύσλ είλαη κία λέα πεξηνρή θαη εηδηθόηεξα ε κειέηε ηνπ AL-FEC πάλσ ζε ππεξεζίεο MBMS streaming κεηάδνζεο είλαη κία πεξηνρή κε ειιηπή έξεπλα κέρξη ηώξα, θαζώο νη εξγαζίεο κε ζέκα ηε streaming κεηάδνζε αθνξνύλ ηελ ππεξεζία MBMS παιαηόηεξεο γεληάο θπςεισηώλ ζπζηεκάησλ. 5.1 AL-FEC ζηελ ππεξεζία MBMS Download Πηελ εξγαζία ηνπ [64], νη ζπγγξαθείο πξνζθέξνπλ κία αμηνιόγεζε ηεο απόδνζεο ηεο εθαξκνγήο ηνπ ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor πάλσ ζηελ MBMS download κεηάδνζε ζε θηλεηά ζπζηήκαηα επηθνηλσληώλ ηερλνινγίαο UMTS. Ζ αμηνιόγεζε απηή, πξαγκαηνπνηείηαη από ηελ πιεπξά ηνπ ηειεπηθνηλσληαθνύ θόζηνπο ηεο κεηάδνζεο, πεξηγξάθνληαο έλα κνληέιν γηα ηελ αλάιπζε θόζηνπο ηεο MBMS ππεξεζίαο ηερλνινγίαο HSDPA. Πηε ζπλέρεηα, παξνπζηάδνληαη πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα πάλσ ζηε ιεηηνπξγία ηεο ππεξεζίαο download πεξηιακβάλνληαο ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ πάλσ από MBMS multicast bearers όπνπ εθαξκόδεηαη AL-FEC, θαζώο θαη ηε ρξήζε unicast bearers γηα ηελ πξνζνκνίσζε ηεο δηαδηθαζίαο επηζθεπήο αξρείνπ πνπ πεξηιακβάλεη ε ππεξεζία download, πξνηείλνληαο ηελ επηιεθηηθή επαλακεηάδνζε ησλ ρακέλσλ δεδνκέλσλ. Ρν ζρήκα πξνζνκνίσζεο βαζίδεηαη ζε κία πηζαλνηηθή κέζνδν πνπ κνληεινπνηεί ηελ θαηαλνκή ησλ multicast ρξεζηώλ ζην UMTS δίθηπν. Ρα απνηειέζκαηα αλαιύνπλ ηε ζπκπεξηθνξά ηνπ ζρήκαηνο FEC ηνπ 3GPP, ζε ζρέζε κε παξακέηξνπο όπσο ε ππθλόηεηα ησλ multicast ρξεζηώλ ζε κία δεδνκέλε MBMS πεξηνρή θαζώο θαη ν πιεζπζκόο ησλ ρξεζηώλ. Δπίζεο έρεη αμηνινγεζεί ε ζρέζε ηνπ overhead ηνπ θώδηθα FEC κε ην θόζηνο επαλακεηάδνζεο ησλ ρακέλσλ παθέησλ πξνηείλνληαο έλα βέιηηζην ζεκείν επηινγήο ηνπ. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 103

104 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο Νη ζπγγξαθείο ηεο εξγαζίαο [65] εζηηάδνπλ ζηε δηαδηθαζία επαλαπνζηνιήο ησλ ρακέλσλ παθέησλ ηεο MBMS download ππεξεζίαο πάλσ ζε δίθηπα αζύξκαηεο πξόζβαζεο ηερλνινγίαο UTRAN θαη GERAN. Ξξνηείλνπλ ην ζπλδπαζκό ηεο ρξήζεο AL-FEC κε ηε ρξήζε ζπλδπαζκέλσλ point-to-point αιιά θαη point-to-multipoint κεηαδόζεσλ γηα ηελ απνζηνιή ρακέλσλ παθέησλ. Κέζα από έλα ζύλνιν πξνζνκνηώζεσλ πξνζπαζνύλ λα εμηζνξξνπήζνπλ ην FEC overhead ζε ζρέζε κε ηα πξνηεηλόκελα ζρήκαηα επαλαπνζηνιήο, έρνληαο ζαλ ζηόρν ηε βειηηζηνπνίεζε ηεο ρξήζεο ησλ αζύξκαησλ πόξσλ ηνπ δηθηύνπ. Ρα απνηειέζκαηα έδεημαλ πσο ε απιή θάζε ηεο point-to-multipoint κεηάδνζεο γηα ηελ επηζθεπή ηνπ κεηαδηδόκελνπ αξρείνπ δελ είλαη απνδνηηθή, θαζώο ν απνζηνιέαο δελ κπνξεί λα γλσξίδεη ηηο δηαθνξεηηθέο απώιεηεο πνπ παξνπζηάδνπλ νη ρξήζηεο θαη πσο ε αύμεζε ηεο πξνζηαζίαο πνπ πξνζθέξεη ν κεραληζκόο FEC θαηά ηε κεηάδνζε ζε ζπλδπαζκό κε ην ζπλδπαζηηθό ζρήκα point-to-point θαη point-to-multipoint κεηαδόζεσλ είλαη επεξγεηηθό σο πξνο ηε ζπλνιηθή ιεηηνπξγία ηνπ δηθηύνπ, θαζώο κεηώλεηαη ε δηάξθεηα ηεο θάζεο επηζθεπήο θαη απνθεύγεηαη ε θαηάζηαζε ππεξθόξησζεο ηνπ εμππεξεηεηή πνπ έρεη αλαιάβεη ηε δηαδηθαζία ηεο επηζθεπήο. Πηελ εξγαζία πνπ παξνπζηάδεηαη ζην [66] παξέρνληαη ξεαιηζηηθέο πξνζνκνηώζεηο γηα ηελ απόδνζε ηεο εθαξκνγήο ηνπ AL-FEC πάλσ ζε UMTS MBMS ππεξεζίεο, θαζώο νη πεξηζζόηεξεο ζρεηηθέο εξγαζίεο ππνζέηνπλ πνιύ απιά κνληέια απσιεηώλ πνπ ηηο πεξηζζόηεξεο θνξέο δελ αληαπνθξίλνληαη ζηηο πξαγκαηηθέο ζπλζήθεο πνπ αληηκεησπίδνπλ δηαθνξεηηθνί ρξήζηεο ζε κία MBMS πεξηνρή. Δπίζεο εξεπλά ην ζπλδπαζκό θαη ηε ζρέζε κεηαμύ δηαθόξσλ παξακέηξσλ ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο θαζώο θαη ηεο εθαξκνγήο ηεο ηερληθήο FEC ζην θπζηθό επίπεδν. Ξαξνπζηάδεηαη κία αλάιπζε ηεο ζπλνιηθήο απόδνζεο ελόο ζπζηήκαηνο MBMS, αλαιύνληαο ηε ζρέζε κεηαμύ ηνπ AL-FEC θαη ηνπ FEC ζην θπζηθό επίπεδν, ιακβάλνληαο ππόςηλ παξακέηξνπο, όπσο ηελ ηζρύ κεηάδνζεο θαη δηάθνξα κνληέια θηλεηηθόηεηαο ησλ ρξεζηώλ. Ζ δηαζηξσκαηηθή (cross-layer) κειέηε θαη πξνζπάζεηα βειηηζηνπνίεζεο ηεο ζπγθεθξηκέλεο εξγαζίαο πξνζθέξεη ελδηαθέξνληα ζπκπεξάζκαηα. Ππγθεθξηκέλα, αληίζεηα κε ηελ αληίιεςε πσο όια ηα πξνβιήκαηα κπνξνύλ λα αληηκεησπηζηνύλ απνηειεζκαηηθά ζην θπζηθό επίπεδν, ηα απνηειέζκαηα δείρλνπλ πσο ε ελίζρπζε ηνπ ξπζκνύ θσδηθνπνίεζεο ηνπ AL-FEC (διδ. ε αύμεζε ηνπ πιενλαζκνύ πνπ εηζάγεη ν θώδηθαο Raptor) ζε βάξνο ηνπ ξπζκνύ θσδηθνπνίεζεο ηνπ FEC ζην θπζηθό επίπεδν πξνζθέξεη ζπγθξηηηθά θαιύηεξα απνηειέζκαηα ζηε ζπλνιηθή απόδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο. Πην [67] παξνπζηάδεηαη έλα ζρήκα cross-layer ζρεδηαζκνύ γηα ηε ιεηηνπξγία ηεο MBMS κίαο θπςέιεο ππεξεζίαο ζε θηλεηά δίθηπα ηερλνινγίαο LTE. Ρν ζρήκα απηό πεξηιακβάλεη ην επίπεδν εθαξκνγήο θαη ην επίπεδν δεύμεο, ζην νπνίν ελεξγεί ν κεραληζκόο HARQ ζε ζπλδπαζκό κε ηηο παξακέηξνπο ιεηηνπξγίαο ηνπ θώδηθα Raptor ζην επίπεδν εθαξκνγήο. Ρν πξνηεηλόκελν ζρήκα πξνζθέξεη θάπνηα πιενλεθηήκαηα, όπσο ηεο απινύζηεξεο ζεκαηνδνζίαο ζε ζρέζε κε παξαδνζηαθά ζρήκαηα ειέγρνπ ιαζώλ θαη ηνπ βειηησκέλνπ ξπζκνύ κεηάδνζεο δεδνκέλσλ πνπ πεηπραίλεη. Ρα απνηειέζκαηα πξνζνκνίσζεο ιεηηνπξγίαο ηνπ λένπ απηνύ ζρήκαηνο δείρλνπλ, πσο ν ζπγρξνληζκόο κεηαμύ ησλ δύν κεραληζκώλ παξνρήο πξνζηαζίαο νδεγεί ζε ζεκαληηθή βειηίσζε ζηε ζπαηάιε πόξσλ ηνπ δηθηύνπ, θαζώο ζηόρνο ηνπ ζρήκαηνο είλαη ε ειαρηζηνπνίεζε ηνπ αξηζκνύ ησλ επαλαπνζηνιώλ από ην κεραληζκό ηνπ HARQ ζε ζπλδπαζκό κε θαηάιιειεο ξπζκίζεηο ησλ παξακέηξσλ ηνπ θσδηθνπνηεηή 104 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

