ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣTΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΣΤΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΟΧΗ ΔΙΑΤΕΡΜΑΤΙΚΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΠΑΡΕΧΟΜΕΝΩΝ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ ΣΤΑ ΕΤΕΡΟΓΕΝΗ ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΤΕΤΑΡΤΗΣ ΓΕΝΙΑΣ Ασημάκης Δ. Λυκουργιώτης Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών Αριθμός Διδακτορικής Διατριβής: 336 Απρίλιος, 2016

2 Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & ΤΥ Ασημάκης Δ. Λυκουργιώτης Με την επιφύλαξη παντός δικαιώµατος. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανοµή της παρούσας διατριβής, εξ ολοκλήρου ή τµήµατος αυτής, για εµπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανοµή για σκοπό µη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν µήνυµα. Ερωτήµατα που αφορούν τη χρήση της διατριβής για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα.

3

4

5 v Στην οικογένειά μου

6 Ευχαριστίες Ολοκληρώνοντας μια επίπονη προσπάθεια, όπως αυτή της διεκπεραίωσης μιας διδακτορικής διατριβής, είναι αναπόφευκτος ένας απολογισμός των εμπειριών, των φάσεων και των αποτελεσμάτων αυτής της πορείας. Η μύηση στις απαιτήσεις, διαδικασίες και στόχους της ερευνητικής προσπάθειας αποτελεί μια στενωπό, την οποία δεν θα είχα διέλθει χωρίς την καθοδήγηση, επίβλεψη και αρωγή του Καθηγητή Σταύρου Κωτσόπουλου. Η ικανοποίηση της δημοσίευσης των εργασιών, η οποία επακολούθησε, την οφείλω σε σημαντικό βαθμό στον επιβλέποντα Καθηγητή μου, και τον ευχαριστώ θερμά για αυτό. Οι απλές ευχαριστίες και η έκφραση της ευγνωμοσύνης μου δεν είναι δυνατόν να ανταποδώσουν την επιστημονική, παιδαγωγική και προσωπική στήριξη που μου παρείχε όλα αυτά τα χρόνια. Στη συνέχεια αυτής της πορείας, είχα την τιμή να συνεργαστώ με τον Καθηγητή Αναστάσιο Νταγιούκλα, στα απαιτητικά πλαίσια ευρωπαϊκών ερευνητικών προγραμμάτων. Η συνεργασία μας, μου έδωσε τη δυνατότητα να αντεπεξέλθω στις απαιτήσεις αυτές, εφοδιάζοντάς με, με γνώσεις, παραστάσεις και εμπειρίες που θα με συντροφεύουν από εδώ και στο εξής. Πολύ δε περισσότερο, μου έδωσε τη μοναδική ευκαιρία να εξάγω τις ιδέες μου από το αποστειρωμένο περιβάλλον των προσομοιωτών και να τις εφαρμόσω σε πραγματικά συστήματα, σχεδιασμένα από πανευρωπαϊκές κοινοπραξίες εταιρειών και ακαδημαϊκών ιδρυμάτων. Για όλα αυτά, θέλω να εκφράσω την εγκάρδια εκτίμησή μου και ευγνωμοσύνη και τον ευχαριστώ θερμά. Στο εγχείρημα αυτό, είχα τη χαρά να συνεργαστώ και με τον ερευνητή Δρ. Ηλία Πολίτη, του οποίου η βοήθεια ήταν καταλυτική στον επιτυχή σχεδιασμό, στην οργάνωση και υλοποίηση των στόχων που μου είχαν ανατεθεί. Θέλω να τον ευχαριστήσω θερμά για το πνεύμα συνεργασίας και το ειλικρινές ενδιαφέρον με τα οποία με περιέβαλε καθ όλη αυτή την περίοδο. Επιπλέον, θέλω να ευχαριστήσω και όλο το ανθρώπινο δυναμικό του Εργαστηρίου Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας, το διδακτικό προσωπικό, τη γραμματέα κ. Αλέκα Κωτσοπούλου-Μπαλού, τους υποψήφιους διδάκτορες και τους επιστημονικούς συνεργάτες για την καθημερινή αρμονική μας συνύπαρξη και συνεργασία. Παράλληλα, για την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής οφείλω πολλά στους δικούς μου ανθρώπους, που μου συμπαραστάθηκαν όλα αυτά τα χρόνια. Στην οικογένειά μου, τον Σάκη, την Ανδριάνα και τον Παναγιώτη, που με στήριξαν τόσο υλικά εν μέσω δυσμενών συγκυριών όσο και ψυχολογικά με την καθημερινή τους α- γάπη και φροντίδα. Στη Βίκη, που μοιράστηκε μαζί μου τον, πολλές φορές, ελάχιστο προσωπικό χρόνο, τα προβλήματα και τις δυσκολίες που αναπόφευκτα συναντά όποιος κάνει την επιλογή ενός διδακτορικού τίτλου. Χωρίς τη δική τους συμπαράσταση και ψυχολογική υποστήριξη δε θα ήμουν σε θέση να ανταποκριθώ στις απαιτήσεις της παρούσας διδακτορικής διατριβή. πρὸς μὲν οὖν τὸ πράττειν ἐμπειρία τέχνης οὐδὲν δοκεῖ διαφέρειν, ἀλλὰ καὶ μᾶλλον ἐπιτυγχάνουσιν οἱ ἔμπειροι τῶν ἄνευ τῆς ἐμπειρίας λόγον ἐχόντων Αριστοτέλoυς Μεταφυσικά, Ι, 981α, 10. vi

7 Περίληψη Η ραγδαία εξάπλωση των κυψελοειδών δικτύων κινητής τηλεφωνίας είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων καταναλωτικών αναγκών και απαιτήσεων που σε συνδυασμό με τη διείσδυση των τεχνολογιών του διαδικτύου οδήγησε στη σημερινή πραγματικότητα της διάδοσης πληθώρας κινητών συσκευών όπως ευφυή κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, ταμπλέτες κ.α. Παράλληλα, εξαπλώθηκαν και τα ασύρματα τοπικά δίκτυα, λόγω του σημαντικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων που υποστηρίζουν με ιδιαίτερα χαμηλό κόστος εξοπλισμού. Έγινε γρήγορα λοιπόν αντιληπτό, ότι για να εξυπηρετηθούν οι αυξανόμενες ανάγκες του κοινού γύρω από τις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες θα μπορούσαν να συνδυαστούν οι δύο αυτοί τύποι δικτύων. Μάλιστα, τα δίκτυα αυτά έχουν συμπληρωματικά χαρακτηριστικά, καθώς τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας έχουν μεγαλύτερο εύρος κάλυψης σε σχέση με τα τοπικά, αλλά με κόστος τον χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και τον ακριβό εξοπλισμό. Ο συνδυασμός αυτών των δύο τύπων δικτύων σε ένα νέο ετερογενές δίκτυο αποτελεί αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας, τόσο από την επιστημονική κοινότητα όσο και από τη βιομηχανία. Ο τελικός στόχος μιας τέτοιας ενοποίησης θα είναι και η συνεχής και αδιάλειπτη πρόσβαση στο διαδίκτυο. Σε ένα τέτοιο δίκτυο ο κινητός χρήστης θα πρέπει λοιπόν να μπορεί να αλλάζει σημείο πρόσβασης καθώς το διατρέχει, χωρίς να αντιλαμβάνεται διακοπές στην παρεχόμενη ποιότητα υπηρεσίας, ανεξαρτήτως της ασύρματης τεχνολογίας την οποία χρησιμοποιεί. Η διαδικασία η οποία είναι υπεύθυνη για αυτόν το σκοπό είναι η διαχείριση κινητικότητας και η μελέτη της έχει λάβει σημαντικό μέρος της ερευνητικής προσπάθειας με την έλευση των ετερογενών δικτύων. Σκοπός της είναι να επιτύχει την υλοποίηση της ενοποίησης όλων των δικτύων σε μια καθολική αρχιτεκτονική βασισμένη στο διαδίκτυο. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να διαχειρίζεται με ιδιαίτερη ταχύτητα και ευφυΐα και τη διαδικασία αλλαγής σημείου πρόσβασης, η οποία καλείται και μεταπομπή. Η σχεδίαση, υλοποίηση και εξάπλωση ενσύρματων δικτύων, που οδήγησε τελικώς στο διαδίκτυο μέσω της ενοποίησής τους, οφείλει πολλά στην κατηγοριοποίηση των λειτουργιών τους σε στρώματα σύμφωνα με το μοντέλο αναφοράς διασύνδεσης ανοικτών συστημάτων. Με τον τρόπο αυτό, δημιουργήθηκαν σαφώς ορισμένες διεπαφές, οι οποίες περιορίζουν συγκεκριμένες πληροφορίες εντός συγκεκριμένων στρωμάτων στις ο- ποίες τα υπόλοιπα στρώματα δεν έχουν πρόσβαση, αρκούμενα στις υπηρεσίες που τους παρέχονται από τα γειτονικά στρώματα. Δυστυχώς, αυτή η προσέγγιση δεν είναι παραγωγική για τα ασύρματα δίκτυα και ιδιαίτερα στην περίπτωση της διαδικασίας της μεταπομπή, η οποία για να είναι ταχεία και αποδοτική απαιτεί τον συγχρονισμό όλων των εμπλεκομένων στρωμάτων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω διαστρωματικών αρχιτεκτονικών, όπου πλήθος πληροφοριών κυρίως του στρώματος ζεύξης γίνονται διαθέσιμες στα ανώτερα στρώματα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται σε βάθος η απόδοση της μεταπομπής, αλλά υπό το πρίσμα των πολυμεσικών εφαρμογών, καθώς αυτό είναι και το τελικό ζητούμενο. Η μελέτη αυτή χρησιμοποιεί διαστρωματικές αρχιτεκτονικές για τη βελτιστοποίηση της μεταπομπής, συγχρονίζοντας τη με την κατάσταση του στρώματος ζεύξης. Μάλιστα, μελετάται, προτείνεται και υλοποιείται αλγόριθμος, ο οποίος ενορχηστρώνει τη διαδικασία από το στρώμα ζεύξης έως και το στρώμα εφαρμογής. Ταυτόχρονα, εστιάζοντας στα ετερογενή δίκτυα μελετάται, προτείνεται και υλοποιείται μηχανισμός vii

8 ιεράρχησης των διαφόρων δικτύων βάσει των υφιστάμενων δικτυακών συνθηκών, με σκοπό να προβλεφθεί η ποιότητα της εμπειρίας του κινητού χρήστη και να γίνει τελικά η επιλογή της βέλτιστης λύσης. Σημαντικό στοιχείο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ότι η υλοποίηση των παραπάνω αλγορίθμων και μηχανισμών δεν περιορίζεται μόνο σε επίπεδο προσομοιώσεων αλλά επεκτείνεται και σε πρότυπο εξομοιωτή δικτύου τέταρτης γενιάς στα πλαίσια ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος. Οι υλοποιήσεις αυτές ελέγχθηκαν επισταμένως από την ευρωπαϊκή επιτροπή για την υψηλή τους απόδοση ενώ το ίδιο το έργο βαθμολογήθηκε με άριστα. viii

9 Abstract The rapid spread of cellular networks resulted in the emergence of new consumer needs and preferences, which combined with the penetration of Internet technologies, have led to the dissemination of a plethora of mobile devices such as smart phones, laptop computers, tablets, etc. At the same time, the inexpensive deployment coupled with the high bandwidth availability of IEEE wireless local area networks led to their proliferation. Consequently, it quickly became apparent that in order to serve the growing needs of the public around telecommunications services, these two types of networks should be combined. Indeed, these networks have complementary characteristics, as cellular networks provide a greater range of coverage than local networks but at the cost of lower data rate and expensive equipment. The combination of these two types of networks to a new heterogeneous network is the subject of extensive research by both the scientific community and industry. The ultimate goal of such an integration is to achieve anywhere, anytime and on any device ubiquitous Internet access. In such a network, the mobile node should then be able to change its point of attachment as it roams, without any deterioration in the provided quality of services, regardless of the wireless technology that it uses. The process responsible for this purpose is the mobility management and with the advent of heterogeneous networks a substantial research effort has been devoted to its study. Its purpose is to achieve the integration of all wireless technologies into a universal architecture based on the Internet. At the same time, mobility management should manage with great speed and efficiency the process of changing the mobile node s point of attachment to the network, which is called handover. The design, implementation and deployment of wired networks that led to their integration over the Internet owes much to partition a communication system into abstraction layers according to the open systems interconnection reference model. In this approach, well-defined interfaces were created that restrict specific information within certain layers in which the other layers do not have access, limiting itself to specific services provided to them. Unfortunately, this approach is not efficient for wireless networks, especially in the case of the handover process, which in order to be rapid and effective requires synchronization of all the involved layers. This can only be achieved through a cross-layer architecture where information mainly from the link layer becomes available to the upper layers. In this thesis, the performance of the handover is studied in depth but in conjuction with multimedia applications, as this is the ultimate goal. This study uses cross-layer architectures for optimizing handover process, synchronizing it with the state of the link layer. We also studied, proposed and implemented an algorithm that orchestrates the whole process from the link layer to the application layer. At the same time, focusing on heterogeneous networks, we studied, proposed and implemented a mechanism for prioritizing different networks based on existing network conditions, in order to predict the quality of experience perceived by the mobile user and to make the choice of the optimal available solution. An important part of this thesis is that the implementation of these algorithms and mechanisms is not only limited to simulators but extended to a fourth generation network emulator within the scope

10 of European research programme. These implementations were reviewed thoroughly by the European Commission for their performance, while the project itself was rated with honors. x

11 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Κεφάλαιο1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τύποι Διαχείρισης Κινητικότητας και Μεταπομπής Κίνητρα Συνεισφορά διατριβής Οργάνωση κεφαλαίων διατριβής Κεφάλαιο2: ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Εισαγωγή Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Διαχείριση Κινητικότητας στο Στρώμα Δικτύου Καθολική Διαχείριση Κινητικότητας Τοπική Διαχείριση Κινητικότητας Βελτιστοποιήσεις Διαχείριση Κινητικότητας σε Ανώτερα Στρώματα mobile SCTP Session Initiation Protocol Διαχείριση Κατακόρυφων Μεταπομπών σε Ετερογενή Δίκτυα Ανάλυση Πρωτοκόλλων Διαχείρισης Κινητικότητας Μοντέλο Ροής Υγρού Ανάλυση Κόστους Σηματοδοσίας Κόστος Παράδοσης Πακέτου Καθυστέρηση Μεταπομπής Συμπεράσματα Κεφάλαιο3: ΤΑΧΕΙΑ ΜΕΤΑΠΟΜΠΗ ΣΕ VoIP Εισαγωγή Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Φωνή μέσω του Πρωτοκόλλου του Διαδικτύου Κωδικοποίηση Φωνής Ανίχνευση Φωνητικής Δραστηριότητας E-Model Ασύρματα δίκτυα IEEE Μοντελοποίηση Συστήματος Μηχανισμός σκανδαλιστών Σηματοδοσία LLH Παραμετροποίηση WLAN VoIP και E-Model Ανάλυση Καθυστέρησης Μεταπομπής Αποτελέσματα προσομοίωσης VoIP σε b Συμπεράσματα ix

12 Κεφάλαιο4: ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗΣ VoIP Εισαγωγή Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Αλγόριθμοι Προγραμματισμού Αναπαραγωγής Προτεινόμενος Αλγόριθμος Αναπαραγωγής Αποτελέσματα Υποκειμενικών Δοκιμών Ακρόασης Περιβάλλον προσομοίωσης Υποκειμενικές Δοκιμές Ακρόασης Αποτελέσματα Συμπεράσματα Κεφάλαιο5: ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΑΘΗΣΗΣ ΓΙΑ 3D ΒΙΝΤΕΟ Εισαγωγή Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Διαχείριση Γνώσης στην Ποιότητα της Εμπειρίας Απλοϊκός Μπεϋζιανός Ταξινομητής Λογικά Δένδρα Αποφάσεων Πολυεπίπεδα Νευρωνικά Δίκτυα Προσομοιώση Εκτέλεση Προσομοιώσεων Υποκειμενική Αξιολόγηση Σύγκριση των QoE Μοντέλων Μηχανικής Μάθησης Συμπεράσματα Κεφάλαιο6: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΣΕ ΠΡΟΤΥΠΗ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ 4G ΔΙΚΤΥΟΥ Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Σκοπός και Αρχιτεκτονική του ROMEO Διαχείριση Μεταπομπών στο ROMEO Οριζόντια Μεταπομπή Κατακόρυφη Μεταπομπή Κινητικότητα Ροών Πληρεξούσιος με Ενημερότητα Μέσων Συμπεράσματα Κεφάλαιο7: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ανασκόπηση Μελλοντική Έρευνα ΑΝΑΦΟΡΕΣ 103 x

13 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ 1 Μήκος Μηνυμάτων Σηματοδοσίας (σε bytes) Παράμετροι Δικτύου Σχέση R-factor και MOS Ρυθμίσεις για την Προσομοίωση b Ρυθμίσεις για την Προσομοίωση VoIP Παράμετροι Κωδικοποίησης Βίντεο Αριστεράς-Δεξιάς Θέασης Παράμετροι Ποιότητας Ασύρματου Καναλιού Απλοϊκός Μπεϋζιανός Ταξινομητής Αποτελέσματα Απόδοσης Οριζόντιας Μεταπομπής PSNR Αποτελέσματα Απόδοσης του Πληρεξουσίου xi

14 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ 1 Σηματοδοσία MIPv Σηματοδοσία MIPv Σηματοδοσία HMIPv Σηματοδοσία PMIPv Σηματοδοσία LLH Mεταπομπής με Πρόβλεψη Σηματοδοσία LLH Αντιδραστικής Mεταπομπής Σηματοδοσία FMIPv Σηματοδοσία PFMIPv Σηματοδοσία Ανάκτησης Δυνατότητας Δρομολόγησης Αρχιτεκτονική και Υπηρεσίες του MIH Μοντέλο Ροής Υγρού για Κυκλικές Περιοχές Κόστος Σηματοδοσίας Συναρτήσει του SMR Επίδραση του Μεγέθους Συνόδου στο Κόστος Παράδοσης Πακέτων Επίδραση του SMR στο Διάστημα Διακοπής της Υπηρεσίας Καθυστέρηση Σηματοδοσίας για διαφορετικού μήκους πακέτα R-factor και για τα δυο σενάρια Επίδραση του παράγοντα T MT LD Επίδραση του παράγοντα T of A nf A Σύγκριση Κωδικοποιητών (a) Ο αλγόριθμος OLA (b) Διαδικασία αποδόμησης WSOLA Συμβατικό και Προτεινόμενο Χρονοδιάγραμμα Αναπαραγωγής Προτεινόμενος Αλγόριθμος Αναπαραγωγής Διάγραμμα Ακολουθίας Προσομοιωτή DMOS συναρτήσει της Καθυστέρησης Μεταπομπής DMOS συναρτήσει της τιμής D BP DMOS για διάφορους κωδικοποιητές Το Πολυεπίπεδο Νευρωνικό Δίκτυο των προσομοιώσεων Τοπολογία Προσομοίωσης Η Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας της Γάμμα Κατανομής Αποτελέσματα MOS για Κάθε Μετρική της QoS Δένδρο Αποφάσεων για το QoE Μοντέλο Πρόβλεψης Σύγκριση των αλγόριθμων μηχανικής μάθησης Αρχιτεκτονική του ROMEO ROMEO και EPC Σηματοδοσία Οριζόντιας Μεταπομπής Καθυστέρηση Οριζόντιας Μεταπομπής Σηματοδοσία Κατακόρυφης Μεταπομπής Διακύμανση Διατερματικής Καθυστέρησης σε Κατακόρυφη Μεταπομπή. 95 xii

15 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΑΚΡΩΝΥΜΙΩΝ PoA - point of attachment OSI - open systems interconnection MIP - mobile internet protocol HMIP - hierarchical MIP FMIP - fast handovers for MIP PMIP - proxy MIP msctp - mobile stream control transmission protocol SIP - session initiation protocol VoIP - voice over IP PFMIPv6 - fast handovers for PMIPv IPv4 - internet protocol version TCP - transmission control protocol HoA - home address CoA - care-of address FA - foreign agent ICMP - internet control message protocol AtSol - agent solicitation AtAdv - agent advertisment RegReq - registration request RegRply - registration reply CN - correspondent node BCMP - binding cache management protocol BU - binding updates DAD - duplicate address detection RtAdv - router advertisment RtSol - router solicitation ND - neighbor discovery NbSol - neighbor solicitation NbAdv - neighbor advertisment odad- optimistic DAD MAP - mobility anchor point NETLMM - network-based localized mobility management LMA - local mobility anchor MAG - mobile access gateway PBU - proxy binding update PBΑ - proxy binding acknowledgement IETF - internet engineering task force LLH - low latency handoff ofa - old FA nfa - new FA PrRtrSol - proxy router solicitation PrRtrAdv - proxy router advertisment HRqst - handoff request HRply - handoff reply PrRtSol - proxy router solicitation xiii

16 nar - new access router par - previous access router PrRtAdv - proxy router advertisement NCoA - new CoA FBU - fast binding update HI - handover initiate PCoA - previous CoA HAck - handover acknowledgement FBAck - fast binding acknowledgement UNA - unsolicited neighbor advertisement pmag - previous MAG nmag - new MAG RR - return routability HoTI - Home Test Init CoTI - Care-of Test Init DAR - dynamic address resolution ASCONF - address configuration change UA - uset agent URI - uniform resource identifier MIH - media independent handover SMR - session to mobility ratio GW - gateway WLAN - wireless local area networks G - fourth generation PSTN - public switched telecommunication network ITU - international telecommunication union PCM - pulse code modulation ACELP - algebraic code excited linear prediction GSM - global system for mobile communication FR - full rate RPE-LTP - regular pulse excitation - long term prediction VAD - voice activity detection MOS - mean opinion score ISM - industrial, scientific and medical use AP - access point MAC - medium access control DCF - distributed coordination function CSMA/CA - carrier sense multiple access with collision avoidanvce ACK - acknowledgment OLA - overlap-add WSOLA - waveform similarity OLA DCR - degradation category rating DMOS - degradation MOS ABC - always best connected QoE - quality of experience HVS - human visual system MSE - mean square error PSNR - peak-signal-to-noise ratio xiv

17 SSIM - structural similarity score VQM - video quality metric ML - machine learning QoS - quality of service SVM - support vector machines BER - bit error rate ACR - absolute category rating DVB - digital video broadcasting MAP - media aware proxy PDN-GW - packet data network gateway MANE - media aware network element SVC - scalble video coding NetExt - network-based mobility extensions AVC - advanced video coding QP quantization parameters SLA - service level aggrement NFL - network function virtualization SDN - software defined networking MCC - mobile cloud computing GPS - global positioning system xv

18 Στο παρόν κεφάλαιο δίνεται μια συνοπτική περιγραφή της έννοιας της υποστήριξης κινητικότητας χρηστών σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Αφού γίνει μια βασική κατηγοριοποίηση και παρουσίαση των βασικών τύπων κινητικότητας, στη συνέχεια αναδεικνύονται τα κίνητρα που μας οδήγησαν στη μελέτη πρωτοκόλλων διαχείρισης κινητικότητας. Α- κολούθως, επισημαίνεται η σημασία των ευρημάτων αυτής της μελέτης, καθώς και των υλοποιήσεων αλγορίθμων βελτιστοποίησης αυτών. Τέλος, δίνεται η οργάνωση της υπόλοιπης διατριβής. 1.1 Τύποι Διαχείρισης Κινητικότητας και Μεταπομπής Η διαχείριση κινητικότητας (mobility management) αποτελείται από δυο συμπληρωματικές λειτουργίες, τη διαχείριση αναζήτησης θέσης (location management) και τη διαχείριση μεταπομπής (handover management) [1]. Η διαχείριση αναζήτησης θέσης είναι επιφορτισμένη με την εύρεση της θέσης του κινητού χρήστη μεταξύ διαδοχικών κλήσεων. Περιλαμβάνει δηλαδή πρωτόκολλα και διεργασίες τα οποία ενημερώνουν το δίκτυο για την τρέχουσα θέση του κινητού χρήστη και είναι υπεύθυνα για την παράδοση εισερχόμενων κλήσεων σε αυτόν. Αντίθετα, η διαχείριση της μεταπομπής αναλαμβάνει τη διατήρηση των υφιστάμενων υπηρεσιών, καθώς ο κινητός χρήστης αλλάζει σημείο πρόσβασης στο δίκτυο. Ως μεταπομπή ορίζεται ακριβώς αυτή η διαδικασία αλλαγής του σημείου προσάρτησης (PoA - point of attachment) του κινητού χρήστη στο ασύρματο δίκτυο. Κατά τη διάρκεια της μεταπομπής, ο κινητός χρήστης τερματίζει τη σύνδεση του με το τρέχον σημείο προσάρτησης και εγκαθιστά μια σύνδεση με το νέο. Διακρίνονται διάφοροι τύποι μεταπομπών με βάση τα εξής κριτήρια: Ασύρματη Τεχνολογία Τα σημεία προσάρτησης, παλαιό και νέο, μπορεί να ανήκουν σε ίδιες ή διαφορετικές ασύρματες τεχνολογίες, όπως κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας ή τοπικών ασυρμάτων δικτύων. Όταν τόσο το νέο όσο και το προηγούμενο σημείο προσάρτησης ανήκουν στην ίδια ασύρματη τεχνολογία, η μεταπομπή καλείται οριζόντια, ενώ όταν ανήκουν σε διαφορετική, καλείται κατακόρυφη. Στην πρώτη περίπτωση 1

19 ο κινητός χρήστης συνεχίζει να χρησιμοποιεί την ίδια διεπαφή για να συνδέεται στο δίκτυο, ενώ αντιθέτως στην κατακόρυφη μεταπομπή αλλάζει και την ενεργό διεπαφή του. Υποδίκτυο (Subnet) Ως υποδίκτυο ορίζεται μέρος ενός δικτύου στο οποίο οι κόμβοι βρίσκονται σε μια περιορισμένη γεωγραφική περιοχή. Στην περίπτωση του διαδικτύου, οι διευθύνσεις των κόμβων μοιράζονται το ίδιο πρόθεμα δικτύου και εξυπηρετούνται από τον ίδιο δρομολογητή. Ένας κινητός κόμβος μπορεί να αλλάξει σημείο προσάρτησης με ή χωρίς αλλαγή υποδικτύου, πραγματοποιώντας μια διαϋποδικτυακή (inter-subnet) ή ενδοϋποδικτυακή (intra-subnet) μεταπομπή αντίστοιχα. Στη δεύτερη περίπτωση εκτελούνται μόνο οι διεργασίες των πρωτοκόλλων στρώματος ζεύξης δεδομένων για την αλλαγή του σημείου προσάρτησης, ενώ στην πρώτη περίπτωση εκτελούνται στη συνέχεια και οι διεργασίες διάρθρωσης νέας διεύθυνσης διαδικτύου. Τομέα (Domain) Ως τομέας καλείται ένα σύνολο γειτονικών υποδικτύων τα οποία υπάγονται στην ίδια διαχειριστική αρχή. Μια διαϋποδικτυακή μεταπομπή μπορεί να είναι ενδοτομεακή ή διατομεακή, ανάλογα με το αν αλλάζει ή όχι ο τομέας στον οποίο βρίσκεται ο κινητός κόμβος. Στην περίπτωση μιας διατομεακής μεταπομπής εκτελούνται επιπρόσθετα πρωτόκολλα ασφαλείας που επαληθεύουν την ταυτότητα του κινητού χρήστη. Σύστημα (System) Τέλος, ως σύστημα καλούμε το σύνολο των τομέων που υπάγονται στον ίδιο πάροχο τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών. Μια διασυστημική μεταπομπή περιλαμβάνει διεργασίες επαλήθευσης ταυτότητας, εξουσιοδότησης και διαχείριση λογαριασμού (κανόνων χρέωσης) μεταξύ των παρόχων. Στην περίπτωση αυτή έχουμε το φαινόμενο της περιαγωγής, το οποίο έχει καταστεί δυνατό μέσω εταιρικών συμφωνιών μεταξύ των παρόχων υπηρεσιών. Από την παραπάνω περιγραφή γίνεται κατανοητό ότι το φαινόμενο της μεταπομπής μπορεί να διαφέρει σημαντικά τόσο στον αριθμό των εμπλεκόμενων πρωτοκόλλων όσο και στη χρονική του διάρκεια. Στο ένα άκρο βρίσκεται η μεταπομπή σημείου πρόσβασης, η οποία είναι η συντομότερη δυνατή και περιλαμβάνει μόνο πρωτόκολλα του στρώματος ζεύξης δεδομένων, ενώ στο άλλο άκρο βρίσκεται μια διασυστημική μεταπομπή. Κατά τη διάρκεια της μεταπομπής, ο κινητός κόμβος χάνει τη ζεύξη του με το δίκτυο και συνεπώς δεν μπορεί να λάβει ούτε και να μεταδώσει δεδομένα. Συγκεκριμένα, το χρονικό διάστημα από τη στιγμή που ο κινητός κόμβος καταργεί τη σύνδεση του με το προηγούμενο σημείο προσάρτησης, μέχρι να λάβει το πρώτο πακέτο δεδομένων από το νέο καλείται καθυστέρηση μεταπομπής. Η διαχείριση μεταπομπής είναι η διεργασία εκείνη η οποία επιφορτίζεται με τη διατήρηση των συνδέσεων του κινητού κόμβου κατά τη διάρκεια της μεταπομπής ώστε αυτές να παραμείνουν ενεργές μετά την ολοκλήρωσή της. Ως παράδειγμα αναφέρεται μια διαϋποδικτυακή μεταπομπή, η οποία οδηγεί σε αλλαγή της διεύθυνσης διαδικτύου του κινητού χρήστη. Αυτή η αλλαγή, αν δεν τύχει ειδικής μεταχείρισης, οδηγεί στην κατάργηση όλων των συνόδων (sessions) που είναι ενεργές από τα πρωτόκολλα του στρώματος μεταφοράς, καθώς οι υποδοχείς (sockets) που χρησιμοποιούνται ως αναγνωριστικά αυτών περιλαμβάνουν την παλιά διεύθυνση διαδικτύου. Σκοπός των 2

20 πρωτοκόλλων διαχείρισης κινητικότητας είναι η διατήρηση ενεργών των συνδέσεων του κινητού χρήστη ώστε να συνεχίσει να λαμβάνει δεδομένα μετά την ολοκλήρωση της μεταπομπής, ενώ ταυτόχρονα να επιτυγχάνεται η όσο το δυνατόν μικρότερη καθυστέρηση μεταπομπής και συνεπώς η μικρότερη επακόλουθη απώλεια δεδομένων. Ειδικότερα, ο α- πόλυτος στόχος των πρωτοκόλλων διαχείρισης κινητικότητας είναι η επίτευξη αρραγούς μεταπομπής (seamless handover), δηλαδή μεταπομπής η οποία δεν γίνεται αντιληπτή από το χρήστη, σε όποια κατηγορία και εάν αυτή εμπίπτει. Στην ανωτέρω παρουσίαση θεωρήθηκε ότι ο κινητός χρήστης διαθέτει μόνο μια συσκευή και επιθυμεί να διατηρεί ενεργές τις συνόδους του, ενώ ταυτόχρονα θα μπορεί να δέχεται αιτήσεις για καινούριες καθώς διατρέχει το δίκτυο. Αυτός ο τύπος κινητικότητας καλείται κινητικότητα τερματικού και εμπλέκει μόνο μια τερματική συσκευή, η οποία λόγω της κίνησής της γίνεται αντικείμενο των διάφορων τύπων μεταπομπών που αναλύθηκαν προηγουμένως. Η κινητικότητα όμως στα μελλοντικά δίκτυα δεν περιορίζεται μόνο σε αυτή τη βασική και πλέον διαδεδομένη περίπτωση. Επιπρόσθετα, ορίζονται οι τύποι της προσωπικής κινητικότητας, της κινητικότητας συνόδου και υπηρεσίας. Η προσωπική κινητικότητα αφαιρεί τη μόνιμη συσχέτιση μεταξύ συσκευής και χρήστη, επεκτείνοντας την έννοια κινητικότητας πέραν της τερματικής. Από την πλευρά των πολυμεσικών επικοινωνιών, αυτό σημαίνει τη δυνατότητα ο ίδιος χρήστης να είναι ταυτόχρονα προσβάσιμος σε περισσότερες της μιας συσκευές, χρησιμοποιώντας την ίδια λογική διεύθυνση ή αναγνωριστικό. Από την άλλη πλευρά, η κινητικότητα συνόδου επιτρέπει στον χρήστη να συνεχίζει μια υπάρχουσα σύνοδο σε μια νέα συσκευή. Για παράδειγμα, ένας χρήστης ο οποίος έχει μια βιντεοκλήση μέσω του κινητού του τηλεφώνου, εισέρχεται στο σπίτι του και συνεχίζει τη συγκεκριμένη κλήση από το φορητό του υπολογιστή, χωρίς να χρειάζεται να εκτελεστεί τερματισμός και επανεκκίνηση της. Τέλος, η κινητικότητα υπηρεσίας προβλέπει μια πολυμεσική υπηρεσία την οποία υποστηρίζει ένας πάροχος να μπορεί να εκτελείται και από υπηρεσίες άλλων παρόχων. Παραδείγματος χάριν, μια υπηρεσία κλήσεων μέσω διαδικτύου όπως το Skype, η οποία περιέχει συγκεκριμένο ευρετήριο επαφών και προτιμήσεις διεκπεραίωσης κλήσεων, να μπορεί να εκτελεστεί και από μια άλλη παρόμοια υπηρεσία μεταφέροντας αυτές τις σημαντικές πληροφορίες. Όπως γίνεται κατανοητό, η διαχείριση κινητικότητας και η μεταπομπή αποτελούν ένα ευρύ ερευνητικό επιστημονικό πεδίο, του οποίου η συνολική, εξαντλητική μελέτη δεν είναι εφικτή. Για το σκοπό αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνει στην κινητικότητα τερματικού που αποτελεί το βασικό τύπο κινητικότητας που συναντάται σήμερα. Από πλευράς μεταπομπής, ο πιο συχνός τύπος αφορά την ενδοϋποδικτυακή μεταπομπή, όπως οι μεταπομπές που συμβαίνουν καθημερινά στην κινητή τηλεφωνία. Αυτός ο τύπος μεταπομπής είναι σαφώς καθορισμένος και αφορά κυρίως τις λειτουργίες των διαφόρων ασύρματων τεχνολογιών. Αντίθετα, ο νέος τύπος μεταπομπής ο οποίος εισάγεται από τα δίκτυα τέταρτης γενιάς είναι η διαϋποδικτυακή, η οποία οδηγεί σε ενοποίηση των τηλεπικοινωνιακών δικτύων, και αυτή είναι που θα μελετηθεί σε βάθος τόσο για την περίπτωση της οριζόντιας όσο και της κατακόρυφης μεταπομπής. Τέλος, οι μεταπομπές που οδηγούν σε αλλαγή τομέα ή συστήματος αποτελούν αντικείμενο έρευνας κυρίως πρωτοκόλλων ασφαλείας παρά διαχείρισης της κινητικότητας. 1.2 Κίνητρα Η αδιάλειπτη μεταπομπή είναι ένα προαπαιτούμενο των καλούμενων και ως δικτύων τέταρτης γενιάς, καθώς ένας βασικός τους στόχος είναι η ενσωμάτωση ασύρματων 3

21 τεχνολογιών πέραν της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας. Με τον τρόπο αυτό, θα είναι εφικτή η εξυπηρέτηση πολυμεσικών εφαρμογών, οι οποίες επιβάλλουν αυστηρά όρια στη διατερματική καθυστέρηση και τις απώλειες πακέτων. Για το σκοπό αυτό, έχουν προταθεί διαστρωματικές αρχιτεκτονικές για τη διαχείριση της κινητικότητας, κυρίως μεταξύ του στρώματος ζεύξης και του στρώματος δικτύου. Παράλληλα, οι μέχρι τώρα μελέτες αξιολόγησης των προτεινόμενων αυτών λύσεων επικέντρωναν κυρίως σε μετρικές του στρώματος δικτύου και όχι στην αντιλαμβανόμενη ποιότητα της υπηρεσίας από τον τελικό χρήστη. Βάσει αυτών των παρατηρήσεων εγείρονται τα ακόλουθα ερωτήματα, τα οποία μας παρακίνησαν στην εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής. 1. Ποιες είναι οι υποψήφιες λύσεις για τη διαχείριση κινητικότητας και ποιες οι επιδόσεις τους όσον αφορά μετρικές τόσο του στρώματος δικτύου (π.χ. καθυστέρηση μεταπομπής, διατερματική καθυστέρηση, απώλειες πακέτων) αλλά και του στρώματος εφαρμογής (βαθμός ικανοποίησης του χρήστη); 2. Ποιες είναι οι οριακές συνθήκες από μεριάς δικτύου για τις οποίες η ποιότητα των πολυμεσικών εφαρμογών παραμένει σε αποδεκτά επίπεδα για τους χρήστες; 3. Επαρκεί μια διαστρωματική αρχιτεκτονική μεταξύ του στρώματος ζεύξης και διαδικτύου για τη βελτιστοποίηση της μεταπομπής ή χρειάζεται επέκταση και στα ανώτερα στρώματα (π.χ. στο στρώμα εφαρμογής); Παράλληλα, με την έλευση των ετερογενών δικτύων, ο κινητός χρήστης μπορεί να βρίσκεται πλέον ταυτόχρονα εντός περισσότερων του ενός ασύρματων δικτύων, οδηγώντας στο πρόβλημα της επιλογής της βέλτιστης λύσης με βάση τις ανάγκες του και τις επικρατούσες ασύρματες συνθήκες. Γεννώνται εύλογα συνεπώς τα παρακάτω ερωτήματα. 1. Είναι εφικτή η ταυτόχρονη παρακολούθηση των συνθηκών των ετερογενών ασύρματων δικτύων τόσο από πλευράς πρωτοκόλλων όσο και από πλευράς υλοποίησης; 2. Είναι δυνατή η ιεράρχηση των δικτύων για τις διάφορες πολυμεσικές εφαρμογές με γνώση των ασύρματων συνθηκών και αν σε κάποιες όχι, είναι δυνατό να καταστεί αυτό εφικτό; Τέλος, ένα σημαντικό μέρος στην εκπόνηση της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη και υλοποίηση των προτεινόμενων βελτιστοποιήσεων, αλγορίθμων και μηχανισμών, όχι μόνο σε προσομοιωτές δικτύων αλλά και σε πρότυπη υλοποίηση δικτύων τέταρτης γενιάς, στα απαιτητικά πλαίσια ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος. Μέσα από αυτήν την διαδικασία, είναι δυνατόν να κατανοηθεί πόσο ρεαλιστικές και αποδοτικές είναι οι προτεινόμενες λύσεις ώστε να εισαχθούν σε ένα πραγματικό δίκτυο. 1.3 Συνεισφορά διατριβής Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται αλγόριθμοι διαχείρισης της κινητικότητας που καθιστούν εφικτή την υποστήριξη εγγυημένης ποιότητας εφαρμογών πραγματικού χρόνου μέσω διαστρωματικών αρχιτεκτονικών. Η δε απόδοση των αλγορίθμων αποδεικνύεται αναλυτικά, με χρήση προσομοιωτών δικτύων, καθώς και με δοκιμές 4