105 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο ηνπ Raptor FEC, εμεηάδνληαο ζπγθεθξηκέλεο απαηηήζεηο QoS πνπ ιακβάλνπλ νη ρξήζηεο, ζπγθξίλνληαο ην πξνηεηλόκελν ζρήκα κε έλαλ θιαζηθό HARQ κεραληζκό. Νη ζπγγξαθείο ηνπ [68] πξνηείλνπλ έλα θαηλνηόκν ζρήκα αλάθηεζεο αξρείνπ γηα ηελ LTE embms download κεηάδνζε ζε δίθηπα MBSFN ιεηηνπξγίαο. Ρν ζρήκα απηό εθκεηαιιεύεηαη ηα πιενλεθηήκαηα πνπ πξνζθέξεη ε MBSFN ιεηηνπξγία θαη πξνηείλεη ηελ πξνζαξκνζηηθή παξαγσγή πιενλαδόλησλ ζπκβόισλ γηα απνδνηηθή αλάθηεζε αξρείσλ από ην ζπζηεκαηηθό θώδηθα Raptor ηνπ 3GPP. Ρα πιενλάδνληα θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια παξάγνληαη ζπλερώο, κέρξηο όηνπ όινη νη multicast παξαιήπηεο λα έρνπλ αλαθηήζεη πιήξσο ην κεηαδηδόκελν αξρείν. Γηα λα εμαθξηβσζεί ε απόδνζε ηνπ πξνηεηλόκελνπ ζρήκαηνο, παξνπζηάδνληαη πξνζνκνηώζεηο πνπ εμεηάδνπλ ηελ απόδνζε ηεο απνθιεηζηηθήο κεηάδνζεο πιενλαδόλησλ ζπκβόισλ, ζε ζρέζε κε ηε κέζνδν ηεο επαλακεηάδνζεο ησλ ρακέλσλ παθέησλ ηνπ αξρείνπ ρσξίο ηελ εθαξκνγή AL-FEC θαη ζε ζρέζε κε ηε κέζνδν ηεο εθαξκνγήο πξνθαζνξηζκέλνπ AL-FEC overhead ζηε κεηάδνζε ζε ζπλδπαζκό κε ηελ επαλακεηάδνζε ησλ ρακέλσλ παθέησλ ζην ηέινο ηεο απνζηνιήο. Ρα απνηειέζκαηα πνπ παξνπζηάδνληαη ζηε ζπγθεθξηκέλε εξγαζία δείρλνπλ ηε βειηησκέλε απόδνζε ηνπ πξνηεηλόκελνπ ζρήκαηνο απνθιεηζηηθήο ρξήζεο ηνπ ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor θαηά ηε download κεηάδνζε ελόο αξρείνπ ρσξίο ηελ αλάγθε ρξήζεο κίαο θάζεο επηζθεπήο, όπσο πξνηείλεηαη από ηηο πξνδηαγξαθέο ηνπ 3GPP γηα ηηο MBMS ππεξεζίεο download, ζε δίθηπα MBSFN ιεηηνπξγίαο. Ν ιόγνο ηεο βειηησκέλεο απόδνζεο ηνπ ζρήκαηνο, γηα νπνηαδήπνηε ηηκή ηνπ Raptor overhead, είλαη ηα πιενλεθηήκαηα πνπ πξνζθέξεη ε MBSFN κεηάδνζε, εθκεηαιιεπόκελε ην γεγνλόο πσο αληί λα απνζηέιιεη επηιεθηηθά ηα ρακέλα παθέηα ζε δηαθνξεηηθνύο ρξήζηεο, ηα νπνία πνιύ πηζαλόλ λα είλαη δηαθνξεηηθά κεηαμύ ηνπο (ιόγσ ησλ δηαθνξεηηθώλ απσιεηώλ πνπ παξνπζηάδεη ν θάζε ρξήζηεο ζε έλα ηέηνην πεξηβάιινλ κεηάδνζεο), κεηαδίδεη πιενλάδνπζα πιεξνθνξία, ε νπνία είλαη ρξήζηκε ζε όινπο ηνπο ρξήζηεο βάζεη ησλ ηδηνηήησλ ησλ θσδίθσλ Raptor. 5.2 AL-FEC ζηελ ππεξεζία MBMS Streaming Νη ζπγγξαθείο ηνπ [69] κέζα ζε κία γεληθή αλάιπζε ησλ ππεξεζηώλ video ηνπ 3GPP πάλσ ζε παιαηόηεξεο γεληάο UMTS θηλεηά ζπζηήκαηα, παξνπζηάδνπλ θαη ηελ πξνζέγγηζή ηνπο γηα ηε streaming κεηάδνζε video ζηα πιαίζηα ηεο ππεξεζίαο MBMS. Ζ εξγαζία απηή αζρνιείηαη πεξηζζόηεξν κε ηηο πξνζθεξόκελεο ηερλνινγίεο γηα ηελ απνδνηηθή παξνρή ηέηνηνπ είδνπο ππεξεζηώλ, εμεηάδνληάο ηεο ππό ην πξίζκα ηεο απόδνζήο ηνπο ζηελ παξνρή QoS ραξαθηεξηζηηθώλ ζηνπο ηειηθνύο ρξήζηεο. Νη ζπγγξαθείο ηεο εξγαζίαο εμεηάδνπλ ηε ρξήζε ηνπ AL-FEC ζε MBMS video streaming ππεξεζίεο ζαλ έλα εξγαιείν παξνρήο QoS, νη παξάκεηξνη ηνπ νπνίνπ, πξνζαξκόδνληαη αλάινγα κε ηηο ζπλζήθεο ηνπ δηθηύνπ θαζώο θαη δηάθνξνπο πεξηνξηζκνύο πνπ εηζάγνπλ νη ππεξεζίεο κεηάδνζεο video. Θαη ζε απηή ηελ εξγαζία παξνπζηάδεηαη ε απόδνζε ελόο cross-layer ζρεδηαζκνύ, πνπ πεξηιακβάλεη ηε κειέηε ηεο ζρέζεο ηνπ ξπζκνύ θσδηθνπνίεζεο ηνπ AL-FEC (διδ. ην πνζό ηεο πιενλάδνπζαο πιεξνθνξίαο) κε ην ξπζκό θσδηθνπνίεζεο ηνπ FEC ζην θπζηθό επίπεδν, ιακβάλνληαο όκσο ππόςηλ θαη ηνπο πεξηνξηζκνύο πνπ ζέηεη κία streaming κεηάδνζε, θπξίσο όζνλ αθνξά ζηε ζπλνιηθή θαζπζηέξεζε ηνπ ζπζηήκαηνο γηα ηελ παξνρή ηεο κεηαδηδόκελεο πνιπκεζηθήο πιεξνθνξίαο ζηνπο ηειηθνύο ρξήζηεο. Κέζα από ξεαιηζηηθέο πξνζνκνηώζεηο πνπ απεηθνλίδνπλ ην πνζνζηό ησλ κε ηθαλνπνηεκέλσλ ρξεζηώλ ζε ζρέζε κε ην ζπλνιηθό πνζό ηεο πξνζηαζίαο πνπ εηζάγεηαη από ην AL- FEC εμάγνληαη ελδηαθέξνληα απνηειέζκαηα. Θαηαξρήλ δηαπηζηώλεηαη πσο ε ρξήζε Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 105

106 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο AL-FEC είλαη επεξγεηηθή γηα ηελ απόδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο, θαζώο ην FEC κόλν ζην θπζηθό επίπεδν δελ είλαη ηθαλό λα αληηκεησπίζεη ηελ απώιεηα ησλ θαηεζηξακκέλσλ παθέησλ. Ν ηδαληθόο ζπλδπαζκόο γηα απηέο ηηο δύν παξακέηξνπο θαίλεηαη πσο είλαη ε ίζε θαηαλνκή ηνπ ξπζκνύ θσδηθνπνίεζεο FEC κεηαμύ ηνπ επηπέδνπ εθαξκνγώλ θαη ηνπ θπζηθνύ επηπέδνπ, θαζώο πεξαηηέξσ αύμεζε ηνπ overhead ηνπ AL-FEC νδεγεί ζε αύμεζε ηνπ πνζνζηνύ ησλ κε ηθαλνπνηεκέλσλ ρξεζηώλ θπξίσο ιόγσ ησλ ρξνληθώλ πεξηνξηζκώλ πνπ ζέηεη ε streaming κεηάδνζε video. Πηελ εξγαζία ηνπ [70] παξνπζηάδεηαη έλαο εμειηγκέλνο ζρεδηαζκόο ηνπ ζπζηήκαηνο απνθσδηθνπνίεζεο ζηελ πιεπξά ηνπ παξαιήπηε, ν νπνίνο κπνξεί λα εθαξκνζηεί ηόζν ζηε κέζνδν streaming, όζν θαη ζηε κέζνδν download ηεο MBMS ππεξεζίαο. Ν εμειηγκέλνο απηόο κεραληζκόο, ζπλδπάδεηαη κε ηελ εθαξκνγή ηεο θσδηθνπνίεζεο Raptor θαη ε ιεηηνπξγία ηνπ πξνηεηλόκελνπ κεραληζκνύ πξνζθέξεη ηδηαίηεξα πιενλεθηήκαηα ζηελ απόδνζε ηεο δηαδηθαζίαο απνθσδηθνπνίεζεο ησλ πξνζηαηεπκέλσλ κε AL-FEC παθέησλ. Ζ βαζηθή ηδέα ιεηηνπξγίαο ηνπ εμειηγκέλνπ παξαιήπηε αλαθέξεηαη ζηελ ηθαλόηεηά ηνπ λα ρξεζηκνπνηεί κεξηθώο θαηεζηξακκέλε πιεξνθνξία, ε νπνία θαλνληθά ζα αθπξσλόηαλ από έλαλ ζπκβαηηθό παξαιήπηε, θαη λα ηελ πξνσζεί θαλνληθά ζηα πςειόηεξα επίπεδα πξσηνθόιισλ ώζηε λα κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί από ηε δηαδηθαζία ηεο απνθσδηθνπνίεζεο. Πηε ζπγθεθξηκέλε εξγαζία παξνπζηάδεηαη κία πξαθηηθή θαη απνηειεζκαηηθή πινπνίεζε ηνπ απνθσδηθνπνηεηή Raptor ζύκθσλα κε ηε ιεηηνπξγία πνπ κόιηο πεξηγξάςακε, έλαο ζρεδηαζκόο πνπ πξνζθέξεη κεγάια θέξδε ζηελ απόδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο, ελώ ηαπηόρξνλα ε πνιππινθόηεηα ηεο απνθσδηθνπνίεζεο δηαηεξείηαη ζε ρακειά επίπεδα. Γηα λα αλαιπζνύλ ηα πιενλεθηήκαηα πνπ πξνζθέξεη ε κέζνδνο απηή πάλσ ζηελ MBMS streaming κεηάδνζε video παξνπζηάδνληαη πεηξακαηηθά απνηειέζκαηα πνπ αθνξνύλ ηε ιεηηνπξγία ελόο ηέηνηνπ ζπζηήκαηνο ζε δίθηπν αζύξκαηεο πξόζβαζεο ηερλνινγίαο GERAN ησλ EGPRS ζπζηεκάησλ. Ζ βαζηθή κεηξηθή ησλ πεηξακάησλ, γηα ηελ αμηνιόγεζε ηνπ πξνηεηλόκελνπ κεραληζκνύ AL-FEC, είλαη γλσζηή ζαλ κέζνο ρξόλνο κεηαμύ απνηπρίαο (mean time between failures-mtbf) θαη πξόθεηηαη γηα κία ζπρλά πηνζεηνύκελε κεηξηθή από ην 3GPP [71] γηα ηελ αμηνιόγεζε ησλ QoS επηδόζεσλ ζε εθαξκνγέο streaming κεηάδνζεο. Ρα απνηειέζκαηα δείρλνπλ ζεκαληηθά νθέιε από ηελ πηνζέηεζε ηνπ πξνηεηλόκελνπ αιγνξίζκνπ γηα ηνλ Raptor απνθσδηθνπνηεηή, θαζώο ε ζπλνιηθή απόδνζε απμάλεηαη δξαζηηθά ζε ζρέζε κε έλαλ ζπκβαηηθό απνθσδηθνπνηεηή, δηαηεξώληαο ηαπηόρξνλα ηελ πνιππινθόηεηα απνθσδηθνπνίεζεο ζηα επίπεδα ελόο ζπκβαηηθνύ απνθσδηθνπνηεηή. Ζ ίδηα εξεπλεηηθή νκάδα, παξνπζηάδεη ζην [72] κία κειέηε γηα ηηο επηινγέο ζρεδηαζκνύ ελόο ζπζηήκαηνο MBMS streaming κεηάδνζεο video πάλσ ζε αζύξκαηα δίθηπα EGPRS θαη UMTS. Ζ κειέηε απηή πξνζθέξεη απνηειέζκαηα κέζα από έλαλ πιήξε εμνκνησηή ηεο MBMS ππεξεζίαο, εμεηάδνληαο ζρεδηαζηηθέο επηινγέο ζε όια ηα επίπεδα. Ξξώηα αλαιύνληαη νη επηινγέο ησλ παξακέηξσλ ηνπ θσδηθνπνηεηή video, όπσο ν ξπζκόο θσδηθνπνίεζήο ηνπ, εμεηάδνληαο επίζεο θαη ηελ πξνζαξκνγή ηνπ κεγέζνπο ησλ παθέησλ ζην επίπεδν εθαξκνγήο. Πηε ζπλέρεηα πεξηγξάθνληαη ζρεδηαζηηθέο επηινγέο, ζρεηηθέο κε ην overhead ηνπ AL-FEC ζε ζρέζε κε ην δηαζέζηκν θάζε θνξά ξπζκό κεηάδνζεο ηεο ξνήο ηνπ video. Πηελ πιεπξά ηνπ παξαιήπηε πξνηείλεηαη ε ρξήζε ηνπ εμειηγκέλνπ απνθσδηθνπνηεηή πνπ πεξηγξάθεθε ζηελ πξνεγνύκελε εξγαζία. Από ηα απνηειέζκαηα ην πνιπηηκόηεξν ζπκπέξαζκα είλαη πσο ε δηαδηθαζία βειηηζηνπνίεζεο ελόο ηέηνηνπ πνιύπινθνπ ζπζηήκαηνο ζίγνπξα δελ είλαη εύθνιε, θαζώο ε επίδξαζε όισλ απηώλ ησλ 106 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

107 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο παξακέηξσλ ζηε ζπλνιηθή απόδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο, εμαξηάηαη ζηελά από ηηο δηαθνξεηηθέο απώιεηεο πνπ παξνπζηάδνπλ νη δηαθνξεηηθνί MBMS παξαιήπηεο. Νη ζπγγξαθείο ηεο εξγαζίαο [73], παξνπζηάδνπλ κία άιιε, πην ζεσξεηηθή πξνζέγγηζε πάλσ ζηε κεηάδνζε video ζε πεξηβάιινληα κεηάδνζεο MBMS streaming γηα δίθηπα ηερλνινγίαο LTE. Θεσξνύλ σο πξόβιεκα βειηηζηνπνίεζεο ην ζπλδπαζκό παξακέηξσλ από ην επίπεδν ηνπ θσδηθνπνηεηή video, εμεηάδνληαο ηερληθέο θσδηθνπνίεζεο ζε ζηξώκαηα, από ην επίπεδν εθαξκνγώλ, εμεηάδνληαο ην overhead ηνπ AL-FEC θαη από ην θπζηθό επίπεδν, εμεηάδνληαο επηινγέο ηνπ ξπζκνύ κεηάδνζεο θαη ζέκαηα ρξνλνπξνγξακκαηηζκνύ ζην ππνεπίπεδν MAC ηνπ επηπέδνπ δεύμεο. Ν αιγόξηζκνο πνπ πξνηείλνπλ έρεη ζαλ ζηόρν ηελ βέιηηζηε επηινγή ηνπ ζρήκαηνο δηακόξθσζεο θαη θσδηθνπνίεζεο (modulation and coding scheme-mcs) ζην θπζηθό επίπεδν θαζώο θαη ην ζρήκα ηνπ AL-FEC πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζεί ζε θάζε επίπεδν θσδηθνπνίεζεο ηνπ video επηιέγνληαο ηαπηόρξνλα ην βέιηηζην ξπζκό θσδηθνπνίεζεο θάζε επηπέδνπ ηεο ξνήο ηνπ video, πξνηείλνληαο εμειηγκέλνπο θσδηθνπνηεηέο. Ρέινο, ζηελ εξγαζία [74] παξνπζηάδεηαη κεηαμύ άιισλ ε απόδνζε ηεο MBMS streaming ππεξεζίαο πάλσ ζε θηλεηά δίθηπα ηερλνινγίαο HSDPA από ηελ πιεπξά ηνπ ηειεπηθνηλσληαθνύ θόζηνπο, αλαιύνληαο ηνλ έιεγρν ηζρύνο γηα ηε streaming κεηάδνζε θαη αμηνινγώληαο ηελ επίδξαζε ηεο εθαξκνγήο ηνπ θώδηθα Raptor ζηελ ππεξεζία απηή, εμάγνληαο πνιύηηκα ζπκπεξάζκαηα γηα ηελ εθαξκνγή ηνπ AL-FEC πάλσ ζε MBMS πεξηβάιινληα. 5.3 Πεξηβάιινληα Πξνζνκνίσζεο Κπςεισηώλ Γηθηύσλ Δπηθνηλσληώλ Πηε ζπλέρεηα παξνπζηάδνπκε θάπνηνπο πξνζνκνησηέο θπςεισηώλ δηθηύσλ επηθνηλσληώλ εξεπλεηηθήο ρξήζεο, ζπκπεξηιακβάλνληαο θαη πιαηθόξκεο πξνζνκνίσζεο πνπ αλαθέξνληαη ζε παιαηόηεξεο γεληάο (3G) θηλεηά δίθηπα, πνπ πξνζθέξνπλ όκσο ζεκαληηθέο πιεξνθνξίεο γηα ηε δηαδηθαζία πξνζνκνίσζεο, θαζώο θαη γηα ζπγθεθξηκέλεο εμεηδηθεπκέλεο ιεηηνπξγίεο πνπ κπνξεί λα πξνζθέξεη θαζέλαο από απηνύο ηνπο κεραληζκνύο Πξνζνκνησηήο SA4 Ξξόθεηηαη γηα έλα πεξηβάιινλ πξνζνκνίσζεο θηλεηώλ δηθηύσλ ηερλνινγίαο UMTS αιιά θαη WCDMA, ν νπνίνο ρξεζηκνπνηήζεθε θαηά θόξνλ από ηηο νκάδεο εξγαζίαο ηνπ 3GPP [75], [76] γηα ηελ αμηνιόγεζε ππεξεζηώλ streaming κεηάδνζεο video. Ν ζηόρνο ηνπ πξνζνκνησηή απηνύ είλαη θπξίσο ε πξνζνκνίσζε ηεο δηαδηθαζίαο κεηαθνξάο, όπσο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 35, ησλ παθέησλ δηαθόξσλ streaming ππεξεζηώλ ρξεζηκνπνηώληαο απιώο θάπνηα κνληέια απσιεηώλ γηα ην θπζηθό επίπεδν, εζηηάδνληαο ηε ιεηηνπξγία ηνπ ζε πςειόηεξα επίπεδα ηεο ζηνίβαο πξσηνθόιισλ. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 107