22 αξιολόγησης από τελικούς χρήστες, ενώ υλοποιούνται και σε εξομοιωτές πραγματικών δικτύων. Συγκεκριμένα, σε αντίθεση με προγενέστερη έρευνα στο πεδίο της διαχείρισης της κινητικότητας, στην παρούσα διδακτορική διατριβή: Πραγματοποιήσαμε ανάλυση των πρωτοκόλλων διαχείρισης της κινητικότητας συμπεριλαμβάνοντας και τις πλέον πρόσφατες προτάσεις βάσει όχι μόνο της καθυστέρηση μεταπομπής, αλλά και άλλων σημαντικών μετρικών όπως το κόστος σηματοδοσίας και το κόστος παράδοσης πακέτων. Μελετήσαμε την απόδοση των πιο σημαντικών προτάσεων, όπως αυτές αναδείχθηκαν από το προηγούμενο στάδιο, σε επίπεδο εφαρμογών πραγματικού χρόνου και με σκοπό την πρόβλεψη του βαθμού ικανοποίησης του τελικού χρήστη, στοιχεία τα οποία απουσίαζαν από την ερευνητική προσπάθεια. Βελτιώσαμε την απόδοση αυτών των προτάσεων κάνοντας χρήση διαστρωματικών τεχνικών που ξεκινούν από το στρώμα ζεύξης και καταλήγουν στο στρώμα εφαρμογών, μέσω ενός αλγόριθμου αναπαραγωγής πολυμέσων. Μοντελοποιήσαμε το βαθμό ικανοποίησης του χρήστη για απαιτητικές πολυμεσικές εφαρμογές σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα, ώστε να καταστεί δυνατή η ιεράρχηση των υποψήφιων δικτύων με σκοπό την επιλογή της βέλτιστης λύσης. Υλοποιήσαμε τα παραπάνω πρωτόκολλα διαχείρισης κινητικότητας και τις τεχνικές βελτιστοποίησης της παρεχόμενης ποιότητας της εμπειρίας των χρηστών σε πραγματικά δίκτυα μέσω εξομοιωτών, ελέγχοντας την τεχνική εφικτότητά τους. Τα καινοτόμα αποτελέσματα που προέκυψαν, δημοσιεύθηκαν σε άρθρα έγκριτων διεθνών επιστημονικών περιοδικών, σε κεφάλαια επιστημονικών βιβλίων ή παρουσιάστηκαν σε αναγνωρισμένα διεθνή συνέδρια. Παράλληλα, στη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής προέκυψαν εργασίες πέραν του ερευνητικού της αντικειμένου. Στη συνέχεια, παρατίθεται το σύνολο των εργασιών στο οποίο ο υποψήφιος διδάκτορος συμμετείχε ως συγγραφέας. 1. Lykourgiotis, A., & Kotsopoulos, S. (2010). Comparison and Evaluation of the Most Efficient Mobility Management Protocols for Integrated Wireless Networks. In International Conference on Next Generation Wired/Wireless Networking (NEW2AN). (pp ). Springer Berlin Heidelberg. 2. Birkos, K., Politis, I., Lykourgiotis, A., Kordelas, T., Tselios, C., Mplatsas, M.,... & Akman, A. (2012, July). Towards 3D video delivery over heterogeneous networks: The ROMEO approach. In International Conference on Telecommunications and Multimedia (TEMU). (pp ). IEEE. 3. Lykourgiotis, A., Kotsopoulos, S., & Dagiuklas, T. (2012, October). A Comprehensive Simulation Study of Low Latency Handoffs in Mobile IPv4 for VoiP in IEEE b WLAN. In International Conference on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems (MSWiM poster session). (pp ). ACM. 4. Kordelas, A., Politis, I., Lykourgiotis, A., Dagiuklas, T., & Kotsopoulos, S. (2013, June). A Media Aware Platform for Real-Time Stereoscopic Video Streaming Adaptation. In International Conference on Communications Workshops (ICC). (pp ). IEEE. 5

23 5. Lykourgiotis, A., Bassoli, R., Marques, H., & Rodriguez, J. (2014). IP-Based Mobility Scheme Supporting 3D Video Streaming Services. In 3D Future Internet Media (pp ). Springer New York. 6. Zarikas, V., Chrysikos, T., Anagnostou, K. E., Kotsopoulos, S.,... & Lykourgiotis, A. (2014, May). Telemetry, Analysis and Wireless Data Communications for a Measuring Station. In ELEKTRO. (pp ). IEEE. 7. Lykourgiotis, A., Birkos, K., Dagiuklas, T., Ekmekcioglu, E., Dogan, S., Yildiz, Y.,... & Kotsopoulos, S. (2014). Hybrid Broadcast and Broadband Networks Convergence for Immersive TV Applications. Wireless Communications Magazine, 21(3), IEEE. 8. Papadogiannopoulos, G., Dagiuklas, T., Politis, I., Lykourgiotis, A., & Kotsopoulos, S. (2014, July). Stereo Video Quality Evaluation in Heterogeneous Networking Conditions. In International Conference on Telecommunications and Multimedia (TEMU). (pp ). IEEE. 9. Zarikas, V., Anagnostou, K. E., Avlakiotis, P., Kotsopoulos, S., Liolios, C., Latsos, T.,..., Lykourgiotis, A., & Antoniou, D. (2014). Measurement and Analysis of Physicochemical Parameters Concerning Thermopylae Natural Hot Spring Waters. Journal of Applied Sciences, 14(19), Papadogiannopoulos, G., Dagiuklas, T., Politis, I., & Lykourgiotis, A. (2014, October). A Stereo Client using Open SVC Decoder Extensions: QoE Performance Evaluation. In International Conference on Image Processing (ICIP). (pp ). IEEE. 11. Lykourgiotis, A., Kotsopoulos, S., Politis, I., & Dagiuklas, T. (2015, June). Modeling 3D Video User Experience for Wireless Networks. In International Conference on Multimedia & Expo Workshops (ICMEW). (pp. 1-6). IEEE. 12. Politis, I., & Lykourgiotis, A., & Dagiuklas, T. (2016). A Framework for QoE aware 3D Video Streaming Optimisation over Wireless Networks. Mobile Information Systems. Hindawi. 13. Lykourgiotis, A., Kotsopoulos, S., & Dagiuklas, T. (under review). A Novel Mobilityaware Playout Algorithm for VoIP Services. Wireless Personal Communications. Springer. 1.4 Οργάνωση κεφαλαίων διατριβής Στο Κεφάλαιο 2, γίνεται αρχικά μια συνοπτική παρουσίαση των σημαντικότερων προτάσεων διαχείρισης κινητικότητας από όλα τα στρώματα της στοίβας πρωτοκόλλων. Μεγαλύτερο ενδιαφέρον δίνεται στις λύσεις που εδράζονται στο στρώμα δικτύου, το οποίο αποτελεί τη φυσιολογική θέση για τη διαδικασία της μεταπομπής. Για το λόγο αυτό, παρουσιάζονται βελτιστοποιήσεις και επεκτάσεις των βασικών πρωτοκόλλων, ενώ στη συνέχεια ακολουθεί μια συγκριτική ανάλυση τους, η οποία περιλαμβάνει τις σημαντικότερες δικτυακές μετρικές και τη δυναμική τους σε σχέση με την κινητικότητα του χρήστη. Στο Κεφάλαιο 3, μελετάμε μια πολλά υποσχόμενη λύση, όπως προέκυψε και από την ανάλυση του προηγούμενου κεφαλαίου. Η μελέτη μας όμως επικεντρώνεται πλέον στην απόδοση του πρωτοκόλλου διαχείρισης κινητικότητας σε συνάρτηση με την εφαρμογή 6

24 μετάδοσης φωνής μέσω διαδικτύου, αντί της κλασικής ανάλυσης με δικτυακές μετρικές που προηγήθηκε. Καταλήγουμε συνεπώς σε μέτρηση του βαθμού ικανοποίησης του τελικού χρήστη μέσω ειδικών μοντέλων, ενώ συγχρόνως ανακαλύπτουμε τις οριακές εκείνες συνθήκες ασύρματου καναλιού για τις οποίες η υπηρεσία παραμένει σε αποδεκτά επίπεδα για τον χρήστη. Στο Κεφάλαιο 4 επεκτείνουμε την προηγούμενη λύση με μια νέα διαστρωματική αρχιτεκτονική, η οποία περιλαμβάνει και το συγχρονισμό του στρώματος εφαρμογής κατά τη διάρκεια της μεταπομπής. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ενός νέου αλγορίθμου αναπαραγωγής σε εφαρμογές μετάδοσης φωνής μέσω διαδικτύου, ο οποίος πραγματοποιεί χρονικό μετασχηματισμό των δεδομένων κατά τη διάρκεια της μεταπομπής εξαλείφοντας τις αλλοιώσεις που υπεισέρχονται από τη διαδικασία της μεταπομπής. Μάλιστα, στα πλαίσια αυτής της μελέτης εκτελούνται υποκειμενικές δοκιμές ακρόασης όπου αξιολογούν τον αλγόριθμο οι ίδιοι οι χρήστες. Στο Κεφάλαιο 5, επικεντρώνουμε σε μια άλλη διαδικασία της διαχείρισης κινητικότητας, η οποία είναι η επιλογή δικτύου καθώς αυτή αποκτά ιδιαίτερη βαρύτητα με την παρουσία των ετερογενών δικτύων, στα οποία παρέχεται ένα σύνολο διαθέσιμων ασύρματων τεχνολογιών. Καθώς η επιστημονική έρευνα για την αξιολόγηση και ιεράρχηση των δικτύων για εφαρμογές φωνής και δισδιάστατου βίντεο έχει αποφέρει σημαντικά αποτελέσματα, εμείς επεκτείναμε τη μελέτη σε εφαρμογές τρισδιάστατου βίντεο. Σε αυτή την περίπτωση δεν είναι δυνατή η χρήση των τεχνικών του δισδιάστατου βίντεο, όπου απουσιάζει η αντίληψη του βάθους και το μεταδιδόμενο βίντεο είναι και το αποδιδόμενο, δηλαδή αυτό που δημιουργεί το ανθρώπινο οπτικό σύστημα. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται ένα διαστρωματικό μοντέλο μηχανικής μάθησης, το οποίο προβλέπει το βαθμό ικανοποίησης του χρήστη για διάφορες δικτυακές συνθήκες και χαρακτηριστικά σειρών βίντεο. Στο Κεφάλαιο 6, γίνεται μια περιγραφή του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος ROMEO, στα πλαίσια του οποίου χρησιμοποιήθηκαν τα προηγούμενα ευρήματα και υλοποιήθηκαν μηχανισμοί και αλγόριθμοι σε επίπεδο πλέον πρότυπης πλατφόρμας πραγματικού δικτύου τέταρτης γενιάς. Υλοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν διαστρωματικές αρχιτεκτονικές, οι οποίες περιελάμβαναν πρωτόκολλα διαχείρισης της κινητικότητας που μελετήθηκαν στο Κεφάλαιο 2. Παράλληλα, επειδή το ερευνητικό έργο ROMEO αφορά τη μετάδοση τρισδιάστατου βίντεο, ενσωματώθηκε σε αυτό και το μοντέλο μηχανικής μάθησης για την ποιότητα της εμπειρίας του προηγούμενου κεφαλαίου. Δίνονται λοιπόν όλα τα αποτελέσματα αυτών των υλοποιήσεων στον εξομοιωτή του δικτύου τέταρτης γενιάς τα οποία ήταν και βασικές απαιτήσεις του ίδιου του έργου και της επιτυχούς ολοκλήρωσης του. Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβή, απαριθμούμε ανοιχτά θέματα που προκύπτουν από την εκπόνησή της και προτείνουμε τομείς για περαιτέρω έρευνα. 7

25 Σκοπός του τρέχοντος κεφαλαίου είναι η συνοπτική παρουσίαση και ανάλυση της απόδοσης των πρωτοκόλλων διαχείρισης κινητικότητας. Μέσα από μια εκτεταμένη βιβλιογραφία με πλήθος βασικών λύσεων αλλά και επεκτάσεων και βελτιστοποιήσεων αυτών αναζητήσαμε εκείνες τις προτάσεις στις οποίες θα επικεντρώναμε στη συνέχεια κατά την εκπόνηση της διδακτορικής διατριβής. Η παρουσίαση αυτών των λύσεων είναι εκτενής αλλά όχι εξαντλητική καθώς επικεντρώνουμε σε αυτές που γνωρίζουν μεγαλύτερη αποδοχή τόσο από την επιστημονική κοινότητα όσο και από τη βιομηχανία τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Στη συνέχεια πραγματοποιούμε μια αναλυτική σύγκριση αυτών για την ανάδειξη των σημαντικότερων προτάσεων και τέλος συνοψίζουμε τα αποτελέσματα που προκύπτουν, αναδεικνύοντας τις πλέον υποσχόμενες λύσεις. 2.1 Εισαγωγή Πλειάδα πρωτοκόλλων που εδρεύουν σε διαφορετικά στρώματα της στοίβας του μοντέλου αναφοράς διασύνδεσης ανοικτών συστημάτων (OSI - open systems interconnection) έχουν προταθεί για την ανάληψη της διαχείρισης κινητικότητας. Το κινητό πρωτόκολλο διαδικτύου (MIP - mobile internet protocol) [2], [3] είναι η πλέον γνωστή λύση για τη διαχείριση κινητικότητας, η οποία ανήκει στο στρώμα δικτύου. Παρά το γεγονός ότι είναι ένα αρκετά ώριμο πρωτόκολλο, η υλοποίηση του σε πραγματικά δίκτυα αναπτύσσεται με αργούς ρυθμούς καθώς υπόκειται σε υψηλή καθυστέρηση μεταπομπής. Επιπρόσθετα, το MIP απαιτεί αλλαγές στη σχεδίαση και υλοποίηση του στρώματος δικτύου του λειτουργικού συστήματος των κινητών συσκευών, γεγονός που το καθιστά μη συμβατό με τις υπάρχουσες στην αγορά συσκευές. Αντίθετα, το MIP δεν επηρεάζει τη λειτουργία των ανώτερων στρωμάτων, κρύβοντας τους τις όποιες αλλαγές λαμβάνουν χώρα και συνεπώς δεν απαιτεί αλλαγές στα στρώματα μεταφοράς και εφαρμογής. Είναι δηλαδή εφικτό με αναβάθμιση του δικτυακού εξοπλισμού να υποστηρίζονται οι ήδη υπάρχουσες εφαρμογές. Από την άλλη μεριά, προτεινόμενες βελτιστοποιήσεις στο MIP οδήγησαν σε νέα πρωτόκολλα, ικανά να αντιμετωπίσουν τα αρχικά μειονεκτήματα, παρουσιάζοντας σημαντικά καλύτερη απόδοση. Παραδείγματος χάριν, σημαντική επιστημονική προσπάθεια καταβλήθηκε στη μείωση της καθυστέρησης μεταπομπής του MIP καταλήγοντας σε πληθώρα 8

26 βελτιστοποίησεων όπως το ιεραρχικό κινητό IP (HMIP - hierarchical MIP) [4] και η τεχνική ταχείας μεταπομπής (FMIP - fast handovers for MIP) [5]. Παράλληλα, πρόσφατα προτάθηκε μια νέα λύση το πληρεξούσιο κινητό IP (PMIP - proxy MIP) [6], η οποία καθιστά το πρωτόκολλο συμβατό με τις υφιστάμενες κινητές συσκευές, μεταφέροντας όλες τις σχετικές λειτουργίες με την κινητικότητα στη μεριά του δικτύου. Μέσα λοιπόν από τις επεκτάσεις και βελτιστοποιήσεις του βασικού πρωτοκόλλου MIP είναι εφικτό να αρθούν τα αρχικά μειονεκτήματα και να πραγματοποιηθεί η ευρύτερη διάδοσή του. Τέλος, έχουν προταθεί λύσεις σε άλλα στρώματα της στοίβας πρωτοκόλλων. Στο στρώμα μεταφοράς το κινητό πρωτόκολλο ελέγχου μετάδοσης ροής (msctp - mobile stream control transmission protocol) [7] αποτελεί μια αποδοτική λύση με κύριο χαρακτηριστικό του την πολυεστίαση (multihoming), το οποίο επιτρέπει σε έναν κινητό χρήστη να είναι προσπελάσιμος σε περισσότερες από μια διευθύνσεις διαδικτύου. Στο στρώμα εφαρμογής έχει προταθεί το πρωτόκολλο εκκίνησης συνόδου (SIP - session initiation protocol) [8], το οποίο αρχικά σχεδιάστηκε για να διαχειρίζεται συνόδους πολυμέσων όπως η εφαρμογή μετάδοσης φωνής μέσω διαδικτύου (VoIP - voice over IP). Σύντομα διαπιστώθηκαν τα αποδοτικά χαρακτηριστικά του με αποτέλεσμα να επεκταθεί η χρήση του και στη διαχείριση κινητικότητας τερματικού. Οι δυο τελευταίες λύσεις σε αντίθεση με το ΜIP δεν απαιτούν τροποποιήσεις στα κατώτερα στρώματα της στοίβας πρωτοκόλλων και συνεπώς μπορούν απλώς να εγκατασταθούν στις συμβατικές κινητές συσκευές. Αντιθέτως, απαιτούν επανασχεδιασμό των διαφόρων εφαρμογών ώστε να καταστούν συμβατές μαζί τους. Στο παρόν κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε τα πρωτόκολλα διαχείρισης κινητικότητας στο στρώμα δικτύου μαζί με τις διάφορες βελτιστοποιήσεις και επεκτάσεις τους. Στη συνέχεια θα πραγματοποιηθεί μια σύντομη περιγραφή και των πρωτοκόλλων που ανήκουν σε άλλα στρώματα της στοίβας χάριν πληρότητας. Καθώς όμως η διαχείριση κινητικότητας αφορά λειτουργίες δρομολόγησης και προσβασιμότητας, οι οποίες εξ ορισμού ανήκουν στο στρώμα δικτύου, η λύση του MIP είναι αυτή που προβάλλει ως η επικρατέστερη. Για το σκοπό αυτό, τέλος, προχωράμε στην αναλυτική σύγκριση του MIPv6 με τις σημαντικότερες επεκτάσεις του για τη συγκριτική μελέτη της αποδοτικότητάς τους. 2.2 Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Η διαχείριση κινητικότητας στο στρώμα δικτύου είναι η πλέον υποσχόμενη λύση για την υλοποίηση ετερογενών δικτύων, καθώς το στρώμα δικτύου είναι αυτό που επιφορτίζεται με διαδικασίες δρομολόγησης [9]. Η επιστημονική εργασία μας [10] που πραγματοποίησε σύγκριση των βέλτιστων λύσεων μεταξύ πρωτοκόλλων από όλα τα στρώματα της στοίβας επαληθεύει αυτό το επιχείρημα. Για το λόγο αυτό έχει γίνει εκτενής σύγκριση στη διεθνή βιβλιογραφία μεταξύ των βελτιστοποιήσεων του MIP. Στην επιστημονική εργασία [11], πραγματοποιείται σύγκριση μεταξύ των προαναφερόμενων πρωτοκόλλων, MIPv6, FMIPv6, HMIPv6, PMIPv6 καθώς και της πλεόν πρόσφατης βελτιστοποίησεις ταχείας μεταπομπής σε PMIPv6 (PFMIPv6 - fast handovers for PMIPv6) [12]. Παρ όλα αυτά, περιορίζεται σε μελέτη της βασικής μετρικής της καθυστέρησης μεταπομπής. Αντιθέτως στην επιστημονική εργασία [13] γίνεται επιπλέον μελέτη του κόστους σηματοδοσίας και του κόστους παράδοσης πακέτων χωρίς όμως να περιλαμβάνονται επεκτάσεις όπως το PFMIPv6 ή βελτιστοποίηση δρομολόγησης που θα παρουσιάσουμε στη συνέχεια. Μάλιστα, η εργασία αυτή δεν αναλύει την απόδοση των πρωτοκόλλων μόνο από την πλευρά του δικτύου και των 9