108 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο Δηθόλα 35. Ο Πξνζνκνησηήο SA4. Ζ πξνζνκνίσζε πεξηιακβάλεη θσδηθνπνίεζε πεγήο θαη ελζπιάθσζε ησλ δεδνκέλσλ ζε RTP παθέηα γηα ην θνκκάηη ηεο ππεξεζίαο πνιπκέζσλ. Πηε ζπλέρεηα, ν πξνζνκνησηήο εθηειεί ηελ αληηζηνίρηζε ησλ RTP/IP παθέησλ ζε RLC κνλάδεο παθέησλ δεδνκέλσλ ([Packet Data Units-PDUs), ηε δηαδηθαζία ηεο εμαγσγήο δεδνκέλσλ από ηα ιεθζέληα παθέηα θαζώο θαη ηελ απνθσδηθνπνίεζε απηώλ. Ζ εηζαγσγή ηνπ κνληέινπ ιαζώλ θαηά ηε κεηάδνζε γίλεηαη ζην ππνεπίπεδν RLC ηνπ επηπέδνπ δεύμεο, ρξεζηκνπνηώληαο κάζθεο ιαζώλ πνπ πξνζνκνηώλνπλ ηε κεηάδνζε ζην UTRAN. Δπίζεο, ν πξνζνκνησηήο κνληεινπνηεί ηελ εθαξκνγή ηεο ζπκπίεζεο επηθεθαιίδσλ, κεηώλνληαο ην κέγεζνο ησλ RTP/UDP/IP επηθεθαιίδσλ ζε κία ζηαζεξή ηηκή. Δπηπιένλ, ε πιαηθόξκα απηή πξνζθέξεη αλάινγα κε ην πεξηβάιινλ πξνζνκνίσζεο ηε ρξήζε ηόζν PSS bearers, όζν θαη MBMS bearers, δίλνληαο ηε δπλαηόηεηα επηινγήο δηαθόξσλ παξακέηξσλ ηνπο. Πηελ πεξίπησζε ρξήζεο ησλ κνληεινπνηεκέλσλ MBMS bearers, πξνζθέξεηαη επίζεο ε δπλαηόηεηα ρξήζεο ελόο κνληεινπνηεκέλνπ κεραληζκνύ AL-FEC κε ρξήζε ησλ Raptor θσδίθσλ (ζε νξηζκέλεο εθδόζεηο ηνπ πξνζνκνησηή) γηα ηελ πξνζνκνίσζε ηεο απόδνζεο ηεο πξνζηαζίαο πνπ πξνζθέξεη ην AL-FEC ζηηο MBMS ππεξεζίεο. Αλαιπηηθόηεξα, νη βαζηθόηεξεο παξάκεηξνη εηζόδνπ πνπ πξνζθέξεη ν SA4 πξνζνκνησηήο είλαη νη παξαθάησ: Αξρείν εηζόδνπ RTP: Ρν όλνκα ηνπ αξρείνπ πνπ πεξηέρεη ηα δεδνκέλα RTP. Αξρείν εμόδνπ RTP: Ρν όλνκα ηνπ αξρείνπ εμόδνπ πνπ ζα πεξηέρεη ηα ιεθζέληα δεδνκέλα RTP. Δίλαη ίδηαο κνξθήο κε ην αξρείν εηζόδνπ RTP, κε ηε κόλε πξνθαλή δηαθνξά πσο δελ ζα πεξηέρεη όια ηα δεδνκέλα εηζόδνπ θαζώο θάπνηα παθέηα δελ ζα ιεθζνύλ. Bearer: Έλαο αθέξαηνο αξηζκόο πνπ ραξαθηεξίδεη ηνλ επηζπκεηό bearer. Γίλεηαη ιίζηα από δηαζέζηκνπο PSS θαη MBMS bearers. 108 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

109 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο RandomSeed: Έλαο αθέξαηνο αξηζκόο πνπ νξίδεη ηνλ αξηζκό έλαξμεο ηεο ηπραίαο γελλήηξηαο ηνπ κνληέινπ ιαζώλ. ErrorfreeRTP: Νξίδεη έλα ζπγθεθξηκέλν αξηζκό RTP παθέησλ ζηελ αξρή ηνπ αξρείνπ, ηα νπνία ζα πξνσζεζνύλ ζηνλ παξαιήπηε ρσξίο λα ραζνύλ. MaxSendingDelay: Κε ηνλ νξηζκό ηνπ ζηελ ηηκή κεδέλ, ε πξνζσξηλή κλήκε ηνπ απνζηνιέα ζεσξείηαη άπεηξνπ κήθνπο. Max E2Edelay: Ζ κέγηζηε θαζπζηέξεζε ελόο παθέηνπ ζε ms κεηαμύ ηνπ ρξόλνπ πνπ δεκηνπξγείηαη θαη απηνύ πνπ απνζηέιιεηαη από ηνλ πξνζνκνησηή. Δάλ ν ρξόλνο απηόο ππεξβεί ηελ νξηζκέλε ηηκή ην παθέην αθπξώλεηαη, ζεσξώληαο ην ζαλ απώιεηα παθέηνπ. Stat File: Ξξόθεηηαη γηα ηελ έμνδν ηνπ πξνζνκνησηή, αξρείν ην νπνίν πξνζθέξεη ηηο παξαθάησ πιεξνθνξίεο γηα θάζε εθηέιεζε πξνζνκνίσζεο: o o o o o o o o o o o Ζκεξνκελία θαη ώξα. Αξηζκόο ηνπ bearer. Οπζκόο ιάζνπο bit (bit error rate) γηα ηε ζπγθεθξηκέλε κεηάδνζε. Οπζκόο απώιεηαο ζην επίπεδν RLC-PDU. Οπζκόο κεηάδνζεο bit, ιακβάλνληαο ππόςηλ κόλν ηα ιεθζέληα θαη πιήξε RLC blocks. Ππλνιηθόο αξηζκόο πιαηζίσλ RLC. Ππλνιηθόο αξηζκόο επαλαζηαιζέλησλ πιαηζίσλ RLC. Ππλνιηθόο αξηζκόο RTP παθέησλ. Οπζκόο απώιεηαο RTP παθέησλ. Ν ξπζκόο θσδηθνπνίεζεο (bitrate) ηνπ video, ζε kbit/s. Ν ζπλνιηθόο ρξόλνο απνζηνιήο ηνπ αξρείνπ ζε ms. Έλα παξάδεηγκα ηεο εμόδνπ ηνπ πξνζνκνησηή γηα κία κεηάδνζε εκθαλίδεηαη ζηελ Δηθόλα 36. Δηθόλα 36. Παξάδεηγκα Δμόδνπ ηνπ Πξνζνκνησηή SA Πξνζνκνησηήο E.U.R.A.N.E Ν πξνζνκνησηήο Enhanced UMTS Radio Access Network extensions (E.U.R.A.N.E), είλαη νπζηαζηηθά έλα παθέην ιεηηνπξγηθώλ επεθηάζεσλ ηνπ δηαδεδνκέλνπ πξνζνκνησηή δηθηύσλ Network Simulator ns-2 [77] γηα ηελ ππνζηήξημε ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ UMTS. Ζ αλάπηπμε ηνπ πξνζνκνησηή E.U.R.A.N.E έγηλε ζηα πιαίζηα ηνπ πξνγξάκκαηνο SEACORN [78]. Νη επεθηάζεηο ηνπ παθέηνπ απηνύ γηα ηνλ ns-2 πεξηιακβάλνπλ ηξεηο λένπο θόκβνπο ζηα ζηνηρεία ηνπ ns-2, πνπ νλνκάδνληαη Radio Network Controller (RNC), Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 109

110 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο Basestation (BS) θαη User Equipment (UE), ε ιεηηνπξγηθόηεηα ησλ νπνίσλ ππνζηεξίδεη ηα αθόινπζα θαλάιηα κεηαθνξάο ηεο ηερλνινγίαο UMTS: FACH. RACH. DCH. HS-DSCH. Νη δπλαηόηεηεο πξνζνκνίσζεο πνπ πξνζθέξεη ν κεραληζκόο απηόο, είλαη νη ίδηεο κε ηεο πιαηθόξκαο ns-2, θάλνληαο ρξήζε ησλ λέσλ δηθηπαθώλ ζηνηρείσλ πνπ πξνζηέζεθαλ. Ξεξηζζόηεξεο πιεξνθνξίεο γηα ηε ιεηηνπξγία ηνπ πξνζνκνησηή απηνύ κπνξνύλ λα βξεζνύλ ζην [79] Πξνζνκνησηήο LTE Link Level Ν πξνζνκνησηήο LTE Link Level είλαη κία πιαηθόξκα πξνζνκνίσζεο, πινπνηεκέλε ζε πεξηβάιινλ MATLAB, ηνπ θπζηθνύ επηπέδνπ ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ LTE. Ν πξνζνκνησηήο πεξηιακβάλεη κόλν ηελ αμηνιόγεζε ηεο απόδνζεο downlink κεηαδόζεσλ θαη πξνζθέξεη δηάθνξα πεξηβάιινληα κεηάδνζεο, όπσο ηε κεηάδνζε ζε έλα ρξήζηε θαη ηε κεηάδνζε ζε πνιιαπινύο ρξήζηεο πνπ ηνπνζεηνύληαη ζε κία θπςέιε ή ζε πνιιαπιέο θπςέιεο. Νη βαζηθέο πξνζθεξόκελεο ιεηηνπξγίεο είλαη ε πξνζαξκνζηηθή επηινγή ηνπ ζρήκαηνο δηακόξθσζεο θαη θσδηθνπνίεζεο (Adaptive Modulation and Coding-AMC), ε ππνζηήξημε MIMO ηερληθώλ, ν κεραληζκόο HARQ, θαζώο θαη ζέκαηα ρξνλνπξνγξακκαηηζκνύ ζην ππνεπίπεδν MAC ηνπ επηπέδνπ δεύμεο, κε ηε βαζηθή δνκή ηνπ απνζηνιέα λα παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 37. Δηθόλα 37. Η Γνκή ηνπ Πξνζνκνησηή LTE Link Level. Ρα δηαζέζηκα, κέρξη ζηηγκήο, κνληέια θαλαιηώλ ηνπ πξνζνκνησηή είλαη έλα κνληέιν πξνζζεηηθνύ ιεπθνύ Γθανπζηαλνύ ζνξύβνπ (AWGN), έλα θαλάιη πνπ αθνινπζεί ηελ Flat Rayleigh θαηαλνκή, έλα block fading θαη έλα fast fading θαλάιη, δηάθνξα κνληέια θαλαιηώλ ηεο ITU-R, θαζώο θαη κνληέια θαλαιηώλ ηνπ 3GPP. Ρα απνηειέζκαηα ηνπ πξνζνκνησηή αθνξνύλ ην ξπζκό ιάζνπο block (Block Error Rate- BLER) θαζώο θαη ην ξπζκό κεηάδνζεο ηνπ αζύξκαηνπ θαλαιηνύ. Ρέινο, πξνζθέξεη θαη ηε δπλαηόηεηα αμηνιόγεζεο ησλ πιενλεθηεκάησλ πνπ πξνζθέξνπλ νη MIMO κεηαδόζεηο ζηελ απόδνζε ηνπ ζπζηήκαηνο. 110 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

111 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 5: Αλαζθόπεζε Δξεπλεηηθήο Ξεξηνρήο Πξνζνκνησηήο LTE System Level Ν πξνζνκνησηήο LTE System Level δεκηνπξγήζεθε γηα λα ζπκπιεξώζεη ηνλ πξνεγνύκελν πξνζνκνησηή LTE Link Level. Ν ζπλδπαζκόο ησλ δύν απηώλ κεραληζκώλ επηηξέπεη ηε ιεπηνκεξή πξνζνκνίσζε ησλ δηαδηθαζηώλ ηνπ θπζηθνύ επηπέδνπ γηα ηελ αλάιπζε ζεκάησλ ζρεηηθώλ κε ην επίπεδν δεύμεο θαη ηελ πξνζνκνίσζε ηεο ιεηηνπξγίαο ηνπ ζπζηήκαηνο όπνπ κπνξεί λα δηεξεπλεζεί ε ζπλνιηθή απόδνζε ηνπ δηθηύνπ. Πηόρνο ηνπ System Level πξνζνκνησηή είλαη λα κειεηήζεη ζέκαηα πνπ αλαθέξνληαη ζηε δηάηαμε ησλ θπςειώλ, ζην ρξνλνπξνγξακκαηηζκό ή ζε ζέκαηα ειέγρνπ ηεο παξεκβνιήο. Ξαξόια απηά, νη επηινγέο ηνπ ζπγθεθξηκέλνπ πξνζνκνησηή ζεσξνύκε πσο είλαη πνιύ πεξηνξηζκέλεο θαη ε ρξήζε ηνπ δελ ζα κπνξνύζε λα επεθηαζεί ζε άιια ζέκαηα, όπσο ε ζπλνιηθή θαη ξεαιηζηηθή αμηνιόγεζε ελόο LTE MBMS ζπζηήκαηνο, πνπ απαηηνύλ πιήξε ιεηηνπξγηθόηεηα όισλ ησλ ζηνηρείσλ ηνπ δηθηύνπ. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 111

112

113 Θ Δ Φ Α Ι Α Η Ν 6 : Κ Ζ Σ Α Λ Η Π Κ Ν Π Ξ Ο Ν Π Ν Κ Ν Η Υ Π Ζ Π

114

115 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο ΜΗΥΑΝΙΜΟ ΠΡΟΟΜΟΙΩΗ Γηα ηελ αμηνιόγεζε ηεο απόδνζεο ηεο εθαξκνγήο ηνπ θώδηθα FEC Raptor πάλσ ζηελ ππεξεζία MBMS ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ ηερλνινγίαο LTE θαη εηδηθόηεξα πάλσ από ηε streaming κεηάδνζε εθαξκνγώλ, εθηόο από ην ζεσξεηηθό ππόβαζξν πνπ παξέρεηαη ζε πξνεγνύκελα θεθάιαηα, πνιύ ζεκαληηθό θνκκάηη απνηειεί ε δηαδηθαζία εμαγσγήο πεηξακαηηθώλ απνηειεζκάησλ κέζα από πξνζνκνηώζεηο ελόο πεξηβάιινληνο MBMS LTE. Πηόρνο καο είλαη ε παξνπζίαζε ελόο ζπλνιηθά ξεαιηζηηθνύ θαη πιήξσο ιεηηνπξγηθνύ πεξηβάιινληνο πξνζνκνίσζεο, ην νπνίν ζα καο παξέρεη ηε δπλαηόηεηα εμαθξίβσζεο ηεο απόδνζεο ελόο νινθιεξσκέλνπ ζπζηήκαηνο κεηάδνζεο, μεθηλώληαο από ην επίπεδν ησλ streaming εθαξκνγώλ πνπ παξέρνληαη από έλαλ πάξνρν πεξηερνκέλνπ ηνπ δηθηύνπ θαη θζάλνληαο κέρξη ην θπζηθό επίπεδν ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο κεηάδνζεο. Ξξέπεη λα ζεκεηώζνπκε πσο, ν ρώξνο ηεο πξνζνκνίσζεο LTE ζπζηεκάησλ είλαη έλαο ζρεηηθά λένο εξεπλεηηθόο ρώξνο, ν νπνίνο δελ πξνζθέξεη πνιιέο αμηόινγεο εθαξκνγέο, θαζώο νη πεξηζζόηεξνη από ηνπο πξνζνκνησηέο LTE δηθηύσλ δελ πξνζθέξνπλ ζπλνιηθή ιεηηνπξγία ηνπ δηθηύνπ, εζηηάδνληαο πεξηζζόηεξν ζηελ πξνζνκνίσζε ηνπ δηθηύνπ αζύξκαηεο πξόζβαζεο. Ξαξόια απηά, όπσο ζα πεξηγξάςνπκε ζηε ζπλέρεηα, πξόζθαηα εκθαλίζηεθαλ αμηόινγεο πξνηάζεηο ζρεηηθέο κε ηε ιεηηνπξγία θαη απόδνζε ησλ θηλεηώλ δηθηύσλ LTE πξνζθέξνληαο κία πιήξσο ιεηηνπξγηθή πιαηθόξκα πξνζνκνίσζεο ηεο ζπλνιηθήο ιεηηνπξγίαο ησλ δηθηύσλ LTE. Πθνπόο καο είλαη λα παξνπζηάζνπκε έλα πεξηβάιινλ πξνζνκνίσζεο ην νπνίν ζα αληαπνθξίλεηαη ζηηο αλάγθεο ηεο παξνύζαο εξγαζίαο, κε βαζηθόηεξα ζεκεία ηελ εθαξκνγή ηνπ ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor θαη ηελ πξνζνκνίσζε παξνρήο streaming εθαξκνγώλ πάλσ ζε πεξηβάιινλ κεηάδνζεο MBMS. Πην ζπγθεθξηκέλν θεθάιαην, αξρηθά πεξηγξάθεηαη αλαιπηηθά ε ιεηηνπξγηθόηεηα ηεο πιαηθόξκαο πξνζνκνίσζεο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε ζηελ παξνύζα κεηαπηπρηαθή δηπισκαηηθή εξγαζία. Πηε ζπλέρεηα, παξνπζηάδεηαη ην πεξηβάιινλ πξνζνκνίσζεο πνπ αλαπηύμακε γηα ηελ εθηέιεζε ησλ πεηξακάησλ ζρεηηθά κε ηελ εθαξκνγή ηνπ Raptor FEC πάλσ ζε MBMS ππεξεζίεο. Δπίζεο, πεξηγξάθνληαη αλαιπηηθά νη ιεηηνπξγηθέο νληόηεηεο ελόο πεξηβάιινληνο MBMS κεηάδνζεο θαζώο θαη ε δηαδηθαζία εηζαγσγήο πξνζηαζίαο ζηα κεηαδηδόκελα δεδνκέλα κέζσ ηνπ κνληεινπνηεκέλνπ κεραληζκνύ AL-FEC. 6.1 Η Πιαηθόξκα LTE-Sim Ζ πιαηθόξκα πξνζνκνίσζεο ησλ θηλεηώλ θπςεισηώλ δηθηύσλ ηερλνινγίαο LTE, κε ηελ νλνκαζία LTE-Sim [82], αξρηθά εκθαλίζηεθε ζαλ ηκήκα ηεο ηειεπηαίαο έθδνζεο ηνπ πξνζνκνησηή δηθηύσλ ns-3 [83], όκσο πιένλ πξνζθέξεηαη ζαλ απηόλνκν παθέην ζε κία πην νινθιεξσκέλε έθδνζή ηνπ. Ν LTE-Sim πξνζπαζεί λα γεθπξώζεη ην θελό πνπ αθήλνπλ νη πξνεγνύκελνη πξνζνκνησηέο LTE, νη νπνίνη ππνζηεξίδνπλ κόλν θάπνηα ηκήκαηα ελόο ζπζηήκαηνο LTE, παξέρνληαο έλα πιήξεο πεξηβάιινλ γηα ηελ ζπλνιηθή αμηνιόγεζε ηεο απόδνζεο ελόο LTE ζπζηήκαηνο. Ν LTE-Sim πξνζνκνηώλεη ηε ιεηηνπξγία ελόο νινθιεξσκέλνπ δηθηύνπ LTE, θαζώο πεξηιακβάλεη ηε κνληεινπνίεζε ηόζν ηνπ eutran όζν θαη ηνπ EPS. Ππγθεθξηκέλα πεξηιακβάλεη πεξηβάιινληα κίαο θαη πνιιαπιώλ θπςειώλ, δηαρείξηζε Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 115