27 υφιστάμενων καθυστερήσεων αλλά και από την πλευρά της κινητικότητας του χρήστη, έναν σημαντικό παράγοντα των ετερογενών δικτύων. Για να καλύψουμε αυτό το κενό, στην επιστημονική εργασία μας [14] κάνουμε ανάλυση του συνόλου των πρωτοκόλλων διαχείρισης κινητικότητας στο στρώμα δικτύου τόσο για τη βασική μετρική της καθυστέρησης μεταπομπής όσο και για το κόστος σηματατοδοσίας και παράδοσης πακέτου, οδηγούμενοι σε συνολικά αποτελέσματα. Η ανάλυση αυτή παρουσιάζεται σε αυτό το κεφάλαιο, δίνοντας μια συγκεντρωτική εικόνα των διαθέσιμων λύσεων και της απόδοσής τους με σκοπό στη συνέχεια να επικεντρώσουμε στις σημαντικότερες από αυτές. 2.3 Διαχείριση Κινητικότητας στο Στρώμα Δικτύου Στην παρούσα ενότητα εστιάζουμε στα πρωτόκολλα διαχείρισης κινητικότητας των οποίων οι λειτουργίες βασίζονται στο στρώμα διαδικτύου. Αρχικά παρουσιάζονται οι βασικές λύσεις, οι οποίες αναπτύχθηκαν για να υποστηρίξουν εκτεταμένες περιοχές, οι οποίες αποτελούνται από πλήθος τομέων. Στη συνέχεια και βάσει της παρατήρησης ότι ένας κινητός χρήστης είναι πολύ πιθανό να περιορίζει την κίνηση του εντός μιας συγκεκριμένης γεωγραφικής περιοχής, αναπτύχθηκαν λύσεις που διαχειρίζονται τοπικά την κινητικότητα επιτυγχάνοντας καλύτερα αποτελέσματα από τις βασικές λύσεις. Τέλος, παρουσιάζονται βελτιστοποιήσεις οι οποίες αντιμετωπίζουν σημαντικά μειονεκτήματα της σχεδίασης των πρωτοκόλλων και οι οποίες βρίσκουν εφαρμογή τόσο στην καθολική κινητικότητα όσο και στην περίπτωση της τοπικής Καθολική Διαχείριση Κινητικότητας Ως καθολική διαχείριση κινητικότητας (global mobility) ή αλλιώς και μακρο-κινητικότητα χαρακτηρίζονται οι λύσεις εκείνες που διαχειρίζονται την κινητικότητα μεταξύ εκτεταμένων περιοχών οι οποίες αποτελούνται από πλήθος τομέων [15]. Αυτό σημαίνει ότι τα καθολικά πρωτόκολλα διαχείρισης κινητικότητας υποστηρίζουν διατομεακή μεταπομπή και χρησιμοποιούν καθολικές διευθύνσεις διαδικτύου, δηλαδή διευθύνσεις οι οποίες είναι προσβάσιμες από οποιοδήποτε σημείο του διαδικτύου με τυπική δρομολόγηση Mobile IPv4 Το πρωτόκολλο του διαδικτύου (IPv4 - internet protocol version 4) έκανε εφικτή τη διασύνδεση εκατομμυρίων τοπικών δικτύων και μηχανών παγκοσμίως. Στο IPv4 κάθε άκρο της επικοινωνίας αναγνωρίζεται από μια μοναδική διεύθυνση διαδικτύου 32 δυφίων. Τα αρχικά διφύα αποτελούν το πρόθεμα (prefix) του δικτύου στο οποίο βρίσκονται οι χρήστες. Όταν όμως o κινητός κόμβος αλλάξει δίκτυο, αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή του προθέματος και συνεπώς της διεύθυνσής του. Από την άλλη μεριά, τα πρωτόκολλα του στρώματος μεταφοράς όπως το πρωτόκολλο ελέγχου μετάδοσης (TCP - transmission control protocol) κάνει χρήση της διεύθυνσης διαδικτύου για να αναγνωρίζει τα δύο άκρα της επικοινωνίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια της TCP/IP σύνδεσης όταν ο κινητός κόμβος βρεθεί σε ένα νέο υποδίκτυο. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα προτάθηκε ως λύση το πρωτόκολλο MIPv4 [2], επιτρέποντας στον κινητό κόμβο να κάνει χρήση δύο διευθύνσεων, μια για ταυτοποίηση, η οποία ονομάζεται πάτρια διεύθυνση (HoA - home address) και μια για αναγνώριση θέσης, η οποία ονομάζεται διεύθυνση μερίμνης (CoA - care-of address). 10

28 MN FA HA CN AtSol AtAdv RegReq RegRply Data RegReq RegRply Tunnel Data Σχήμα 1: Σηματοδοσία MIPv4 Σύμφωνα με το MIPv4, κάθε υποδίκτυο που επιτρέπει την περιαγωγή των χρηστών του πρέπει να διαθέτει ένα δρομολογητή, ο οποίος ονομάζεται πάτριος πράκτορας (home agent - HA). Κάθε υποδίκτυο που επιτρέπει την υποδοχή επισκεπτών πρέπει να διαθέτει έναν δρομολογητή, ο οποίος ονομάζεται ξένιος πράκτορας (FA - foreign agent). Kάθε φορά που ένας κινητός κόμβος εισέρχεται σε ένα ξένιο δίκτυο πρέπει να εγγραφεί στον ξένιο πράκτορα, ο οποίος του αποδίδει μια διεύθυνση μερίμνης και εν συνεχεία ενημερώνει τον πάτριο πράκτορα. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει δύο επιμέρους διεργασίες, την ανακάλυψη πράκτορα (agent discovery) και την καταχώρηση (registration). Η διεργασία της ανακάλυψης πράκτορα κάνει χρήση των μηνυμάτων του διαδικτυακού πρωτοκόλλου ελέγχου μηνυμάτων (ICMP - internet control message protocol), επίκλησης δρομολογητή και ανακοίνωσης δρομολογητή, τα οποία επεκτείνει για να μεταφέρουν και πληροφορίες σχετικές με την κινητικότητα. Συγκεκριμένα όπως φαίνεται και στο Σχήμα 1 εκτελούνται τα παρακάτω βήματα: 1. Ο κινητός κόμβος, εφόσον του το επιτρέπει η τεχνολογία του στρώματος ζεύξης, εκπέμπει ένα μήνυμα επίκλησης πράκτορα (AtSol - agent solicitation) αμέσως μετά την ολοκλήρωση των διεργασιών του στρώματος ζεύξης και την επιτυχημένη σύνδεση του στο νέο σημείο προσάρτησης. 2. Ο ξένιος πράκτορας που εξυπηρετεί το συγκεκριμένο υποδίκτυο αποκρίνεται με ένα μήνυμα ανακοίνωσης πράκτορα (AtAdv - agent advertisment), ενημερώνοντας τον για διαθέσιμες διευθύνσεις μερίμνης. 3. Ο κινητός κόμβος αποστέλλει ένα μήνυμα αίτησης καταχώρησης (RegReq - registration request) στον υποψήφιο ξένιο πράκτορα, εκκινώντας τη διεργασία καταχώρησης. 4. Ο ξένιος πράκτορας επεξεργάζεται το μήνυμα αίτησης καταχώρησης και το αναμεταδίδει στον πάτριο πράκτορα. 5. Ο πάτριος πράκτορας επεξεργάζεται την αίτηση, ενημερώνεται για τη νέα διεύθυνση μερίμνης του κινητού κόμβου και αποστέλλει ένα μήνυμα απάντησης καταχώρησης (RegRply - registration reply) χορηγώντας άδεια καταχώρησης. 11

29 6. Ο ξένιος πράκτορας επεξεργάζεται την απάντηση και την αναμεταδίδει στον κινητό κόμβο, ενημερώνοντας τον για την έκβαση του αιτήματος του. 7. Ο κινητός κόμβος λαμβάνει την απάντηση και αναθέτει στη διεπαφή του τη νέα διεύθυνση μερίμνης. Έτσι κάθε ανταποκριτής κόμβος (CN - correspondent node), δηλαδή κάθε κόμβος που επικοινωνεί με τον κινητό κόμβο, αποστέλλει τα πακέτα στην πάτρια διεύθυνση του κινητού κόμβου. Εν συνεχεία, ο πάτριος πράκτορας τα ενθυλακώνει σε πακέτα με διεύθυνση παραλήπτη τη διεύθυνση μερίμνης του κινητού κόμβου και τα αποστέλλει σε αυτόν μέσω του ξένιου πράκτορα, ο οποίος εκτελεί την αποθυλάκωση. Αντίστροφα, όταν ο κινητός κόμβος επικοινωνεί με τον ανταποκριτή κόμβο το κάνει απευθείας α- ποστέλλοντας τα πακέτα στη διεύθυνση διαδικτύου του ανταποκριτή κόμβου και όχι μέσω του πάτριου πράκτορα. Αυτός ο αναποτελεσματικός τρόπος δρομολόγησης πακέτων στο MIPv4 καλείται πρόβλημα της τριγωνικής δρομολόγησης καθιστώντας το πρωτόκολλο ιδιαιτέρως ακατάλληλο για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Ένα επιπλέον μειονέκτημα του MIPv4 είναι η συμβατότητα του με δίκτυα που υποστηρίζουν φιλτράρισμα εισόδου (ingress filtering). Αυτή η διεργασία ασφαλείας απαιτεί οι συσκευές που χρησιμοποιούν το τοπικό δίκτυο να έχουν διευθύνσεις διαδικτύου εντός του εύρους διευθύνσεων που είναι εκχωρημένες στο συγκεκριμένο δίκτυο. Με τον τρόπο αυτό, προστατεύεται το διαδίκτυο από κακόβουλες επιθέσεις παραπλάνησης της διεύθυνσης διαδικτύου (IP address spoofing) του αποστολέα, εξασφαλίζοντας ότι η κίνηση που φτάνει σε ένα δίκτυο προέρχεται πράγματι από το σωστό αποστολέα. Όπως περιγράφηκε προηγουμένως, ο κινητός κόμβος αποστέλλει πακέτα απευθείας στον ανταποκριτή κόμβο χρησιμοποιώντας την πάτρια διεύθυνση του. Η διεύθυνση αυτή όμως βρίσκεται εκτός του εύρους διευθύνσεων του δικτύου στο οποίο βρίσκεται. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα, ο δρομολογητής του ανταποκριτή κόμβου να απορρίψει αυτά τα πακέτα. Άλλες αδυναμίες του MIPv4 είναι ο περιορισμένος αριθμός διευθύνσεων που μπορεί να διαθέσει καθώς και η ευαισθησία του σε κακόβουλες επιθέσεις Mobile IPv6 Το ΜIPv6 [3] δημιουργήθηκε με σκοπό την επίλυση των κυριότερων αδυναμιών της προηγούμενης έκδοσης. Στη συνέχεια θα περιγραφούν οι βασικές καινοτομίες που εισήγαγε και τα προβλήματα που αντιμετωπίζονται με αυτές. Το σημαντικότερο πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται στο MIPv6 είναι το πρωτόκολλο διαχείρισης κρύφης μνήμης διάδεσης (BCMP - binding cache management protocol), το οποίο διαχειρίζεται τα μηνύματα ενημέρωσης διάδεσης (BU - binding updates). Αυτά τα μηνύματα χρησιμοποιούνται για να ενημερώσει ο κινητός κόμβος τον πάτριο πράκτορα αλλά και τον ανταποκριτή κόμβο για αλλαγή στη διεύθυνση μερίμνης του. Τα μηνύματα αυτά μεταφέρονται στη νέα επικεφαλίδα που διαθέτει το MIPv6 και είναι γνωστή ως επικεφαλίδα κινητικότητας. Μια σημαντική προσθήκη στο MIPv6 είναι το πεδίο πάτριας διεύθυνσης παραλήπτη (home address destination option), το οποίο περιέχει την πάτρια διεύθυνση του κινητού κόμβου αν αυτή δεν είναι διαθέσιμη στο πεδίο διεύθυνσης αποστολέα (χρησιμοποιείται δηλαδή η διεύθυνση μερίμνης). Με το BCMP, ο κινητός κόμβος μπορεί να στείλει πακέτα απευθείας στον ανταποκριτή κόμβο χρησιμοποιώντας τη διεύθυνση μερίμνης και ταυτόχρονα να τον ενημερώνει για την πάτρια διεύθυνση, επιλύοντας το πρόβλημα ασυμβατότητας με δίκτυα που υποστηρίζουν φιλτράρισμα εισόδου. 12

30 MN AR HA CN RtSol RtAdv NbSol NbAdv? BU BAck Tunnel Data Σχήμα 2: Σηματοδοσία MIPv6 Τέλος, στο MIPv6 εξαλείφεται η χρήση του ξένιου πράκτορα καθώς ο κινητός κόμβος είναι ικανός να διεκπεραιώνει από μόνος του τις διεργασίες της αναγνώρισης μετακίνησης και καταχώρησης. Για να το πραγματοποιήσει αυτό, εμπλέκονται κυρίως δυο διεργασίες, η ανακάλυψη δρομολογητή και η ανίχνευση διπλότυπης διεύθυνσης (DAD - duplicate address detection). Η πρώτη αφορά την ανταλλαγή μηνυμάτων που ονομάζονται ανακοίνωση δρομολογητή (RtAdv - router advertisment) και επίκληση δρομολογητή (RtSol - router solicitation). Η διεργασία της ανακάλυψης δρομολογητή επιτρέπει στον κινητό κόμβο να ενημερωθεί για την διεύθυνση ζεύξης, το πρόθεμα του δικτύου και τον τύπο ρύθμισης διεύθυνσης διαδικτύου του δρομολογητή. Οι ανακοινώσεις δρομολογητή αποστέλλονται είτε ανά τακτά χρονικά διαστήματα (με τυπική τιμή τα 3 δευτερόλεπτα) είτε ως απάντηση σε επίκληση δρομολογητή. Ο σκοπός της διεργασίας DAD είναι να επιβεβαιώσει τη μοναδικότητα μιας διεύθυνσης διαδικτύου πριν την ανάθεση της σε μια διεπαφή. Όπως ορίζει το πρωτόκολλο ανακάλυψης γείτονα (ND - neighbor discovery) [16], η διεργασία DAD πρέπει να γίνεται σε όλες τις διευθύνσεις μονοεκπομπής (unicast), ανεξάρτητα από το αν έχουν ληφθεί μέσω αυτόματης ρύθμισης ή με το πρωτόκολλο DHCPv6 [17] ή χειροκίνητη ρύθμιση παραμέτρων. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας DAD, ένας κινητός κόμβος στέλνει ένα αριθμό μηνυμάτων επίκλησης γείτονα (NbSol - neighbor solicitation) ρωτώντας για τη δική του διεύθυνση και τα οποία διαχωρίζονται από χιλιοστά του δευτερολέπτου, ώστε να ελέγξει αν κάποιος άλλος κόμβος έχει την ίδια διεύθυνση. Εάν μετά τη λήξη του διαστήματος δεν έχει ληφθεί κανένα μήνυμα ανακοίνωσης γείτονα (NbAdv - neighbor advertisment), ο κινητός κόμβος υποθέτει ότι κανένας άλλος κόμβος δεν έχει αυτή τη δοκιμαστική διεύθυνση και την εκχωρεί στη διεπαφή του. Το πρωτόκολλο ορίζει ότι πρέπει να αποστέλλεται τουλάχιστον ένα μήνυμα επίκλησης γείτονα, με ελάχιστη τιμή ενός δευτερολέπτου για την παράμετρο. Κατά τη διάρκεια της 13

31 διαδικασίας DAD, ο κινητός κόμβος δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει τη διεύθυνση και η συνεπαγόμενη καθυστέρηση μεταπομπής γίνεται απαγορευτική για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Εναλλακτικά, έχει προταθεί η τεχνική αισιόδοξης DAD (odad- optimistic DAD) [18], η οποία αίρει την καθυστέρηση διάρκειας κατά τη ρύθμιση της διεύθυνση διαδικτύου. Η δοκιμαστική διεύθυνση μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα ως μια «αισιόδοξη διεύθυνση», η οποία είναι μια διεύθυνση που έχει εκχωρηθεί σε μια διεπαφή και είναι διαθέσιμη για χρήση, ενώ η μοναδικότητά της βρίσκεται σε κατάσταση επαλήθευσης. Αυτό βασίζεται στην υπόθεση ότι η πιθανότητα μιας σύγκρουσης είναι χαμηλή, ιδίως όταν χρησιμοποιούνται αναγνωριστικά τύπου IEEE. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2, όταν ο κινητός κόμβος εισέρχεται σε ένα νέο υποδίκτυο, εκτελεί αρχικά τις διεργασίες του στρώματος ζεύξης ώστε να συνδεθεί με το νέο σημείο προσάρτησης. Έπειτα εκτελεί τη διεργασία ανακάλυψης δρομολογητή για να αποκτήσει το πρόθεμα του δικτύου και να σχηματίσει μια νέα διεύθυνση μερίμνης και ελέγχει τη μοναδικότητά της μέσω της διεργασίας DAD. Τέλος, καταχωρεί τη νέα διεύθυνση μερίμνης στον πάτριο πράκτορα Τοπική Διαχείριση Κινητικότητας Ως τοπική διαχείριση κινητικότητας ή μικρο-κινητικότητα χαρακτηρίζονται οι λύσεις εκείνες που διαχειρίζονται την κινητικότητα σε μικρές γεωγραφικές περιοχές, οι οποίες συνήθως αποτελούν και έναν διαδικτυακό τομέα [15]. Οι λύσεις αυτές εκμεταλλεύονται την αυξημένη πιθανότητα η κίνηση ενός χρήστη να περιορίζεται σε μια μικρή γεωγραφική περιοχή, η οποία είναι μικρότερη ή ίση με έναν τομέα. Προτείνοντας μια ιεραρχική αρχιτεκτονική, περιορίζουν την ανταλλαγή μηνυμάτων εντός μιας μικρής περιοχής μειώνοντας σημαντικά την καθυστέρηση μεταπομπής και επιτυγχάνοντας καλύτερες επιδόσεις Hierarchical MIPv6 Το HMIPv6 [4] εισήγαγε την έννοια της ιεράρχησης στη διαχείριση της κινητικότητας στο MIPv6, διαχωρίζοντας την κινητικότητα σε τοπική και καθολική. Με σκοπό τη μείωση της καθυστέρησης μεταπομπής, η περιοχή που εξυπηρετεί ο πάτριος πράκτορας διαιρείται σε επιμέρους περιοχές τις οποίες διαχειρίζονται νέες δικτυακές οντότητες, τα σημεία αγκύρωσης κινητικότητας (MAP - mobility anchor point). Το σημείο αγκύρωσης, ευρισκόμενο μεταξύ του μονοπατιού του κινητού κόμβου και του πάτριου πράκτορα, εκτελεί ταχύτερα τις ανταλλαγές μηνυμάτων με τον πρώτο. Ο πάτριος πράκτορας απλά προωθεί τα πακέτα στο σημείο αγκύρωσης, το οποίο επιφορτίζεται με το να παρακολουθεί την κίνηση του κινητού κόμβου μέσα στην περιοχή ευθύνης του. Τα μηνύματα ενημέρωσης διάδοσης ανταλλάσσονται ταχύτερα μεταξύ του κινητού κόμβου και του σημείου αγκύρωσης και μόνο στην περίπτωση μεταπομπής μεταξύ υποδικτύων που υπάγονται σε γειτονικά σημεία αγκύρωσης ενημερώνεται και ο πάτριος πράκτορας. Η σχετική σηματοδοσία για μια μεταπομπή εντός του ίδιου υποδικτύου απεικονίζεται στο Σχήμα Proxy MIPv6 Το PMIPv6 [6] είναι ένα άλλο πρωτόκολλο διαχείρισης κινητικότητας, το οποίο διατηρεί τη βασική ιδέα διαίρεσης της περιοχής του πάτριου πράκτορα, όπως και στο HMIPv6, ενώ μεταφέρει τις λειτουργίες του κινητού κόμβου στο σημείο αγκύρωσης. Με τον τρόπο αυτό, το PMIPv6 μπορεί να υποστηρίξει και συμβατικές κινητές συσκευές καθώς δεν απαιτεί καμία συμμετοχή του κινητού κόμβου στη διαχείριση κινητικότητας. 14