116 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο ζεκάησλ QoS, πεξηβάιινληα πνιιαπιώλ ρξεζηώλ, θηλεηηθόηεηα ρξεζηώλ, δηαδηθαζίεο handover θαζώο θαη ηελ πινπνίεζε ηερληθώλ επαλαρξεζηκνπνίεζεο ζπρλνηήησλ. Έρνπλ κνληεινπνηεζεί ηξεηο θόκβνη ηνπ δηθηύνπ: ην User Equipment (UE), ν evolved NodeB (enb) θαη ε Mobility Management Entity/Gateway (MME/GW). Δπίζεο, ππνζηεξίδεηαη ε δηαρείξηζε ησλ bearers γηα ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ θαζώο επίζεο παξέρνληαη θαη δηάθνξεο άιιεο ιεηηνπξγίεο ησλ LTE, όπσο δηάθνξνη αιγόξηζκνη ρξνλνδξνκνιόγεζεο, έλα ζρήκα AMC θαη ε ιεηηνπξγία παξνρήο αλάδξαζεο ζρεηηθά κε ηελ θαηάζηαζε ηνπ θαλαιηνύ (Channel Quality Indicator-CQI). Ρέινο, παξέρνληαη δηάθνξα κνληέια γηα ην θπζηθό επίπεδν Βαζηθή Σνπνινγία Γηθηύνπ Ζ πιαηθόξκα LTE-Sim ππνζηεξίδεη ηελ εθηέιεζε πξνζνκνηώζεσλ ζε πεξηβάιινληα κίαο θπςέιεο θαη ζε πεξηβάιινληα πνιιαπιώλ θπςειώλ, όπσο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 38. Ζ ηνπνινγία ηνπ δηθηύνπ απνηειείηαη από έλα ζύλνιν θπςειώλ θαη δηθηπαθώλ θόκβσλ, πνπ ζπκπεξηιακβάλνπλ έλα enb αλά θπςέιε, έλα ή πεξηζζόηεξα MME πνπ κπνξνύλ λα δηαρεηξίδνληαη έλα ή πεξηζζόηεξα enb θαζώο θαη ηνπο θηλεηνύο ρξήζηεο (UEs) θαηαλεκεκέλνπο ζηηο θπςέιεο. Θάζε θπςέιε LTE αλαγλσξίδεηαη από έλα κνλαδηθό αλαγλσξηζηηθό (ID) θαη ηα βαζηθά ραξαθηεξηζηηθά ηεο είλαη ε αθηίλα ηεο θαη ε ζέζε ηεο πνπ νξίδεηαη ζην θαξηεζηαλό ζύζηεκα ζπληεηαγκέλσλ. Δπηπιένλ, θάζε άιιε δηθηπαθή νληόηεηα θέξεη έλα κνλαδηθό αλαγλσξηζηηθό (ID). Δηθόλα 38. Σα Πεξηβάιινληα Πξνζνκνίσζεο ηνπ LTE-Sim Κηλεηηθόηεηα Υξεζηώλ πνζηεξίδνληαη δύν ηύπνη κνληέισλ θηλεηηθόηεηαο: ην κνληέιν ηπραίαο θαηεύζπλζεο θαη ην κνληέιν ηπραίαο δηαδξνκήο [84]. Νη ηαρύηεηεο θίλεζεο ησλ UEs κπνξνύλ λα νξηζηνύλ ζε 0, 3, 30 θαη 120 ρ.α.ώ., πνπ αληηζηνηρνύλ ζε ζηαηηθά, θίλεζεο πεδώλ θαη θίλεζεο νρεκάησλ πεξηβάιινληα αληίζηνηρα. Όηαλ ρξεζηκνπνηείηαη ην κνληέιν ηπραίαο θαηεύζπλζεο, θάζε UE ηπραία επηιέγεη ηελ θαηεύζπλζε θίλεζεο, ηελ νπνία θαη δηαηεξεί κέρξη λα θζάζεη ζηα όξηα ηεο πεξηνρήο πξνζνκνίσζεο, επηιέγνληαο ηόηε κία λέα θαηεύζπλζε. Κε ην κνληέιν ηπραίαο δηαδξνκήο, θάζε UE επηιέγεη ηπραία ηελ θαηεύζπλζε θίλεζεο, ηελ νπνία δηαηεξεί γηα έλα ρξνληθό δηάζηεκα αλάινγν ηεο ηαρύηεηάο ηνπ, επηιέγνληαο ζηε ζπλέρεηα κία λέα 116 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

117 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο θαηεύζπλζε. Γηα λα ππνζηεξηρζνύλ πιήξσο ηα κνληέια θηλεηηθόηεηαο, έρεη πινπνηεζεί θαη ε δηαδηθαζία ηνπ handover όηαλ έλαο ρξήζηεο κεηαθηλείηαη ζε δηαθνξεηηθή θπςέιε Σν Δπίπεδν Δθαξκνγώλ θαη ε ηνίβα Πξσηνθόιισλ Ρα παθέηα δεδνκέλσλ πνπ κεηαθέξνληαη κε ηνπο κνληεινπνηεκέλνπο bearers παξάγνληαη από ην πινπνηεκέλν επίπεδν εθαξκνγώλ, ην νπνίν πξνζθέξεη ηέζζεξηο δηαθνξεηηθέο γελλήηξηεο θίλεζεο: ηε κεηάδνζε RTP θίλεζεο video θσδηθνπνηεκέλνπ κε ην πξόηππν H.264, πνπ πξνζνκνηώλεη ηε streaming κεηάδνζε θίλεζεο, ηηο ξνέο VoIP δεδνκέλσλ, κία κνληεινπνηεκέλε ξνή ζηαζεξνύ ξπζκνύ κεηάδνζεο θαη ηέινο κία ξνή πνπ πξνζνκνηώλεη θιαζηθή IP θίλεζε. Ζ ξνή video ρξεζηκνπνηεί παθέηα βάζεη πξαγκαηηθώλ video αξρείσλ, ηα νπνία είλαη δηαζέζηκα ζην [85]. Ν LTE-Sim πινπνηεί δηάθνξεο ιεηηνπξγίεο ηόζν ηνπ user plane όζν θαη ηνπ control plane ηεο ζηνίβαο πξσηνθόιισλ ηνπ LTE [86]. Ππγθεθξηκέλα, πεξηιακβάλεη ηα ππνεπίπεδα RRC, PDCP, MAC θαζώο θαη ην RLC, όπσο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 39. Ρν ππνεπίπεδν RRC δηαρεηξίδεηαη ηνπο downlink θαη uplink bearers. Πην user plane, ην ππνεπίπεδν PDCP εθηειεί ηε ζπκπίεζε ησλ επηθεθαιίδσλ ησλ παθέησλ πνπ δέρεηαη από πςειόηεξα επίπεδα θαη ηα πξνσζεί ζην RLC. Ζ RLC νληόηεηα κνληεινπνηεί ηε κεηάδνζε δεδνκέλσλ ρσξίο επηβεβαίσζε (Unacknowledged Mode-UM) ηνπ ππνεπηπέδνπ RLC. Ρν RLC εθηειεί ηηο ιεηηνπξγίεο ηνπ θαηαθεξκαηηζκνύ ησλ παθέησλ γηα κεηάδνζε ζηα ρακειόηεξα ππνεπίπεδα, θαζώο θαη ηε ζπλέλσζε ησλ κνλάδσλ δεδνκέλσλ (Service Data Units-SDUs) πνπ ιακβάλεη από ρακειόηεξα ππνεπίπεδα. Ρν ππνεπίπεδν MAC πξνζθέξεη κία δηεπαθή κεηαμύ ησλ δηθηπαθώλ νληνηήησλ enb θαη UE θαη ηνπ θπζηθνύ επηπέδνπ γηα ηε κεηάδνζε ησλ παθέησλ. Δπίζεο ην MAC είλαη ππεύζπλν γηα ην ρξνλνπξνγξακκαηηζκό ηεο κεηάδνζεο ησλ παθέησλ. Δηθόλα 39. Η Τινπνηεκέλε ηνίβα Πξσηνθόιισλ ηνπ Πξνζνκνησηή LTE-Sim. Πηελ ηξέρνπζα έθδνζε ηνπ LTE-Sim, ζην επίπεδν κεηαθνξάο έρεη πινπνηεζεί κόλν ην πξσηόθνιιν UDP. Κε ηε δεκηνπξγία παθέησλ ζην επίπεδν εθαξκνγώλ, απηά πξνσζνύληαη ζηα πξσηόθνιια UDP θαη IP. Πε θάζε IP παθέην πξνζηίζεηαη κία PDCP επηθεθαιίδα, παξέρνληαο ηε ιεηηνπξγία ηεο ζπκπίεζεο επηθεθαιίδσλ κε ην Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 117