32 MN nar MAP HA CN RtSol RtAdv NbSol NbAdv? BU BAck Tunnel Data Σχήμα 3: Σηματοδοσία HMIPv6 Γίνεται δηλαδή μια μεταφορά των διεργασιών κινητικότητας από τον κινητό κόμβο στο δίκτυο, για το λόγο αυτό καλείται και τοπική δικτυοπαγής διαχείριση κινητικότητας (NETLMM - network-based localized mobility management). Οι εμπλεκόμενες με την κινητικότητα δικτυακές οντότητες είναι υπεύθυνες να εντοπίζουν την αλλαγή σημείου προσάρτησης του κινητού κόμβου και να εκκινούν τις σχετικές διεργασίες. Αυτή είναι και η πιο πρόσφατη πρόταση στο πεδίο της διαχείρισης κινητικότητας, η οποία αντιμετωπίζει δυο βασικά προβλήματα του MIPv6, την υψηλή καθυστέρηση μεταπομπής και την ασυμβατότητα με τις ήδη υπάρχουσες κινητές συσκευές. Το PMIPv6 εισάγει δύο νέες λειτουργικές οντότητες, την αγκύρωση τοπικής κινητικότητας (LMA - local mobility anchor) και την πύλη κινητής πρόσβασης (MAG - mobile access gateway). Το πρωτόκολλο ορίζει ότι η LMA έχει τις ίδιες λειτουργικές δυνατότητες με τον πάτριο πράκτορα του MIPv6, καθώς και επιπρόσθετες διεργασίες για την υποστήριξη του PMIPv6. Είναι υπεύθυνη για τη διατήρηση της κατάστασης προσιτότητας (reachability state) του κινητού κόμβου ενώ είναι και το τοπολογικό σημείο αγκύρωσης του προθέματος δικτύου του κινητού κόμβου. Αυτό υπονοεί ότι στην LMA καταλήγουν όλα τα πακέτα που προορίζονται για τον κινητό χρήστη μέσω συμβατικής δρομολόγησης διαδικτύου και αυτή έπειτα είναι σε θέση να τα προωθήσει στην τρέχουσα θέση του κινητού κόμβου. Η MAG είναι ο πληρεξούσιος (proxy) του κινητού κόμβου για τη διαχείριση κινητικότητας όταν αυτός βρίσκεται εντός της περιοχής εξυπηρέτησής της. Ουσιαστικά, η MAG είναι μια διεργασία εντός ενός δρομολογητή πρόσβασης που διαχειρίζεται τη σηματοδοσία κινητικότητας για κάθε κινητό κόμβο που βρίσκεται συνδεδεμένος σε κάποιο από τα σημεία προσάρτησης τα οποία εξυπηρετεί. Η MAG είναι υπεύθυνη για την παρακολούθηση του κινητού κόμβου και την εκκίνηση της διεργασίας καταχώρησης του κινητού κόμβου στην LMA όταν αυτός αλλάζει σημείο προσάρτησης. Συγκεκριμένα, όπως απεικονίζεται και στο Σχήμα 4 εκτελούνται τα παρακάτω βήματα: 15

33 MN MAG LMA HA CN RtSol RtAdv Data PBU PBA Tunnel Data Σχήμα 4: Σηματοδοσία PMIPv6 1. Όταν ένας κινητός κόμβος εισέρχεται εντός της περιοχής εξυπηρέτησης της MAG, αρχικά εκτελεί τις διεργασίες των πρωτοκόλλων του στρώματος ζεύξης και συνδέεται με το νέο σημείο προσάρτησης. 2. Ως ένας συμβατικός κόμβος διαδικτύου αποστέλλει ένα μήνυμα επίκλησης δρομολογητή, RtrSol. 3. H MAG ανιχνεύει την επίκληση δρομολογητή και ενημερώνει την LMA για την τρέχουσα θέση του κινητού κόμβου αποστέλλοντας της ένα μήνυμα ενημέρωσης πληρεξούσιας διάδεσης (PBU - proxy binding update). 4. Μόλις λάβει το μήνυμα PBU, η LMA ανανεώνει την κατάσταση προσιτότητας του κινητού κόμβου και αποκρίνεται με ένα μήνυμα γνωστοποίησης πληρεξούσιας διάδεσης (PBΑ - proxy binding acknowledgement). Ταυτόχρονα, αποκαθιστά το ένα άκρο μιας δικατευθυντικής σήραγγας (π.χ. IPv6-σε-IPv6) με την MAG. 5. Με τη λήψη του μηνύματος PBΑ, η MAG αποκαθιστά το δικό της άκρο της δικατευθυντικής σήραγγας με την LMA καθώς και το μηχανισμό προώθησης των πακέτων που προορίζονται για τον κινητό κόμβο. 6. Τέλος, η MAG εκτελεί μια βασική διεργασία που της επιτρέπει να λειτουργεί ως πληρεξούσιος του κινητού κόμβου. Αποστέλλει μηνύματα ανακοίνωσης δρομολογητή που περιέχουν το πρόθεμα του πάτριου δικτύου του κινητού κόμβου, εξομοιώνοντας την πάτρια ζεύξη του κινητού κόμβου όπου και αν αυτός βρίσκεται. Αυτό σημαίνει από μεριάς κινητού κόμβου ότι θεωρεί ότι βρίσκεται πάντα στο πάτριο δίκτυο, ενώ από μεριάς MAG ότι μπορεί να εξομοιώνει ταυτόχρονα τόσα δίκτυα όσοι και οι κινητοί κόμβοι που εξυπηρετεί Βελτιστοποιήσεις Ως βελτιστοποιήσεις καλούμε τις λύσεις εκείνες, οι οποίες προσθέτουν επιπλέον σηματοδοσία με σκοπό να βελτιώσουν την απόδοση του πρωτοκόλλου κινητικότητας. Οι βελτιστοποιήσεις αυτές επιτυγχάνουν σημαντικά αποτελέσματα και οδηγούν σε νέα 16

34 πρότυπα. Όπως θα προκύψει και από την κάτωθι ανάλυση, οι βελτιστοποιήσεις εισάγουν ένα νέο μηχανισμό οποίος βρίσκει εφαρμογή σε όλα τα προαναφερόμενα τοπικά ή καθολικά πρωτόκολλα Ταχεία Μεταπομπή Σε όλα τα προηγούμενα πρωτόκολλα, οι διεργασίες κινητικότητας εκκινούνται ό- ταν γίνει αντιληπτή η κίνηση του κινητού κόμβου εντός ενός νέου υποδικτύου. Αυτό πραγματοποιείται κυρίως μέσω του πρωτοκόλλου ανακάλυψης γείτονα και των μηνυμάτων επίκλησης και ανακοίνωσης δρομολογητή. Αυτή η σηματοδοσία εκτελείται μετά τις διεργασίες του στρώματος ζεύξης για τη σύνδεση με το νέο σημείο προσάρτησης και συνεπώς οι επιμέρους καθυστερήσεις είναι αθροιστικές. Αυτός ο τρόπος σχεδίασης πρωτοκόλλων παρόλο που ευθυγραμμίζεται με τη λογική του μοντέλου του OSI, οδηγεί σε μεγαλύτερη καθυστέρηση μεταπομπής αφού αδυνατεί να συγχρονίσει τα διάφορα στρώματα της στοίβας πρωτοκόλλων. Για τον λόγο αυτό, η ομάδα έργου μηχανίκευσης διαδικτύου (IETF - internet engineering task force) έχει προτείνει μια διαστρωματική λύση, η οποία κάνει χρήση σκανδαλιστών (trigger) του στρώματος ζεύξης για να βελτιστοποιήσει τις διεργασίες κινητικότητας που εκτελούνται στο στρώμα δικτύου. Αυτή η προσέγγιση έχει ως αποτέλεσμα μια οικογένεια πρωτοκόλλων, τα οποία καλούνται ταχεία μεταπομπή (fast handover) για κάθε ένα από τα MIPv4, MIPv6 και PMIPv6 και ουσιαστικά αποτελεί μια διαστρωματική αρχιτεκτονική μεταξύ του στρώματος ζεύξης και διαδικτύου. Ως σκανδαλιστής στρώματος ζεύξης ορίζεται ένα συμβάν (event) το οποίο σχετίζεται με την κατάσταση της ζεύξης (π.χ. απώλεια ζεύξης) ή με τη διεργασία μεταπομπής σε αυτό (π.χ. έναρξη σύνδεσης ή αποσύνδεσης με κάποιο σημείο προσάρτησης). Αυτοί οι σκανδαλιστές, οι οποίοι γίνονται διαθέσιμοι στο στρώμα διαδικτύου, είναι γενικοί και ανεξάρτητοι της χρησιμοποιούμενης ασύρματης τεχνολογίας. Μάλιστα, η συγκεκριμένη τεχνοτροπία γνώρισε αποδοχή στην ερευνητική κοινότητα, η οποία οδήγησε την IEEE να ορίσει ένα νέο πρότυπο, τη μεταπομπή ανεξαρτήτως μέσου [19], το οποίο θα παρουσιαστεί και στη συνέχεια και αποτελεί την υλοποίηση μιας τέτοιας διαστρωματικής αρχιτεκτονικής. Σε αυτό καθορίζονται τα συμβάντα που γίνονται διαθέσιμα στα ανώτερα στρώματα καθώς και οι εντολές που τα στρώματα αυτά μπορούν να μεταφέρουν στο στρώμα ζεύξης. Ένα τέτοιο συμβάν είναι η «πιθανή απώλεια ζεύξης» (link going down), η οποία εκφράζει μια πιθανότητα αλλαγής σημείου προσάρτησης εξαιτίας της εξασθένισης της στάθμης του σήματος. Ένα τέτοιο συμβάν μεταφέρεται από το στρώμα ζεύξης στο στρώμα διαδικτύου μέσω της διεπαφής του προτύπου μεταπομπής ανεξαρτήτως μέσου. Σε απόκριση αυτού του συμβάντος, το πρωτόκολλο κινητικότητας μπορεί να προετοιμάσει μέρος των διεργασιών κινητικότητας και να στείλει εντολή εκκίνησης σύνδεσης με το νέο σημείο προσάρτησης, συγχρονίζοντας με αυτόν τον τρόπο τα διάφορα στρώματα της στοίβας πρωτοκόλλων και επιταχύνοντας τη συνολική διαδικασία. Τα πρωτόκολλα ταχείας μεταπομπής έχουν δυο πιθανές αλληλουχίες μηνυμάτων α- νάλογα με το αν ο κινητός κόμβος είναι σε θέση να προβλέψει το επόμενο σημείο προσάρτησης του ή όχι. Παραδείγματος χάριν, στα κυψελοείδη δίκτυα κινητής τηλεφωνίας ο κινητός χρήστης σταθμοσκοπεί τους γειτονικούς σταθμούς βάσης και είναι σε θέση να προβλέψει τον επόμενο σταθμό που θα τον εξυπηρετήσει. Εφόσον είναι εφικτή μια τέτοια πρόβλεψη έχουμε την αλληλουχία μηνυμάτων της μεταπομπής με πρόβλεψη (predictive handover), διαφορετικά αυτής της αντιδραστικής μεταπομπής (reactive handover). Για την περίπτωση του MIPv4, η βελτιστοποίηση ταχείας μεταπομπής καλείται χαμηλής καθυστέρησης μεταπομπή (LLH - low latency handoff) [20]. Στo σενάριο της 17

35 ofa nfa HA MN CN Data PrRtSol Tunnel Data Link Going Down PrRtSol PrRtAdv PrRtAdv Link Down Link Up RegReq RtSol RegReq Buffering RegReq ReqRply Tunnel Data ReqRply Data Σχήμα 5: Σηματοδοσία LLH Mεταπομπής με Πρόβλεψη μεταπομπής με πρόβλεψη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, ο κινητός κόμβος πραγματοποιεί πρόβλεψη της επερχόμενης μεταπομπής στο στρώμα δικτύου και την εκτελεί πριν την ολοκλήρωση της μεταπομπής στο στρώμα ζεύξης δεδομένων. Η μεταπομπή του στρώματος δικτύου μπορεί να εκκινείται είτε από την μεριά του δικτύου είτε από τον κινητό κόμβο. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα διαδοχικά βήματα της τελευταίας περίπτωσης: 1. Για να πραγματοποιηθεί μια μεταπομπή με πρόβλεψη, πρέπει να ανταλλαγούν, μεταξύ του προηγούμενου ξένιου πράκτορα (ofa - old FA) και του νέου (nfa - new FA), οι απαραίτητες πληροφορίες και μάλιστα πριν από την έναρξη της διεργασίας μεταπομπής. Ως εκ τούτου, ο παλαιός πράκτορας ζητά με μήνυμα πληρεξούσιας επίκληση δρομολογητή (PrRtrSol - proxy router solicitation) και λαμβάνει πληρεξούσιες ανακοινώσεις δρομολογητών (PrRtrAdv - proxy router advertisment) από τους γειτονικούς ξένιους πράκτορες με σχετικές πληροφορίες όπως η διεύθυνση της ασύρματης διεπαφής του. 2. Ο κινητός κόμβος στέλνει μια πληρεξούσια επίκληση δρομολογητή για να ζητήσει μια ανακοίνωση από ένα δρομολογητή (δηλαδή τον nfa) διαφορετικό από εκείνον που λαμβάνει το μήνυμα (δηλαδή τον ofa). Αυτό το μήνυμα είναι συνέπεια ενός σκανδαλιστή που προβλέπει απώλεια της ζεύξης (link going down). Ο παλαιός ξένιος πράκτορας θα απαντήσει με μια πληρεξούσια ανακοίνωση δρομολογητή. 3. Ο κινητός κόμβος στέλνει μια αίτηση καταχώρησης (RegReq) στο νέο ξένιο πράκτορα, η οποία δρομολογείται μέσω του παλαιού καθώς ο κινητός κόμβος δεν συνδέεται ακόμα άμεσα με τον νέο. 4. Στη συνέχεια, με τα μηνύματα αίτησης καταχώρησης και απάντησης καταχώρησης (RegRply) μεταξύ κινητού κόμβου και νέου ξένιου πράκτορα ολοκληρώνεται η 18

36 MN ofa nfa HA CN Data Tunnel Data Link Going Down Link Down HRqst HRply Forwarding Link Up Data Buffering MIPv4 Signalling Σχήμα 6: Σηματοδοσία LLH Αντιδραστικής Mεταπομπής διαδικασία όπως και στην περίπτωση του MIPv4 και τα πακέτα προωθούνται μέσω σήραγγας από τον πάτριο πράκτορα στο νέο ξένιο πράκτορα. Σε αυτό το σημείο βρισκόμαστε λίγο πριν ο κινητός κόμβος απολέσει τη ζεύξη του με τον παλαιό ξένιο πράκτορα και λαμβάνει τα τελευταία πακέτα από το παλαιό μονοπάτι. Για το λόγο αυτό, τα πακέτα από το νέο μονοπάτι αποθηκεύονται στο νέο ξένιο πράκτορα. 5. Τέλος, ο κινητός κόμβος συνδέεται με το νέο σημείο πρόσβασης και ειδοποιεί το νέο ξένιο πράκτορα με ένα μήνυμα επίκλησης δρομολογητή (RtSol). Ο νέος ξένιος πράκτορας αποκρίνεται με την απάντηση καταχώρησης που είχε αποθηκεύσει και στη συνέχεια προωθεί στον κινητό κόμβο και τα αποθηκευμένα σε αυτόν πακέτα κατά τη διάρκεια της μεταπομπής του. Στο σενάριο αντιδραστικής μεταπομπής, που απεικονίζεται στο Σχήμα 6, ο κινητός κόμβος αναβάλλει την καταχώρηση του στον νέο ξένιο πράκτορα, για μετά το πέρας της μετακίνησης του στο νέο υποδίκτυο, αλλά παρ όλα αυτά εξακολουθεί να λαμβάνει και να στέλνει πακέτα κάνοντας χρήση της παλιάς διεύθυνσης μερίμνης. Για να γίνει αυτό, αποκαθίσταται μια σήραγγα μεταξύ του παλαιού και του νέου ξένιου πράκτορα, χωρίς τη συμμετοχή του κινητού κόμβου. Ο πάτριος πράκτορας εξακολουθεί να στέλνει πακέτα στον παλαιό ενώ στη συνέχεια αυτός τα προωθεί στο νέο ξένιο πράκτορα, ο οποίος ονομάζεται και FA αγκύρωσης (afa - anchor FA). Αν ο κινητός κόμβος κινηθεί προς έναν τρίτο πράκτορα πριν από την καταχώρηση του στον afa, ο τελευταίος ενημερώνει τον afa να μετακινήσει το άλλο άκρο της σήραγγας σε αυτόν. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία της αντιδραστικής μεταπομπής χωρίς τη συμμετοχή ενός τρίτου FA. 1. Πρώτον, ένας σκανδάλιστής ενημερώνει τον παλαιό ξένιο πράκτορα ότι ένας συγκεκριμένος κινητός κόμβος είναι έτοιμος να κινηθεί σε ένα νέο. 19

37 par nar HA MN CN Link Going Down PrRtSol Tunnel Data PrRtAdv FBU HI HAck FBAck FBAck Link Up UNA Forwarding Buffering BU BA Σχήμα 7: Σηματοδοσία FMIPv6 2. Ο παλαιός ξένιος πράκτορας στη συνέχεια στέλνει μια αίτηση μεταπομπής (HRqst - handoff request) στον νέο. 3. O νέος απαντά με μια απόκριση μεταπομπής (HRply - handoff reply), στην οποία ζητά μια αντίστροφη σήραγγα με μια συγκεκριμένη διάρκεια ζωής. Κατά τη διάρκεια της μεταπομπής του στρώματος ζεύξης του κινητού κόμβου, τα πακέτα διαβιβάζονται από τον παλαιό στον νέο ξένιο πράκτορα και αποθηκεύονται στον τελευταίο μέσω της μεταξύ τους σήραγγας. 4. Όταν η μεταπομπή στο στρώμα ζεύξης έχει ολοκληρωθεί, o νέος ξένιος πράκτορας στέλνει τα αποθηκευμένα πακέτα στον κινητό κόμβο. 5. Τέλος, πραγματοποιείται η διαδικασία καταχώρησης του πρωτοκόλλου MIPv4, σε σύντομο χρονικό διάστημα μετά την ολοκλήρωση της κίνησης του κινητού κόμβου στο νέο υποδίκτυο. Με αυτήν τη διεργασία, ο κινητός κόμβος ενημερώνει τον πάτριο πράκτορα για τη νέα διεύθυνση μερίμνης. Το συγκεκριμένο πρωτόκολλο υλοποιήθηκε σε προσομοιωτή δικτύων και μελετήθηκε η απόδοση του σε εφαρμογή μετάδοσης φωνής μέσω διαδικτύου, όπως θα περιγραφεί στο Κεφάλαιο 3. Στη συνέχεια και με σκοπό τη σύγκριση με το MIPv4 περιγράφεται η μεταπομπή πρόβλεψης για την περίπτωση του FMIPv6. 1. Το πρωτόκολλο εκκινεί και σε αυτήν την περίπτωση με ένα μήνυμα πληρεξούσιας επίκλησης δρομολογητή (PrRtSol - proxy router solicitation). Συγκεκριμένα, ο κινητός κόμβος αιτείται πληροφορίες για έναν πιθανό νέο δρομολογητή πρόσβασης (nar - 20