118 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο πξσηόθνιιν Robust Header Compression (ROHC) [87]. Ρέινο, πξνζηίζεληαη ε πξνζηαζία CRC θαη νη επηθεθαιίδεο ησλ RLC θαη MAC Μνληέια Καλαιηώλ Πηελ πιαηθόξκα LTE-Sim ε ιεηηνπξγία ηνπ θπζηθνύ επηπέδνπ πεξηγξάθεηαη από έλα αλαιπηηθό κνληέιν ην νπνίν πξνζνκνηώλεη ηελ απόδνζε ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο, ππνζηεξίδνληαο κνληέια πεξηγξαθήο ησλ θαηλνκέλσλ ηνπ propagation loss θαη ηνπ path loss. Ν Ξίλαθαο 4 παξνπζηάδεη ζπλνπηηθά ηα κνληέια θαλαιηώλ πνπ ππνζηεξίδνληαη κέρξη ηώξα. Αλαιπηηθέο πιεξνθνξίεο γηα ηελ πξνζνκνίσζε ηνπ θπζηθνύ επηπέδνπ παξέρνληαη ζην [82]. Πίλαθαο 4. Μνληέια Καλαιηώλ ηνπ Πξνζνκνησηή LTE-Sim. Cell Scenario Path loss model 3 Macro Cell Urban and Suburban Areas Macro Cell Rural Areas L = log 2 GHz. L = log 2 GHz. Micro Cell L = log 10(d + 20) Η Γηαδηθαζία Πξνζνκνίσζεο Πηελ πιαηθόξκα LTE-Sim, παξέρεηαη ε δπλαηόηεηα δεκηνπξγίαο ζελαξίσλ πξνζνκνίσζεο, δεκηνπξγώληαο κία ζπλάξηεζε αξρηθνπνίεζεο ησλ ζηνηρείσλ ηνπ πξνζνκνησηή. Ζ δηαδηθαζία δεκηνπξγίαο ζελαξίσλ απνηειείηαη από ηα παξαθάησ βήκαηα: Γεκηνπξγία ελόο ζηηγκηόηππνπ πξνζνκνίσζεο. Γεκηνπξγία θπςέιεο, enb θαη UE, νξίδνληαο ζε θάζε έλα πνιιαπιέο παξακέηξνπο ηνπο όπσο: o o o o Ξιήζνο θπςειώλ. Γηάζηαζε θπςέιεο. Ξιήζνο UEs αλά θπςέιε. Κνληέιν θηλεηηθόηεηαο UEs θαη ηαρύηεηα θίλεζήο ηνπο. Γεκηνπξγία εθαξκνγώλ, ζύκθσλα κε ηα κνληέια πνπ έρνπλ πεξηγξαθεί πξνεγνπκέλσο, νξίδνληαο ηα QoS ραξαθηεξηζηηθά ηνπο θαη ηε ρξνληθή δηάξθεηα κεηάδνζήο ηνπο. Νξηζκόο ηεο ζπλνιηθήο ρξνληθήο δηάξθεηαο ηεο πξνζνκνίσζεο. Ρέινο, κπνξνύλ λα νξηζηνύλ δηάθνξεο άιιεο παξάκεηξνη, κε βαζηθόηεξεο ην εύξνο ιεηηνπξγίαο ηνπ ζπζηήκαηνο, ην κνληέιν θαλαιηνύ θαη ηε κέζνδν duplexing (FDD ή TDD). Όζνλ αθνξά ηα απνηειέζκαηα ηεο πξνζνκνίσζεο, ν LTE-Sim πξνβάιιεη ηα απνηειέζκαηα θαηεπζείαλ θαηά ηε δηάξθεηα ηεο πξνζνκνίσζεο, παξέρνληαο θπζηθά 3 Πεκεηώλεηαη πσο ην d είλαη ε απόζηαζε κεηαμύ ηνπ enb θαη ηνπ UE ζε km. 118 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

119 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο ηε δπλαηόηεηα απνζήθεπζήο ηνπο θαη ζε αξρείν γηα ηελ πεξαηηέξσ επεμεξγαζία ηνπο. Έλα παξάδεηγκα ηκήκαηνο ηεο εμόδνπ ηνπ πξνζνκνησηή δίλεηαη ζηελ Δηθόλα 40. Δηθόλα 40. Παξάδεηγκα Δμόδνπ ηνπ Πξνζνκνησηή LTE-Sim. Πύκθσλα κε ην παξάδεηγκα, ην πξώην πεδίν πεξηγξάθεη ην γεγνλόο πνπ πξνθάιεζε ηελ θαηαγξαθή θάζε γξακκήο. Γειαδή, γξακκέο πνπ μεθηλνύλ κε ηα αλαγλσξηζηηθά TX, RX θαη DROP πεξηγξάθνπλ παθέηα πνπ έρνπλ απνζηαιεί, ιεθζεί θαη ραζεί, αληίζηνηρα. Ρν επόκελν πεδίν πεξηγξάθεη ην είδνο ηνπ παθέηνπ πνπ αλαθέξεηαη ε θάζε θαηαγξαθή. Ρα επόκελα πεδία αθνξνύλ ηηο εμήο πιεξνθνξίεο: ID: έλα αλαγλσξηζηηθό πνπ ραξαθηεξίδεη θάζε παθέην κνλαδηθά. B: ην αλαγλσξηζηηθό ηνπ θάζε bearer πνπ κεηαθέξεη ην ζπγθεθξηκέλν παθέην. SRC: ην αλαγλσξηζηηθό ηνπ θόκβνπ πνπ έζηεηιε ην παθέην. DST: ην αλαγλσξηζηηθό ηνπ πξννξηζκνύ ηνπ παθέηνπ. Ρ: αλαθέξεηαη ζηε ρξνληθή ζηηγκή δεκηνπξγίαο ηνπ παθέηνπ. D: αλαθέξεηαη ζηελ θαζπζηέξεζε ηνπ θάζε ιεθζέληνο παθέηνπ. 6.2 Πεξηβάιινλ Πξνζνκνίσζεο LTE MBMS Πηόρνο ηεο εξεπλεηηθήο ζπλεηζθνξάο ηεο παξνύζαο κεηαπηπρηαθήο δηπισκαηηθήο εξγαζίαο είλαη ε αλάιπζε ηεο εθαξκνγήο ηνπ κεραληζκνύ παξνρήο πξνζηαζίαο FEC ζην επίπεδν εθαξκνγώλ, κέζσ ηεο ρξήζεο ηνπ ζπζηεκαηηθνύ θώδηθα Raptor, όπσο απηόο πεξηγξάθεηαη ζε πξνεγνύκελν θεθάιαην, πάλσ ζε πεξηβάιινληα κεηάδνζεο MBMS ππεξεζηώλ, εζηηάδνληαο ζε ππεξεζίεο streaming κεηάδνζεο πνιπκεζηθήο πιεξνθνξίαο, πάλσ ζε θπςεισηά δίθηπα ηερλνινγίαο LTE. Ζ βάζε ηνπ πεξηβάιινληνο πξνζνκνίσζεο πνπ αλαπηύμακε γηα ηηο αλάγθεο ηεο παξνύζαο εξγαζίαο είλαη ε πιαηθόξκα πξνζνκνίσζεο LTE-Sim, πνπ παξνπζηάζηεθε αλαιπηηθά ζε πξνεγνύκελε παξάγξαθν ηνπ θεθαιαίνπ. Όπσο έρεη ήδε αλαθεξζεί, ην πεξηβάιινλ ηνπ LTE-Sim, παξά ηελ πιεξόηεηά ηνπ, δελ πξνζθέξεη ηε δπλαηόηεηα πξνζνκνίσζεο κίαο MBMS κεηάδνζεο. Ππλεπώο, δύν είλαη νη απαηηήζεηο ηνπ πεξηβάιινληνο πξνζνκνίσζεο πνπ αλαπηύρζεθε: 1) Ζ επέθηαζε ηεο πιαηθόξκαο LTE-Sim, ώζηε λα ππνζηεξίδεη πεξηβάιινληα κεηάδνζεο MBMS κίαο θπςέιεο. 2) Ζ κνληεινπνίεζε θαη ελζσκάησζε ηεο εθαξκνγήο ηνπ θώδηθα Raptor ζηηο ήδε ππνζηεξηδόκελεο εθαξκνγέο streaming ηνπ LTE-Sim. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 119

120 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο Ζ αξρηηεθηνληθή ηνπ δηθηύνπ ηνπ πξνζαξκνζκέλνπ πεξηβάιινληνο πξνζνκνίσζεο MBMS παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 41. Πην eutran, ν enb ιακβάλεη ηα πξνο κεηάδνζε δεδνκέλα από ην EPC θαη ηα πξνσζεί πξνο ηα UEs κέζσ ηεο αζύξκαηεο δηεπαθήο. Πην EPC, όπσο νξίδεηαη ζην [24], κία λέα δηθηπαθή νληόηεηα πξνζηίζεηαη, ην BM-SC, ην νπνίν ελεξγεί ζαλ ζεκείν εηζόδνπ γηα ηηο κεηαδηδόκελεο ξνέο πνπ παξέρνληαη από ηνλ Content Provider (ε πεγή ησλ πνιπκεζηθώλ δεδνκέλσλ). Ρν BM-SC είλαη ππεύζπλν γηα ηελ αξρηθνπνίεζε ησλ κνληεινπνηεκέλσλ MBMS bearers θαη γηα ηε δηαλνκή ηεο IP multicast θίλεζεο. Δπίζεο, ζην BM-SC πινπνηείηαη ε παξνρή πξνζηαζίαο ζηηο κεηαδηδόκελεο ξνέο, κέζσ ηεο εθαξκνγήο ηνπ AL-FEC Raptor. Δπηπιένλ, έρνπλ κνληεινπνηεζεί θαη νη ιεηηνπξγίεο ηεο MBMS GW, κία νληόηεηα πνπ ηνπνζεηείηαη κεηαμύ ηνπ enb θαη ηνπ BM-SC πξνσζώληαο ηα πξνζηαηεπκέλα παθέηα ζην eutran, επεθηείλνληαο νπζηαζηηθά ηηο ιεηηνπξγίεο ηεο ήδε πινπνηεκέλεο MME GW. Δηθόλα 41. Σν Πεξηβάιινλ Πξνζνκνίσζεο ηεο Τπεξεζίαο LTE MBMS. Ζ ζηνίβα πξσηνθόιισλ ηεο κνληεινπνηεκέλεο MBMS streaming κεηάδνζεο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 42. Ρν λέν ζηνηρείν, ζε ζρέζε κε ηελ πιαηθόξκα LTE- Sim, είλαη ε εηζαγσγή ηνπ επηπέδνπ Raptor FEC, γηα ηελ παξνρή πξνζηαζίαο ζηηο κνληεινπνηεκέλεο RTP ξνέο video. Ν κεραληζκόο ηνπ AL-FEC απνηειείηαη από ηξία ζπζηαηηθά ζηνηρεία: ηελ θαηαζθεπή ελόο πεγαίνπ block από ηα παθέηα ηεο πνιπκεζηθήο πιεξνθνξίαο πνπ αλήθνπλ ζε κία ή πεξηζζόηεξεο UDP ξνέο, ηελ ηξνπνπνίεζε ησλ πεγαίσλ παθέησλ ζύκθσλα κε ηνλ AL-FEC κεραληζκό θαη ηε δεκηνπξγία ησλ παθέησλ επηζθεπήο. 120 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