38 new access router) μέσω του δρομολογητή που είναι συνδεδεμένος αμέσως πριν τη μεταπομπή. Είναι δηλαδή ένα μήνυμα επίκλησης δρομολογητή μέσω πληρεξουσίου, ο οποίος είναι ο προηγούμενος δρομολογητής πρόσβασης (par - previous access router). 2. Ο προηγούμενος δρομολογητής μόλις λάβει την πληρεξούσια επίκληση δρομολογητή διαβάζει το πεδίο το οποίο περιέχει το αναγνωριστικό του νέου δρομολογητή προς τον οποίο κινείται ο κινητός κόμβος. Ο προηγούμενος δρομολογητής έχει αποθηκευμένες πληροφορίες για τους γειτονικούς του δρομολογητές και είναι σε θέση να παρέχει πληροφορίες του στρώματος δικτύου αυτών, όπως το πρόθεμα δικτύου που υποστηρίζουν. Αυτές τις πληροφορίες αποστέλλει στον κινητό κόμβο με ένα μήνυμα πληρεξούσιας ανακοίνωσης δρομολογητή (PrRtAdv - proxy router advertisement). 3. Λαμβάνοντας ο κινητός κόμβος την πληρεξούσια ανακοίνωση δρομολογητή μπορεί πλέον να διαμορφώσει μια νέα διεύθυνση μερίμνης (NCoA - new CoA) ενώ είναι ακόμα συνδεδεμένος στον προηγούμενο δρομολογητή. Με αυτόν τον τρόπο καταργείται το τμήμα της καθυστέρησης μεταπομπής που οφείλεται στις διεργασίες του στρώματος δικτύου και ο κινητός κόμβος είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει τη νέα διεύθυνση μερίμνης αμέσως μόλις συνδεθεί με τον νέο δρομολογητή. Στη συνέχεια ο κινητός κόμβος αποστέλλει ένα μήνυμα ταχείας ενημέρωσης διάδεσης (FBU - fast binding update) στον προηγούμενο δρομολογητή. 4. Το μήνυμα ταχείας ενημέρωσης διάδεσης είναι πανομοιότυπο με το μήνυμα ενημέρωσης διάδοσης αλλά τυγχάνει διαφορετικής επεξεργασίας από το δρομολογητή. Συγκεκριμένα, ο προηγούμενος δρομολογητής το χρησιμοποιεί για να δημιουργήσει ένα μήνυμα εκκίνησης μεταπομπής (HI - handover initiate). Το μήνυμα αυτό περιέχει την προηγούμενη διεύθυνση μερίμνης (PCoA - previous CoA), τη νέα (NCoA) καθώς και τη διεύθυνση στρώματος ζεύξης του κινητού κόμβου και αποστέλλεται στον νέο δρομολογητή. 5. Με τη λήψη του μηνύματος εκκίνησης μεταπομπής, γνωστοποιείται η νέα διεύθυνση μερίμνης στον νέο δρομολογητή, την οποία και αρχίζει να υπερασπίζεται. Παράλληλα, σχηματίζεται το ένα άκρο μιας σήραγγας IPv6-σε-IPv6 μέσω της ο- ποίας προωθούνται στη νέα διεύθυνση μερίμνης τα πακέτα που προορίζονταν για την προηγούμενη διεύθυνση μερίμνης. Στη συνέχεια αποκρίνεται με ένα μήνυμα γνωστοποίησης μεταπομπής (HAck - handover acknowledgement), ενημερώνοντας τον για την επιτυχή δέσμευση της νέα διεύθυνσης μερίμνης. 6. Λαμβάνοντας το μήνυμα γνωστοποίησης μεταπομπής, ο προηγούμενος δρομολογητής αποκαθιστά το άλλο άκρο της σήραγγας μέσω της οποίας προωθεί τα πακέτα του κινητού κόμβου στη νέα διεύθυνση μερίμνης του. Ταυτόχρονα, ενημερώνει τον κινητό κόμβο για την επιτυχή ολοκλήρωση της ταχείας μεταπομπής μέσω ενός μηνύματος γνωστοποίησης ταχείας διάδεσης (FBAck - fast binding acknowledgement). Μάλιστα, καθώς η ακριβής στιγμή της μεταπομπής δε μπορεί να προβλεφθεί, το μήνυμα αυτό αποστέλλεται δύο φορές, μια απευθείας στον κινητό κόμβο και μια μέσω του νέου δρομολογητή. 7. Με την ολοκλήρωση της σύνδεσης με το νέο σημείο προσάρτησης, ο κινητός κόμβος αποστέλλει ένα μήνυμα ανακοίνωσης γείτονα χωρίς επίκληση (UNA - unsolicited neighbor advertisement) γνωστοποιώντας του την επιτυχή σύνδεση. 21

39 MN pmag nmag LMA HA CN Data Tunnel Data Link Down Link Up L2 Report HI HAck Forwarding Buffering PBU PBA Σχήμα 8: Σηματοδοσία PFMIPv6 8. Λαμβάνοντας το μήνυμα ανακοίνωσης γείτονα χωρίς επίκληση ο νέος δρομολογητής προωθεί στον κινητό κόμβο όσα πακέτα του είχε προωθήσει ο προηγούμενος δρομολογητής. Τα πακέτα αυτά αποθήκευε σε ενδιάμεση μνήμη (buffer) κατά τη διάρκεια της μεταπομπής ο νέος δρομολογητής, ελαχιστοποιώντας με αυτό τον τρόπο τις απώλειες. 9. Τέλος, ο κινητός κόμβος εκτελεί τη διεργασία μεταπομπής του βασικού πρωτοκόλλου MIPv6, μέσω της ανταλλαγής των μηνυμάτων ενημέρωσης διάδεσης και γνωστοποίησης διάδεσης. Στο τέλος αυτής της σηματοδοσίας, τα πακέτα προωθούνται απευθείας από τον πάτριο πράκτορα στον κινητό κόμβο μέσω του νέου δρομολογητή. Παρατηρούμε ότι η λογική στις δύο εκδόσεις παραμένει η ίδια, με τον κινητό κόμβο να προετοιμάζει τη νέα σύνδεση ενώ βρίσκεται στο προηγούμενο υποδίκτυο. Λεπτομέρειες στην υλοποίηση, όπως ο διαφορετικός τύπος μηνυμάτων και ο μηχανισμός προώθησης πακέτων από τον παλαιό στον νέο δρομολογητή, δεν επηρεάζουν τη διάρκεια διακοπής της επικοινωνίας, η οποία περιορίζεται σχεδόν στη διάρκεια αποκατάστασης της ζεύξης. Είναι εύλογο συνεπώς να θεωρούμε ότι η μελέτη ενός μόνο πρωτοκόλλου ταχείας μεταπομπής μπορεί να εξάγει χρήσιμα συμπεράσματα συνολικά για όλη την ομάδα αυτών των πρωτοκόλλων. Για να ολοκληρωθεί η παρούσα ενότητα παρουσιάζουμε και την περίπτωση της ταχείας μεταπομπής για το PMIPv6 (PFMIPv6) [12], η οποία περιέχει και τα πλεονεκτήματα της τοπικής κινητικότητας καθοδηγούμενη από την πλευρά του δικτύου. Σε αντίθεση με την περίπτωση του HMIPv6, η βελτιστοποίηση για το PMIPv6 έχει γίνει δεκτή ως πρότυπο. Καθώς το PMIPv6 εισάγει την έννοια της δικτυοπαγούς διαχείρισης της κινητικότητας, στην οποία ο κινητός κόμβος δεν εκτελεί λειτουργίες στρώματος δικτύου, επιβάλλονται ορισμένες αλλαγές στη σχεδίαση της γενικής ιδέας της ταχείας μεταπομπής. Για το λόγο αυτό τα μηνύματα σηματοδοσίας στρώματος δικτύου στα οποία συμμετέχει ο κινητός κόμβος (PrRtSol, PrRtAdv, FBU, FBack και UNA) καταργούνται και αντικαθιστώνται από μηνύματα παρακολούθησης του στρώματος ζεύξης, όπως αυτά τα οποία μπορεί να υποστηρίξει το πρότυπο μεταπομπής ανεξαρτήτως μέσου. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 8 ένα μήνυμα ζεύξης ενημερώνει την προηγούμενη MAG 22

40 (pmag - previous MAG) ότι επίκειται μεταπομπή του κινητού κόμβου. Στη συνέχεια ανταλλάσσονται μεταξύ παλαιάς και νέας MAG (nmag - new MAG) τα μηνύματα HI και HAck, όπως και στην περίπτωση του FMIPv6, αποκαθιστώντας τη σήραγγα προώθησης πακέτων στη νέα MAG. Οι λειτουργίες της LMA δεν επηρεάζονται, καθώς στη συνέχεια εκτελείται μια τυπική ανανέωση διάδεσης μέσω των μηνυμάτων PBU και PBA Βελτιστοποίηση Δρομολόγησης Ο κύριος στόχος του MIPv4 ήταν να επιτρέψει τη συνέχιση της επικοινωνία μεταξύ των κινητών κόμβων και των ανταποκριτών κόμβων τους, καθώς οι πρώτοι κινούνται ανάμεσα σε διαφορετικά υποδίκτυα, κάνοντας χρήση των πρακτόρων κινητικότητας, όπως περιγράφηκε στην Ενότητα Παρά το γεγονός ότι μέσω αυτής της προσέγγισης ικανοποιείται η προϋπόθεση της συνέχισης της επικοινωνίας, όλα τα πακέτα δεδομένων δρομολογούνται υποχρεωτικά μέσω του πάτριου δικτύου του κινητού κόμβου, ακόμη και όταν ο ανταποκριτής κόμβος είναι προσβάσιμος μέσω συντομότερου μονοπατιού. Η διαδικασία κατά την οποία τα πακέτα του ανταποκριτή κόμβου, που προορίζονται για το κινητό κόμβο, ακολουθούν μια διαδρομή η οποία είναι μεγαλύτερη από τη βέλτιστη διαδρομή επειδή πρέπει να προωθούνται μέσω συγκεκριμένου πράκτορα κινητικότητας ονομάζεται πρόβλημα της τριγωνικής δρομολόγησης (triangular routing) [21]. Αντίστοιχα, η τεχνική που χρησιμοποιείται για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα και να αποκαταστήσει την απευθείας επικοινωνία μεταξύ κινητού κόμβου και ανταποκριτή κόμβου καλείται βελτιστοποίηση δρομολόγησης (route optimization). Η βελτιστοποίηση δρομολόγησης στο MIPv4 είναι ένα προσχέδιο προτύπου (draft) [22], το οποίο όμως δεν έγινε τελικώς δεχτό ως πρότυπο, ενώ στη περίπτωση του MIPv6 είναι μια θεμελιώδης λειτουργία του πρωτοκόλλου. Ωστόσο, η προσέγγιση και στις δύο περιπτώσεις είναι παρόμοια, με κύρια ιδέα να επιτραπεί στον κινητό κόμβο να ενημερώνει για τη διεύθυνση μερίμνης του, όχι μόνο τον πάτριο πράκτορα, αλλά και τον ανταποκριτή κόμβο. Ως αποτέλεσμα, ο ανταποκριτής κόμβος αποθηκεύει πλέον στη μνήμη του, τη διάδεση της πάτριας διεύθυνσης του κινητού κόμβου, που περιέχει τη διεύθυνση μερίμνης του, ώστε να βελτιστοποιηθεί το μονοπάτι της επικοινωνίας τους. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της ανταλλαγής μηνυμάτων BU και BA μεταξύ του κινητού κόμβου και του ανταποκριτή κόμβου σε αντιστοιχία με τη διαδικασία ενημέρωσης διάδεσης που ακολουθείται με τον πάτριο πράκτορα. Παρ όλα αυτά, πριν από αυτή την ανταλλαγή μηνυμάτων, πρέπει να συσταθεί μια α- σφαλής συσχέτιση επικοινωνίας μεταξύ των δύο άκρων της επικοινωνίας. Σε διαφορετική περίπτωση κακόβουλοι χρήστες θα μπορούσαν να επιτύχουν ανακατεύθυνση της κίνησης νόμιμων χρηστών ή και επιθέσεις άρνησης παροχής υπηρεσίας. Στο MIPv6, η ασφαλή συσχέτιση επικοινωνίας επιτυγχάνεται μέσω ενός άλλου θεμελιώδους πρωτοκόλλου που ονομάζεται ανάκτηση δυνατότητας δρομολόγησης (RR - return routability). Το πρωτόκολλο RR είναι μια διαδικασία που επιτρέπει στον ανταποκριτή κόμβο να πραγματοποιήσει μια ελάχιστη επαλήθευση ότι ένας κινητός κόμβος κατέχει μια διεύθυνση (πάτρια διεύθυνση) και είναι προσβάσιμος σε μια άλλη (διεύθυνση μερίμνης). Επαληθεύεται δηλαδή η ακεραιότητα και αυθεντικότητα των μηνυμάτων BU, ότι δηλαδή αποστέλλονται από τον κινητό κόμβο που έχει τη συγκεκριμένη πάτρια διεύθυνση και διεύθυνση μερίμνης. Μόνο με αυτήν τη διαβεβαίωση, ο ανταποκριτής κόμβος μπορεί να δεχθεί τα μηνύματα ενημέρωσης διάδεσης και να μεταδώσει τα δεδομένα απευθείας στη διεύθυνση μερίμνης του κινητού κόμβου. Ο κινητός κόμβος μπορεί να περάσει αυτόν τον έλεγχο μόνο αν μπορεί να αποδείξει ότι έλαβε κάποια δεδομένα τα οποία είναι ήδη γνωστά στον ανταποκριτή κόμβο. Αυτό 23

41 MN AR HA CN HoIT CoIT BU Data HoT HoIT HoT CoT BAck Data Σχήμα 9: Σηματοδοσία Ανάκτησης Δυνατότητας Δρομολόγησης επιτυγχάνεται με τη χρήση αλγόριθμων κατατεμαχισμού με χρήση κλειδιών. Τα δεδομένα αυτά αποστέλλονται και στις δύο διευθύνσεις του κινητού κόμβου, ο οποίος στη συνέχεια τα συνδυάζει για να σχηματίσει το κλειδί διαχείρισης διαδέσεων (binding management key - K bm ). Το κλειδί K bm χρησιμοποιείται από τον αλγόριθμο κατατεμαχισμού και ανακτάται κατά τη διάρκεια της διεργασίας ανάκτησης δυνατότητας δρομολόγησης όπως φαίνεται στο Σχήμα 9. Ο κινητός κόμβος εκκινεί τη διεργασία αποστέλλοντας δύο μηνύματα στον ανταποκριτή κόμβο, ένα μέσω του πάτριου πράκτορα (HoTI - Home Test Init) και ένα απευθείας (CoTI - Care-of Test Init). Τα μηνύματα αυτά γνωστοποιούν στον ανταποκριτή κόμβο τόσο την πάτρια όσο και τη διεύθυνση μερίμνης, καθώς επίσης και δυο τυχαίες τιμές 64 δυφίων, οι οποίες καλούνται cookies ( home init cookie και care-of init cookie ) και τις οποίες οφείλει να επιστρέψει ο ανταποκριτής κόμβος. Με τη λήψη αυτών των δύο μηνυμάτων, ο ανταποκριτής κόμβος δημιουργεί κλειδογενή αδειοδοτικά (keygen token), ένα για την πάτρια (home keygen token) και ένα για την διεύθυνση μερίμνης (care-of token). Η δημιουργία αυτών των αδειοδοτικών γίνεται με τη χρήση του ενεργού μυστικού του κλειδιού K cn, τυχαίων τιμών 64 δυφίων που καλούνται nonces και της πάτριας και διεύθυνσης μερίμνης αντίστοιχα. Συγκεκριμένα, το πάτριο αδειοδοτικό είναι η εφαρμογή μιας συνάρτησης κατατεμαχισμού πάνω στην αλληλουχία των προηγούμενων τιμών: Home_T oken = h(k cn HoA n i i). (2.1) όπου n i είναι ο τυχαίος αριθμός που χρησιμοποιείται για το πάτριο αδειοδοτικό και i είναι ο δείκτης που χρησιμοποιεί ο ανταποκριτής κόμβος ως αναγνωριστικό του n i. Αντίστοιχα για το αδειοδοτικό διεύθυνσης μερίμνης (care-of token): Care_of_T oken = h(k cn CoA n j j). (2.2) 24

42 Με τη λήψη και των δύο μηνυμάτων, ο κινητός κόμβος δημιουργεί το κλειδί διάδεσης K bm μεγέθους 20 οκτετών, ως εξής: K bm = h(home_t oken Care-of_T oken). (2.3) Τέλος ο κινητός κόμβος αποστέλλει το BU μήνυμα χρησιμοποιώντας το κλειδί K bm. Εάν ο ανταποκριτής κόμβος υποστηρίζει ανάκτηση δυνατότητας δρομολόγησης, η διεργασία RR εκτελείται αμέσως μετά τη βασική σηματοδοσία του πρωτοκόλλου MIPv Διαχείριση Κινητικότητας σε Ανώτερα Στρώματα Αντίθετα με το ΜIPv6, το οποίο είναι πρωτόκολλο στρώματος δικτύου, έχουν προταθεί και λύσεις σε ανώτερα στρώματα όπως το mobile Stream Control Transmission Protocol (msctp) [7] που είναι ένα πρωτόκολλο στρώματος μεταφοράς και το Session Initiation Protocol (SIP) [8], που εδρεύει στο στρώμα εφαρμογής mobile SCTP Το πρωτόκολλο SCTP σχεδιάστηκε για να αντιμετωπίσει τα μειονεκτήματα του TCP ενώ παράλληλα προσφέρει τα πλεονεκτήματα του UDP. Ένα κυρίαρχο χαρακτηριστικό του SCTP είναι η πολυεστίαση (multi-homing), γεγονός που το έθεσε ως υποψήφιο πρωτόκολλο για τη διαχείριση μεταπομπής στο διαδίκτυο. Για να επιτευχθεί αυτό, προστέθηκε το δομοστοιχείο ADD-IP οδηγώντας στην επέκταση mobile SCTP (msctp). Εντούτοις, το msctp δεν υποστηρίζει διαχείριση αναζήτησης θέσης και πρέπει να χρησιμοποιηθεί μαζί με άλλα πρωτόκολλα κινητικότητας όπως το MIPv6 και το SIP. Στο SCTP η σύνδεση μεταξύ δύο άκρων SCTP καλείται συσχέτιση (association). Με την πολυεστίαση είναι εφικτό σε κάθε άκρο της συσχέτισης να αποδίδονται περισσότερες από μια διευθύνσεις διαδικτύου. Ανάμεσα στο σύνολο αυτών των διευθύνσεων μια επιλέγεται ως κύρια διεύθυνση (primary address). Το ADD-IP κάνει χρήση της διεργασίας δυναμικής ανάλυσης διεύθυνσης (DAR - dynamic address resolution), επιτρέποντας στα άκρα SCTP να προσθέτουν ή να αφαιρούν διευθύνσεις διαδικτύου ή και να αλλάζουν την κύρια διεύθυνση κατά τη διάρκεια μιας συνόδου χωρίς να τη διακόπτουν. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο κινητός κόμβος να προετοιμάζει μια νέα διαδρομή πριν την διακοπή αυτής που είναι ενεργή και να πραγματοποιεί ομαλή μεταπομπή. Με αυτό τον τρόπο, το msctp εκμεταλλεύεται τις εφεδρείες του δικτύου επιτυγχάνοντας ελαχιστοποίηση της απώλειας δεδομένων. Οι μονάδες πληροφορίας εντός των μηνυμάτων SCTP καλούνται τεμάχια (chunks). Το σχετικό τεμάχιο, που εισάγεται από το ADD-IP, για την τροποποίηση της διεύθυνσης διαδικτύου καλείται αλλαγή διάρθρωσης διεύθυνσης (ASCONF - address configuration change). Κατά τη διάρκεια της μεταπομπής γίνεται δυναμική αλλαγή της αρχικής διεύθυνσης. Όταν ο κινητός κόμβος εισέρχεται σε ένα νέο υποδίκτυο αποκτά μια νέα διεύθυνση διαδικτύου και στη συνέχεια ανταλλάσσει με τον ανταποκριτή κόμβο μηνύματα ASCONF αρχικά για να προσθέσει αυτή τη νέα διεύθυνση διαδικτύου στο σύνολο διευθύνσεων της συσχέτισης (ASCONF_add_ip) και εν συνεχεία για να την θέσει ως κύρια (ASCONF_set_primary). Με την ολοκλήρωση αυτών των βημάτων τα δεδομένα στέλνονται στη νέα διεύθυνση. Το msctp μπορεί να παρέχει αδιάλειπτη μεταπομπή απ άκρο εις άκρον στο στρώμα μεταφοράς, χωρίς να απαιτεί επιπρόσθετες λειτουργικές οντότητες. Συνεπώς το μόνο προαπαιτούμενο για την παροχή ομαλής μεταπομπής είναι τόσο ο κινητός κόμβος όσο 25

43 και ο ανταποκριτής να διαθέτουν το msctp χωρίς καμία επιπρόσθετη μετατροπή της υπάρχουσας αρχιτεκτονικής του δικτύου Session Initiation Protocol Το SIP είναι ένα πρωτόκολλο σηματοδοσίας το οποίο αρχικά σχεδιάστηκε για να διαχειρίζεται συνόδους πολυμέσων όπως η φωνή μέσω διαδικτύου. Παρ όλα αυτά, μπορεί να υποστηρίξει διάφορους τύπους κινητικότητας όπως τερματικού, προσωπική και υπηρεσίας. Καθώς το SIP είναι ένα πρωτόκολλο στρώματος εφαρμογής λειτουργεί πάνω από το MIPv6 και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υποστηρίξει κινητικότητα τερματικού. Το SIP εισάγει ένα σύνολο λειτουργικών οντοτήτων. Αυτές είναι ο πράκτορας χρήστη (UA - uset agent), ο πληρεξούσιος εξυπηρετητής (proxy server), ο καταχωρητής (registrar) και ο εξυπηρετητής ανακατεύθυνσης (redirect server). Ο πράκτορας χρήστη είναι μια εφαρμογή που μπορεί να εκκινεί, να λαμβάνει μηνύματα και να τερματίζει μια σύνοδο SIP. Ο πράκτορας χρήστη μπορεί να λειτουργεί ως πελάτης όταν εκκινεί μια σύνοδο SIP ή ως εξυπηρετητής όταν λαμβάνει μια αίτηση, την οποία επεξεργάζεται ώστε να δημιουργήσει στη συνέχεια την κατάλληλη απόκριση. Ο πληρεξούσιος εξυπηρετητής είναι μια ενδιάμεση οντότητα, η οποία λαμβάνει μια αίτηση και την προωθεί εκ μέρους του αιτούντος. Ο πληρεξούσιος εξυπηρετητής κάνει χρήση των υπηρεσιών αναζήτησης για να ανιχνεύσει ένα πράκτορα χρήστη, να ελέγξει τη διαθεσιμότητα του και την ικανότητα του να επικοινωνήσει με τους χρήστες του δικτύου. Ο εξυπηρετητής ανακατεύθυνσης δέχεται μια αίτηση SIP, αντιστοιχεί τον καλούμενου σε μία ή περισσότερες διευθύνσεις τις οποίες και προωθεί στον πελάτη. Σε αντίθεση με τον πληρεξούσιο εξυπηρετητή, ο εξυπηρετητής ανακατεύθυνσης δεν εκκινεί κάποια σύνοδο SIP αλλά επιστρέφει τις αιτήσεις που λαμβάνει προτείνοντας άλλες διαδρομές δρομολόγησης, κυρίως σε περιπτώσεις όπου o πράκτορας χρήστη έχει αλλάξει θέση. Τέλος, ο καταχωρητής επιτρέπει στους πελάτες να αλλάζουν τη διεύθυνση στην οποία μπορούν να βρεθούν. Ο τύπος διευθύνσεων ο οποίος χρησιμοποιείται από το SIP ονομάζεται ομοιόμορφο αναγνωριστικό πόρων (URI - uniform resource identifier) και είναι της μορφής username@domain, παρόμοια με τις διευθύνσεις ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Το SIP υποστηρίζει δύο διεργασίες μεταπομπής. Η πρώτη ονομάζεται καθώς υποδηλώνει ότι ο κινητός κόμβος εισέρχεται σε ένα νέο ξένιο δίκτυο πριν την έναρξη μιας συνόδου. Σε αυτήν την περίπτωση, ο κινητός κόμβος αρχικά χρησιμοποιεί τη μέθοδο για να καταχωρηθεί στον νέο πληρεξούσιο εξυπηρετητή. Εν συνεχεία, για να επικοινωνήσει με κάποιο ανταποκριτή κόμβο χρησιμοποιεί τη μέθοδο. Η δεύτερη διεργασία καλείται καθώς σε αυτή ο κινητός κόμβος εισέρχεται σε νέο ξένιο δίκτυο ενώ βρίσκεται σε σύνοδο με κάποιον ανταποκριτή κόμβο. Σε αυτήν την περίπτωση γίνεται χρήση της μεθόδου. Αρχικά, ο κινητός κόμβος αποστέλλει μια αίτηση, η οποία περιέχει τη νέα διεύθυνση διαδικτύου του και έπειτα o ανταποκριτής κόμβος αποκρίνεται με ένα μήνυμα. Μετά την ανταλλαγή αυτών των μηνυμάτων, αμφότεροι οι κόμβοι επανεκκινούν την επικοινωνία τους, χρησιμοποιώντας τη νέα διεύθυνση. Ένα από τα πλεονεκτήματα του SIP είναι το ότι δεν απαιτεί τροποποιήσεις στα κατώτερα στρώματα της στοίβας πρωτοκόλλων και για αυτό είναι συμβατό με τις υπάρχουσες τεχνολογίες. Επιπλέον το SIP είναι ένα ευέλικτο πρωτόκολλο καθώς μπορεί να χρησιμοποιήσει οποιονδήποτε τύπο διευθύνσεων πέραν της URI. Όσον αφορά την παράδοση των δεδομένων, με το SIP είναι δυνατή η απευθείας επικοινωνία κινητού 26

44 κόμβου και ανταποκριτή κόμβου μετά την ολοκλήρωση της μεθόδου χωρίς τη χρήση της τεχνική της σηράγγωσης. 2.5 Διαχείριση Κατακόρυφων Μεταπομπών σε Ετερογενή Δίκτυα Τα ετερογενή δίκτυα είναι τα δίκτυα εκείνα τα οποία μπορούν να συνδυάσουν μια ποικιλία ασύρματων τεχνολογιών από δίκτυά τοπικής εμβέλειας, όπως το IEEE [23], μέχρι ευρείας εμβέλειας, όπως τα κυψελοειδή δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Η ενοποίηση αυτή επιτυγχάνεται μέσω ενός κοινού δικτυακού κορμού στον οποίο είναι δυνατόν να ενωθούν όλες οι προαναφερόμενες τεχνολογίες και ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα σύνδεσης με το διαδίκτυο. Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελούν και τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας τέταρτης γενιάς τα οποία διαθέτουν έναν τέτοιο κορμό, ο οποίος καλείται Evolved Packet Core (EPC) [24] και ο οποίος παρέχει σύνδεση σε σημεία πρόσβασης WiFi ή WiMax καθώς και σύνδεση στο διαδίκτυο. Σε ένα τέτοιο ετερογενές περιβάλλον το πρόβλημα της διαχείρισης της κινητικότητας αποκτά νέες διαστάσεις καθώς πλεόν τίθεται το πρόβλημα της ιεράρχησης των υποψήφιων δικτύων ώστε ο κινητός χρήστης να είναι πάντα συνδεδεμένος στη βέλτιστη επιλογή βάσει των αναγκών του. Μια τέτοια προσέγγιση απαιτεί ένα πρωτόκολλο το οποίο παρέχει τη δυνατότητα συλλογής πληροφορίων για όλα τα δίκτυα και τους κινητούς κόμβους, δυνατότητα ιεράρχησης των δικτύων και ενημέρωσης του κινητού κόμβου για αυτή και τέλος την ενορχήστρωση της διαδικασίας της κατακόρυφης μεταπομπής. Το προσφάτως εισαχθέν αυτό πρότυπο είναι η μεταπομπή ανεξαρτήτως μέσου (MIH - media independent handover) ή αλλιώς και IEEE [19], το οποίο παρέχει μια πλειάδα μηνυμάτων και λειτουργιών που εξυπηρετούν τους παραπάνω στόχους. Το δομοστοιχείο που υλοποιεί τις υπηρεσίες του MIH καλείται MIH Function (MIHF) και ενεργεί ως ένα ενδιάμεσο στρώμα μεταξύ του στρώματος ζεύξης και των ανώτερων στρωμάτων. Η ΜΙΗF μπορεί να μεταφέρει πληροφορίες σχετικές με διάφορες καταστάσεις του στρώματος ζεύξης στα πρωτόκολλα των ανωτέρω στρωμάτων όπως τα πρωτόκολλα διαχείρισης κινητικότητας τα οποία καλούνται και χρήστες MIH (MIH user). Παράλληλα μπορεί μεταφέρει εντολές των χρηστών MIH προς το στρώμα ζεύξης επιτρέποντας τους με αυτό το τρόπο τον έλεγχο της συνδεσιμότητας του κινητού χρήστη. Τέτοιες πληροφορίες του στρώματος ζεύξης, οι οποίες καλούνται και MIH συμβάντα, μπορούν να μεταβιβάζονται είτε εντός του ιδίου κόμβου οπότε καλούνται τοπικές ή ακόμη και σε απομακρυσμένους κόμβους. Είναι δηλαδή δυνατόν ο κινητός κόμβος να ενημερώνει το δίκτυο για την κατάσταση της ζεύξης του ή ακόμα και τα διάφορα σημεία πρόσβασης να ενημερώνουν έναν κεντρικό εξυπηρετητή για μετρικές όπως το φορτίο τους ή τον αριθμό των συνδεδεμένων χρηστών. Στη συνέχεια αυτός ο κεντρικός εξυπηρετητής μπορεί να δίνει εντολή στον κινητό κόμβο για να εκτελέσει κατακόρυφη μεταπομπή προς τη βέλτιστη επιλογή στην οποία προηγουμένως έχει δεσμεύσει τους απαιτούμενους πόρους. Γίνεται κατανοητό λοιπόν πως η MIHF είναι ανεξάρτητη από τη δικτυακή μονάδα στην οποία εγκαθίσταται, παρ όλα αυτά είναι σε θέση να εκτελεί διαφορετικές λειτουργίες ανάλογα με τις απαιτήσεις αυτής της μονάδας. Το πρότυπο προβλέπει τρία είδη υπηρεσιών τα οποία πρέπει να παρέχει η MIHF όπως φαίνεται και στο Σχήμα 10. Πρώτη είναι η media independent event service (MIES), η οποία παρέχει τη δυνατότητα παρακολούθηση και αναφοράς συμβάντων σχετικών με την ποιότητα των διαφορετικών τύπου ζεύξεων. Η δεύτερη είναι η media independent command service (MICS), η οποία διευκολύνει τον έλεγχο του στρώματος ζεύξης από τους χρήστες MIH, στην οποία αναφερθήκαμε προηγουμένως. Τέλος είναι η media independent 27

45 Σχήμα 10: Αρχιτεκτονική και Υπηρεσίες του MIH information service (MIIS), η οποία παρέχει σταθερές παραμέτρους των διαφόρων δικτύων, όπως η ασύρματη τεχνολογία τους, η συχνότητα λειτουργίας τους κ.α. Ένα συμβάν υποδηλώνει μια αλλαγή στο στρώμα ζεύξης, όπως η απώλεια ζεύξης ή αποκατάστασής της, ή ακόμα και πρόβλεψη μιας επικείμενης αλλαγής, όπως μιας μεταπομπής αν η στάθμη του σήματος βαίνει συνεχώς μειούμενη. Οι χρήστες MIH μπορούν να εγγραφούν σε συγκεκριμένα συμβάντα MIH του ιδίου κόμβου ή άλλων κόμβων για τους οποίους ενδιαφέρονται. Τέλος, σημειώνεται ότι οι λειτουργίες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για τη διαχείριση οριζόντιας μεταπομπής, όπως παραδείγματος χάριν τη πρόβλεψη μιας επικείμενης μεταπομπής στη περίπτωση του FMIPv6 που αναπτύχθηκε παραπάνω. Για όλα τα παραπάνω το MIH αποτελεί ένα κεντρικής σημασίας πρότυπο στη διαχείριση κινητικότητας, το οποίο μελετήθηκε και υλοποιήθηκε μερικώς στην παρούσα διδακτορική διατριβή όπως θα αναδειχθεί σε επόμενα κεφάλαια. Επισημαίνεται ότι το πρότυπο αυτό υλοποιεί ουσιαστικά μια διαστρωματική αρχιτεκτονική της διαχείριση της κινητικότητας καθώς διαρρηγνύει την κλασσική απομόνωση της στοίβας πρωτοκόλλων του OSI επιτρέποντας τη διάχυση των πληροφοριών του στρώματος ζεύξης στα ανωτέρα στρώματα διαδικτύου και εφαρμογής ενώ αντίστροφα επιτρέπει στα ανώτερα στρώματα να ελέγχουν το στρώμα ζεύξης κάτι που πριν καθίστατο αδύνατο. 2.6 Ανάλυση Πρωτοκόλλων Διαχείρισης Κινητικότητας Στην ενότητα που ακολουθεί, τα προαναφερθέντα πρωτόκολλα διαχείρισης της κινητικότητας θα αναλυθούν κάνοντας χρήση των μετρικών κόστους σηματοδοσιάς, κόστους 28

46 Σχήμα 11: Μοντέλο Ροής Υγρού για Κυκλικές Περιοχές αποστολής πακέτου και καθυστέρησης μεταπομπής. Για να πραγματοποιηθεί η συγκεκριμένη ανάλυση, γίνεται χρήση του μοντέλου κινητικότητας ροής υγρού (fluid flow model) [25], το οποίο παρουσιάζεται στη συνέχεια Μοντέλο Ροής Υγρού Το μοντέλο ροής υγρού είναι κατάλληλο για κινητούς κόμβους με υψηλή κινητικότητα. Το μοντέλο εφαρμόζεται υπό τις ακόλουθες παραδοχές: Τα υποδίκτυα καθώς και οι τομείς δικτύου είναι κυκλικές περιοχές. Η πυκνότητα των κινητών κόμβων είναι ομοιόμορφη σε αυτές τις περιοχές με μέση τιμή ρ. Η κατεύθυνση της κίνησης κινητού κόμβου είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στο διάστημα (0, 2π). Έστω ότι v είναι η μέση ταχύτητα των κινητών κόμβων, R είναι η ακτίνα κάλυψης της κυψέλης του κάθε ασύρματου δρομολογητή και N είναι ο αριθμός των υποδικτύων σε έναν τομέα. Έστω ότι v(x, y) είναι το διάνυσμα της ταχύτητας σε ένα σημείο A(x, y), όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 11. Εάν το σημείο A(x, y) ανήκει σε μια κλειστή διαδρομή C και ω είναι η γωνία που σχηματίζεται μεταξύ της ταχύτητας και του μοναδιαίου διανύσματος του κάθετου στην εφαπτομένη που διέρχεται από το σημείο A(x, y), τότε v n (x, y) = v(x, y) cos ω είναι η κανονικοποιημένη ταχύτητα του κινητού κόμβου που διέρχεται από το σημείο αυτό. Επομένως, αφού η κατεύθυνση της κίνησης κινητού κόμβου είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στο διάστημα (0, 2π), έχει αναμενόμενη τιμή 1 v(x, y) cos ω. Συνεπώς, ο αριθμός κινητών κόμβων N που διέρχονται από αυτό το 2π σημείο και εγκαταλείπουν την κλειστή διαδρομή C, δηλαδή για ω ( π, π ), και για 2 2 όλο το μήκος της κλειστής διαδρομής C είναι: 29

47 2πR π 2 N = ρ 0 π 2 = 2πR ρ v 1 v(x, y) cos ωdωdl 2π π 2 π 2 = 2πR ρ v π 1 cos ωdω 2π = 2 R ρ v (2.4) Τέλος για την εύρεση του ρυθμός διέλευσης κυψελών µ c για ένα κινητό χρήστη, διαιρούμε το συνολικό αριθμό κινητών κόμβων που εξέρχονται από την κυψέλη, προς τον συνολικό αριθμό κόμβων που περιλαμβάνονται σε αυτή και είναι ίσοι με ρ π R 2 : µ c = 2 R ρ v ρ π R 2 = 2 v π R (2.5) Εν συνεχεία, ο διατομεακός ρυθμός διέλευσης µ d και ο ενδοτομεακός ρυθμός διέλευσης µ s μπορούν να εκφραστούν ως εξής [26]. µ d = µ c N 1 και µ s = µ c (2.6) N N Υποθέτοντας ότι η διαδικασία άφιξης κλήσεων ακολουθεί μια κατανομή Poisson με παράμετρο λ s και βάσει της εξίσωσης 2.6, ο μέσος αριθμός των κινήσεων για κάθε τύπο από τους προηγούμενους ρυθμούς διέλευσης κατά τη διάρκεια μιας κλήσης ή συνόδου είναι: E(N c ) = µ c λ s, E(N d ) = µ d λ s και E(N s ) = µ s λ s (2.7) Τέλος, στην ανάλυσή μας, χρησιμοποιήθηκε ο λόγος συνόδου προς κινητικότητα (SMR - session to mobility ratio), ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος του ρυθμού άφιξης συνεδριών ως προς το ρυθμό κινητικότητας και είναι ο αντίστροφος του E(N c ). Αν η τιμή του λόγου συνόδου προς κινητικότητα είναι υψηλή, ο ρυθμός άφιξης συνεδριών είναι πιο σημαντικός παράγοντας από το ρυθμό κινητικότητας και συνεπώς η μείωση του κόστους παράδοσης πακέτων είναι προτιμότερη έναντι του κόστος σηματοδόσιας Ανάλυση Κόστους Σηματοδοσίας Το κόστος μετάδοσης ενός μηνύματος ελέγχου M μεταξύ των κόμβων X και Y μπορεί να εκφραστεί ως εξής: C M X,Y = a wl L p + a w L p (d X,Y 1). (2.8) όπου, a wl και a w είναι το μοναδιαίο κόστος μετάδοσης για το ασύρματο και το ενσύρματο μέσο αντίστοιχα, L p είναι το μήκος του μηνύματος σε δυφία και d X,Y είναι το πλήθος αλμάτων (hops) μεταξύ των κόμβων X και Y. Στην παρούσα ανάλυση, το κόστος επεξεργασίας του μηνύματος στους δρομολογητές θεωρείται αμελητέο. Το μήκος των μηνυμάτων δίνεται στον Πίνακα 1, ενώ οι δικτυακές παράμετροι στον Πίνακα 2. Όπως περιγράφηκε και στην Ενότητα 2.3, τα πρωτόκολλα HMIPv6 και PMIPv6 εκτελούν ενημερώσεις διάδεσης μόνο σε τοπικό επίπεδο για διελεύσεις εντός του ίδιου τομέα. Για διελεύσεις μεταξύ διαφορετικών τομέων, 30