121 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο Δηθόλα 42. Η ηνίβα Πξσηνθόιισλ ησλ MBMS Streaming Τπεξεζηώλ. Ρν πεξηβάιινλ πξνζνκνίσζεο ηεο παξνύζαο εξγαζίαο παξέρεη ζην επίπεδν εθαξκνγώλ κνληέια video ξνώλ πξαγκαηηθνύ ρξόλνπ, ηα νπνία ελζπιαθώλνληαη ζηε δνκή ηνπ πξσηνθόιινπ RTP θαη πξνσζνύληαη ζηα επόκελα επίπεδα. Ζ εθαξκνγή ηνπ ζρήκαηνο πξνζηαζίαο AL-FEC κνληεινπνηείηαη ζην BM-SC, ρξεζηκνπνηώληαο ηνλ θώδηθα Raptor. Ν κνληεινπνηεκέλνο θσδηθνπνηεηήο Raptor, ε ιεηηνπξγία ηνπ νπνίνπ παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 43, παξάγεη ηα επηπξόζζεηα παθέηα ζύκθσλα κε ηελ επηζπκεηή πξνζηαζία πνπ εηζάγεη ην ζύζηεκα. Ξην ζπγθεθξηκέλα, παξάγνληαη n θσδηθνπνηεκέλα ζύκβνια από k πεγαία ζύκβνια, ζπλεπώο ην overhead πνπ πξνζζέηεη ην ζρήκα AL-FEC, δειαδή ν αξηζκόο ησλ FEC ζπκβόισλ επηζθεπήο δηαηξεκέλνο από ηνλ αξηζκό ησλ FEC πεγαίσλ ζπκβόισλ, είλαη ίζν κε ηελ πνζόηεηα (n-k)/k. Ζ πνζόηεηα απηή, ζαλ επί ηνηο εθαηό πνζνζηό, νξίδεη ην Raptor overhead πνπ εηζάγεη ζηε κεηάδνζε ε θσδηθνπνίεζε FEC. Κεηά ηελ εθαξκνγή ηνπ κεραληζκνύ FEC, νη UDP ξνέο αλαηίζεληαη ζε MBMS IP multicast bearers. Νη MBMS bearers απαηηνύλ ιίγεο ηξνπνπνηήζεηο ηνπ ήδε πινπνηεκέλνπ LTE user plane ώζηε λα ππνζηεξίμνπλ ηε ιεηηνπξγία MBMS, ζύκθσλα κε ην [88]. Ρν πεξηβάιινλ πξνζνκνίσζεο πνπ έρνπκε παξνπζηάζεη καο επηηξέπεη λα αμηνινγήζνπκε ηελ απόδνζε ηνπ MBMS ζπζηήκαηνο γηα δηάθνξεο streaming ξνέο πνιπκεζηθήο πιεξνθνξίαο, θσδηθνπνηεκέλεο ζε δηάθνξνπο ξπζκνύο θσδηθνπνίεζεο, πξνζνκνηώλνληαο ηε κεηάδνζή ηνπο γηα δηάθνξεο ρξνληθέο δηάξθεηεο. Νη ξνέο απηέο κεηαδίδνληαη ζε ξεαιηζηηθά multicast πεξηβάιινληα, όπνπ κπνξνύκε λα νξίζνπκε ην πιήζνο ησλ ρξεζηώλ πνπ ιακβάλνπλ ηελ MBMS ππεξεζία θαζώο θαη λα ρξεζηκνπνηήζνπκε δηάθνξα κνληέια θηλεηηθόηεηαο θαη ηαρύηεηαο θίλεζεο. Δπίζεο, θαζώο νη πξνζνκνηώζεηο αθνξνύλ ηε ιεηηνπξγία MBMS κεηάδνζεο ζε κία θπςέιε (single-cell MBMS) κπνξνύκε λα νξίζνπκε ην πιήζνο ησλ γεηηνληθώλ θπςειώλ πνπ ζα δξνπλ ζαλ παξεκβνιή θαζώο θαη ηελ αλάπηπμε ησλ θπςειώλ νξίδνληαο ην κέγεζόο ηνπο. Όζνλ αθνξά ζηηο παξακέηξνπο ηνπ ζπζηήκαηνο κπνξνύκε λα επηιέμνπκε ην εύξνο ιεηηνπξγίαο ηνπ LTE ζπζηήκαηνο θαη δηάθνξα κνληέια θαλαιηώλ αλάινγα κε ηε δηάηαμε ηνπ δηθηύνπ αζύξκαηεο πξόζβαζεο. Πην επίπεδν ηνπ κνληεινπνηεκέλνπ AL-FEC, νη παξάκεηξνη πνπ κπνξνύκε λα νξίζνπκε είλαη ην Raptor overhead θαη ν αξηζκόο ησλ FEC ζπκβόισλ πνπ πξνζηαηεύνληαη καδί ζε έλα FEC πεγαίν block. Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution 121

122 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο Δηθόλα 43. H Λεηηνπξγία ηνπ Κσδηθνπνηεηή FEC. Ρέινο, ζηελ πιεπξά ηνπ παξαιήπηε ην βαζηθό ζεκείν ηεο απόδνζεο ηνπ AL-FEC είλαη ε ηθαλνπνίεζε ηνπ ρξήζηε, κε ηελ έλλνηα ηεο επηηπρεκέλεο απνθσδηθνπνίεζεο ηεο πξνζηαηεπκέλεο ξνήο δεδνκέλσλ, ε νπνία εμαξηάηαη θαηά θύξην ιόγν από ην πνζό ηνπ πιενλαζκνύ (Raptor overhead) πνπ πξνζζέηεη ζηε κεηάδνζε ν FEC θσδηθνπνηεηήο, θαζώο θαη από άιιεο παξακέηξνπο ηνπ. Ζ ζεσξεηηθή απόδνζε ηνπ θώδηθα Raptor εμαξηάηαη από ην πνζό ησλ δεδνκέλσλ πνπ ιήθζεθαλ από θάζε ρξήζηε ηεο MBMS κεηάδνζεο. Δάλ έρνπλ ιεθζεί ιηγόηεξα δεδνκέλα από ην κέγεζνο ηνπ FEC block, ηόηε ε αλάθηεζε ηνπ αξρηθνύ block δεδνκέλσλ είλαη πξνθαλώο αδύλαηε. Δάλ έρεη ιεθζεί έλαο αξηζκόο θσδηθνπνηεκέλσλ ζπκβόισλ πνπ δελ είλαη κηθξόηεξνο από ηνλ αξηζκό ησλ πεγαίσλ ζπκβόισλ, ηόηε ε πηζαλόηεηα επηηπρνύο απνθσδηθνπνίεζεο ηεο ξνήο πνιπκέζσλ κπνξεί πνιύ εύθνια λα εμαρζεί από ηελ ζρέζε (3), κε κία απιή αθαίξεζε. 1 p f (n,k) n-k if n k, if n k. ( 3) Η Λεηηνπξγία ηνπ Πεξηβάιινληνο Πξνζνκνίσζεο LTE MBMS Ρν ζελάξην πξνζνκνίσζεο πνπ έρνπκε επηιέμεη γηα ηε δηεμαγσγή ησλ πεηξακάησλ ηεο παξνύζαο έξεπλαο είλαη έλα πεξηβάιινλ MBMS κεηάδνζεο κίαο θπςέιεο, όπσο παξνπζηάδεηαη ζηελ Δηθόλα 44 παξαθάησ, παξέρνληαο ηελ επηινγή ηνπ πιήζνπο ησλ γεηηνληθώλ θπςειώλ πνπ ζα δξνπλ ζαλ παξεκβνιή κεηαμύ θπςειώλ. 122 Αλάιπζε ηεο Απόδνζεο ηνπ Forward Error Correction ζε Θηλεηά Γίθηπα Δπηθνηλσληώλ Ρερλνινγίαο Long Term Evolution

123 ΘΔΦΑΙΑΗΝ 6: Κεραληζκόο Ξξνζνκνίσζεο Δηθόλα 44. Σν Μνληεινπνηεκέλν Πεξηβάιινλ MBMS Μεηάδνζεο Μίαο Κπςέιεο. Γεληθά ε ξύζκηζε ηνπ πεξηβάιινληνο πξνζνκνίσζεο κπνξεί λα γίλεη κέζα από ην αξρείν ηνπ ζελαξίν&pi