48 Πίνακας 1: Μήκος Μηνυμάτων Σηματοδοσίας (σε bytes) Μήνυμα Μήκος Μήνυμα Μήκος Μήνυμα Μήκος Μήνυμα Μήκος AgSol 28 HoTI 64 BA (CN) 66 PBA 76 AgAdv 67 CoTI 64 BU (MAP) 56 HI 52 RReq 60 HoT 74 BA (MAP) 56 HAck 52 RRpl 56 CoT 74 FBU 56 PrRtSol 52 IPv6 40 BU (HA) 56 FBA 56 PrRtAdv 80 RtSol 52 BA (HA) 56 UNA 52 NbSol 52 RtAdv 80 BU (CN) 66 PBU 76 data 1460 Πίνακας 2: Παράμετροι Δικτύου Παράμετρος Τιμή Παράμετρος Τιμή Παράμετρος Τιμή d HA,AR 6 hops B wl 11 Mbps q 0.01 d HA,CN 4 hops B w 100 Mbps ϖ q 0.1 ms d CN,AR 9 hops L wl 10 ms v 10 m/s d HA,GW 4 hops L w 2 ms N 30 subnets d GW,AR 3 hops a wl R 150 m d par,nar 2 hops a w D L2 100 ms αν και δεν ορίζεται ρητά στα τρέχοντα πρότυπα, γίνεται δεκτό ότι χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο MIPv6. Συνεπώς, το μέσο κόστος σηματοδοσίας για τα τοπικά πρωτόκολλα κινητικότητας μεταξύ δύο διαδοχικών αφίξεων δίνεται από την εξίσωση: C overall = E(N s ) C local + E(N d ) C global (2.9) Προφανώς, τα καθολικά πρωτόκολλα κινητικότητας εκτελούν την ίδια διαδικασία ανεξάρτητα από τον τύπο της διέλευσης. Το μέσο κόστος σηματοδοσίας στην περίπτωση αυτή είναι: C overall = E(N c ) C global (2.10) Ως εκ τούτου, το κόστος σηματοδοσίας για την περίπτωση του MIPv6 και με χρήση της βελτιστοποίησης odad είναι: C MIP v6 = E(N c ) (C RtSol MN,AR + C RtAdv AR,MN + C NbSol MN,AR + C BU MN,HA + C BA HA,MN) MIP v6 = E(N c ) Csingle. (2.11) Με βάση την προηγούμενη ανάλυση, το κόστος σηματοδοσίας για το HMIPv6 είναι: C HMIP v6 = E(N s ) (C RtSol MN,AR + C RtAdv AR,MN + C NbSol MN,AR + C BU +C BA MN,MAP MIP v6 MAP,MN) + E(N d ) Csingle. (2.12) Σημειώνεται ότι στην περίπτωση του FMPIv6 δεν εκτελείται το πρωτόκολλο DAD, αλλά αντιθέτως ο δρομολογητής πρόσβασης έχει ένα προκαθορισμένο σύνολο διευθύνσεων διαδικτύου αποκλειστικά αφιερωμένες για αυτόν το σκοπό. Άρα το κόστος σηματοδοσίας είναι: 31

49 Σχήμα 12: Κόστος Σηματοδοσίας Συναρτήσει του SMR C F MIP v6 = E(N c ) (CMN,pAR P rrtsol + CpAR,MN P rrtadv + CMN,pAR F BU +CpAR,nAR HI + CnAR,pAR HAck + CpAR,MN F BA + CpAR,nAR F BA + CMN,nAR UNA +CMN,HA BU + CHA,MN) BA. (2.13) Στη περίπτωση του PMIPv6 το κόστος σηματοδοσίας μειώνεται σημαντικά σε: C P MIP v6 = E(N s ) (C RtSol MN,MAG + C P BU MAG,LMA + C P BA LMA,MAG + C RtAdv MAG,MN) Ενώ τέλος για την περίπτωση του PFMIPv6 είναι: C P F MIP v6 = E(N s ) (C HI pmag,nmag + C HAck nmag,pmag + C P BU +C P BA LMA,nMAG + C RtSol MN,nMAG + C RtAdv MIP v6 +E(N d ) Csingle. (2.14) nmag,lma MIP v6 nmag,mn) + E(N d ) Csingle. (2.15) Το Σχήμα 12 απεικονίζει το κόστος σηματοδοσίας της ενημέρωσης διάδεσης κατά τη διάρκεια της μεταπομπής ως συνάρτηση του λόγου συνόδου προς κινητικότητα με βάση την προηγούμενη ανάλυση. Όταν αυτός ο λόγος είναι μικρότερος από την μονάδα, ο ρυθμός διέλευσης κυψελών είναι μεγάλος, δηλαδή ο κινητός κόμβος εκτελεί συχνές μεταπομπές και το κόστος σηματοδοσίας αυξάνει. Καθώς μειώνεται ο ρυθμός κινητικότητας (δηλαδή ο μέσος αριθμός των εκτελούμενων μεταπομπών), το κόστος σηματοδοσίας μειώνεται σημαντικά. Το υψηλότερο κόστος σηματοδοσίας προκύπτει από τη βελτιστοποίηση δρομολόγησης σε MIPv6 λόγω της εκτεταμένης ανταλλαγής μηνυμάτων που επιβάλλεται από τη διαδικασία ανάκτησης δυνατότητας δρομολόγησης. Ωστόσο, όπως 32

50 θα δειχθεί στη συνέχεια στην Ενότητα 2.6.3, στη βελτιστοποίηση δρομολόγησης, το κόστος παράδοσης πακέτων μειώνεται σημαντικά όπως και η διατερματική καθυστέρηση μετάδοσης πακέτων. Αυτός είναι ένας αναπόφευκτος συμβιβασμός και ανταλλαγή που λαμβάνει χώρα για την ενεργοποίηση της απευθείας επικοινωνίας μεταξύ του κινητού κόμβου και του α- νταποκριτή κόμβου. Σημειώνεται ότι η διατερματική καθυστέρηση μετάδοσης πακέτων είναι μια κρίσιμη πτυχή σχετικά με τις ευαίσθητες χρονικά εφαρμογές όπως η μετάδοση ζωντανού βίντεο ή η επικοινωνία με φωνή μέσω διαδικτύου. Από την άλλη πλευρά, τα πρωτόκολλα τοπικής κινητικότητας επιτυγχάνουν το χαμηλότερο κόστος καθώς η σηματοδοσία μεταπομπής πραγματοποιείται τοπικά κατά τις ενδοτομεακές διελεύσεις. Ειδικότερα, το PMIPv6 επιτυγχάνει καλύτερες επιδόσεις από ό,τι το HMIPv6 καθώς δεν περιλαμβάνει μηνύματα που μεταδίδονται μέσω του ασύρματου καναλιού λόγω της διαστρωματικής αρχιτεκτονικής που προτείνει και επιτρέπει στο δίκτυο να γνωρίζει πότε πραγματοποιείται μια νέα σύνδεση. Τέλος, τα συστήματα ταχείας μεταπομπής αυξάνουν το κόστος της σηματοδοσίας σε σύγκριση με τα βασικά πρωτόκολλα γεγονός που οφείλονται στα νέα μηνύματα που εισάγουν για την προετοιμασία της επικείμενης μεταπομπής. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, αυτή η επιβάρυνση σε κόστος σηματοδοσίας ανταλλάσσεται για χαμηλότερη καθυστέρηση μεταπομπής και λιγότερες απώλειες πακέτων. Για άλλη μια φορά, η τοπική κινητικότητα (δηλαδή το PFMIPv6) αποδίδει καλύτερα από ό,τι η καθολική (δηλαδή το FMIPv6). Πιο συγκεκριμένα, το PFMIPv6 χειρίζεται τη κινητικότητα σε τοπικό επίπεδο και χωρίς να εμπλέκει τον κινητό κόμβο, αποτελώντας έτσι μια πολύ ελκυστική λύση Κόστος Παράδοσης Πακέτου Βάσει του κόστους παράδοσης πακέτων, τα πρωτόκολλα κινητικότητας μπορούν να ταξινομηθούν σε τρία σενάρια ανάλογα τη διαδρομή που χρησιμοποιείται για την αποστολή πακέτων στον κινητό κόμβο. Η πρώτη περίπτωση περιέχει όλα τα καθολικά πρωτόκολλα κινητικότητας χωρίς τη χρήση βελτιστοποίησης δρομολόγησης. Ως εκ τούτου, το σύνολο της κίνησης εκτρέπεται προς τον πάτριο πράκτορα και στη συνέχεια μεταφέρεται στον τελικό χρήστη. Αντίθετα, όταν χρησιμοποιείται η βελτιστοποίηση δρομολόγησης, η κίνηση παρακάμπτει τον πάτριο πράκτορα και τα δεδομένα ακολουθούν την απευθείας διαδρομή μεταξύ του κινητού κόμβου και του ανταποκριτή κόμβου. Τέλος, υπάρχει η περίπτωση της τοπικής κινητικότητας όπου η βελτιστοποίηση διαδρομής δεν μπορεί να εφαρμοστεί λόγω του γεγονότος ότι η τοπική διάδεση κρύβει την καθολική διεύθυνση διαδικτύου του κινητού κόμβου. Εξαιτίας τούτου, τα δεδομένα αρχικά κατευθύνονται προς τον πάτριο πράκτορα και στη συνέχεια διαβιβάζονται στον τοπικό αντιπρόσωπο της κινητικότητας πριν παραδοθούν στον κόμβο. Σύμφωνα με την προηγούμενη ανάλυση του κόστους σηματοδοσίας και με την παραδοχή ότι ο μέσος αριθμός πακέτων ανά συνεδρία είναι E(P ), το κόστος παράδοσης πακέτων για τα καθολικά πρωτόκολλα κινητικότητας χωρίς βελτιστοποίηση δρομολόγησης είναι: P C Global = E(P ) L p (C data CN,HA + C encap HA,MN ). (2.16) Με τη χρήση της διαδικασίας βελτιστοποίησης δρομολόγησης: P C RO = E(P ) L p C data CN,MN. (2.17) Και τέλος, για τα τοπικά πρωτόκολλα διαχείρισης κινητικότητας: P C Local = E(P ) L p (C data CN,HA + C encap HA,GW + Cencap GW,MN ). (2.18) 33

51 Σχήμα 13: Επίδραση του Μεγέθους Συνόδου στο Κόστος Παράδοσης Πακέτων Το Σχήμα 13 απεικονίζει το κόστος παράδοσης πακέτων ως συνάρτηση του μέσου μεγέθους των πακέτων της συνόδου. Ενώ σε όρους κόστους σηματοδοσίας, η τοπική κινητικότητα επιτυγχάνει καλύτερα αποτελέσματα, όσον αφορά το κόστος παράδοσης πακέτων και την επακόλουθη διατερματική καθυστέρηση μετάδοσης παρουσιάζει χειρότερη απόδοση. Αυτό συμβαίνει επειδή τα πακέτα δρομολογούνται μέσω του πάτριου πράκτορα και της τοπικής πύλης (GW - gateway), αντί να ακολουθούν τη βέλτιστη διαδρομή. Ωστόσο, καθώς η απόσταση μεταξύ του πάτριου πράκτορα και της τοπική πύλης αυξάνει, ο αντίκτυπος αυτής της τριγωνικής δρομολόγησης μειώνεται. Αντίθετα, η βελτιστοποίηση δρομολόγησης είναι η πιο αποτελεσματική λύση όσον αφορά τη μετρική του κόστους παράδοσης πακέτων, αν και έχει χειρότερη απόδοση σε σχέση με το κόστος σηματοδοσίας Καθυστέρηση Μεταπομπής Η καθυστέρηση μεταπομπής ορίζεται ως το χρονικό διάστημα μεταξύ της χρονικής στιγμής λήψης του τελευταίου πακέτου δεδομένων από τον προηγούμενο δρομολογητή έως τη χρονική στιγμή λήψης του πρώτου πακέτου από τον νέο δρομολογητή. Η καθυστέρηση μεταπομπής περιλαμβάνει τις διαδικασίες του στρώματος ζεύξης, του στρώματος δικτύου καθώς και το χρονικό διάστημα που απαιτείται για την μετάδοση του πρώτου πακέτου μέσω του ασύρματου καναλιού του νέου δρομολογητή. Οι καθυστερήσεις των επιμέρους διαδικασιών στην περίπτωση της οριζόντιας μεταπομπής λειτουργούν αθροιστικά για τα περισσότερα πρωτόκολλα διαχείρισης κινητικότητας με εξαίρεση τις βελτιστοποιήσεις ταχείας μεταπομπής. Στην τελευταία περίπτωση, η διαδικασία μεταπομπής του στρώματος δικτύου εκτελείται πριν από την αντίστοιχη του στρώματος ζεύξης και δεν συμμετέχει στην τελική καθυστέρηση. 34

52 Αντίθετα στην περίπτωση της κατακόρυφης μεταπομπής, η καθυστέρηση μεταπομπής εξαρτάται από τη συγκεκριμένη υλοποίηση πέραν του πρωτοκόλλου που χρησιμοποιείται, καθώς οι επιπλέον διεπαφές δημιουργούν εναλλακτικούς τρόπους στην εκτέλεση της σηματοδοσίας των πρωτοκόλλων. Είναι δυνατόν παραδείγματος χάριν, η ενεργή διεπαφή να μη σταματήσει να λαμβάνει δεδομένα μέχρι την πλήρη ολοκλήρωση της μεταπομπής από την καινούρια διεπαφή, πραγματοποιώντας μια ομαλή μεταπομπή με μηδενική καθυστέρηση. Μια τέτοια υλοποίηση πραγματοποιήθηκε και στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, την οποία παρουσιάζουμε στο Κεφάλαιο 6 ενώ παρόμοια παραδείγματα μπορούν να βρεθούν και στο πρότυπο MIH [19]. Εναλλακτικά, η καινούρια διεπαφή εκτρέπει την κυκλοφορία προς αυτή, με την ολοκλήρωση των διεργασιών του στρώματος ζεύξης. Σε αυτή την περίπτωση, η καθυστέρηση κατακόρυφης μεταπομπής είναι όση η καθυστέρηση οριζόντιας μεταπομπής μειωμένη κατά την καθυστέρηση που υπεισέρχεται από τις διεργασίες του στρώματος ζεύξης. Τέτοια παραδείγματα υπάρχουν τόσο στο πρότυπο ΜΙΗ όσο και στη διεθνή βιβλιογραφία [27]. Συνεπώς, η μελέτη της καθυστέρησης οριζόντιας μεταπομπής είναι αρκετή για τη σύγκριση των πρωτοκόλλων κινητικότητας καθώς και για την εξαγωγή συμπερασμάτων για την κατακόρυφη μεταπομπή. Στη συνέχεια πραγματοποιείται ανάλυση των πρωτοκόλλων κινητικότητας για την περίπτωση της οριζόντιας μεταπομπής και σύμφωνα με το μοντέλο ροής υγρού. Σύμφωνα με την επιστημονική εργασία [28], η μονόδρομη καθυστέρηση μετάδοσης, D s X,Y, μεταξύ των κόμβων X και Y υπολογίζεται από τον τύπο: DX,Y s = 1 q 1 + q ( s + L wl ) + (d X,Y 1) ( s + L w + ϖ q ) (2.19) B wl B w όπου, q είναι η πιθανότητα σφάλματος του ασύρματου καναλιού, ϖ q είναι η μέση καθυστέρηση στην ουρά του κάθε δρομολογητή που βρίσκεται μεταξύ των κόμβων X and Y, B wl, B w είναι το εύρος ζώνης και L wl, L w είναι η καθυστέρηση μετάδοσης του ασύρματου και ενσύρματου μέσου, αντιστοίχως. Οι τιμές των παραπάνω παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν για την παρούσα ανάλυση δίνονται στον Πίνακα 2. Κατά συνέπεια, η καθυστέρηση μεταπομπής για το MIPv6 χρησιμοποιώντας την βελτίωση του odad είναι: D MIP v6 = D L2 + D RtSol MN,AR + D RtAdv AR,MN + D BU MN,HA + D encap HA,MN. (2.20) Αν χρησιμοποιηθεί η διαδικασία βελτιστοποίησης δρομολόγησης και θεωρώντας ότι (d MN,HA + d HA,CN ) > d MN,CN τότε το κόστος σηματοδοσίας αυξάνει σε: D MIP v6ro = D MIP v6 + DMN,HA HoT I + DHA,CN HoT I +DCN,HA HoT + DHA,MN HoT + DMN,CN BU. (2.21) Όσον αφορά την καθυστέρηση μεταπομπής του HMIPv6 είναι: D HMIP v6 = D L2 + D RtSol MN,AR + D RtAdv AR,MN + D BU MN,MAP + D encap MAP,MN. (2.22) Στην περίπτωση της ταχείας μεταπομπής με πρόβλεψη, η καθυστέρηση μεταπομπής μειώνεται σε: D F MIP v6 = D L2 + D UNA MN,nAR + D encap nar,mn. (2.23) Για το πρωτόκολλο PMIPv6 η καθυστέρηση μεταπομπής είναι: D P MIP v6 = D L2 + D P BU MAG,LMA + D encap LMA,MAG + Ddata MAG,MN. (2.24) 35

53 Disruption Time (sec) 1,5 1 0,5 DT_MIPv6 DT_MIPv6-RO DT_HMIPv6 DT_FMIPv6 DT_PMIPv6 DT_PFMIPv ,2 0,4 0,6 0,8 1 SMR Σχήμα 14: Επίδραση του SMR στο Διάστημα Διακοπής της Υπηρεσίας Τέλος, όσον αφορά το πρωτόκολλο PFMIPv6: D P F MIP v6 = D L2 + D encap nar,mn. (2.25) Μετά τον υπολογισμό της καθυστέρησης μεταπομπής για κάθε πρωτόκολλο, ο χρόνος διακοπής που υπεισέρχεται από τη διαδικασία μεταπομπής κατά το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών συνόδων μπορεί να εξαχθεί χρησιμοποιώντας το μοντέλο του ροής ρευστού. Παρόμοια με την Ενότητα 2.6.3, ο χρόνος διακοπής για ένα καθολικό πρωτόκολλο κινητικότητας, GP, είναι: DT GP = E(N c ) D GP, (2.26) ενώ για ένα τοπικό πρωτόκολλο, LP, δίνεται από τη σχέση: DT LP = E(N s ) D LP + E(N d ) D MIP v6. (2.27) Το Σχήμα 14 δείχνει το διάστημα διακοπής της υπηρεσίας που υπεισέρχεται από την καθυστέρηση μεταπομπής μεταξύ των συνεδριών ως συνάρτηση του SMR. Όπως φαίνεται, καθώς αυξάνει ο λόγος SMR (δηλαδή μειώνεται ο ρυθμός κινητικότητας) ο χρόνος διακοπής μειώνεται σημαντικά. Η βελτιστοποίηση δρομολόγησης στο MIPv6 έχει τις υψηλότερες τιμές για το διάστημα διακοπής της υπηρεσίας, λόγω του χρόνου που απαιτείται για να ολοκληρωθεί η διαδικασία ανάκτησης της δυνατότητας δρομολόγησης. Αντίθετα, τα πρωτόκολλα ταχείας μεταπομπής μειώνουν σημαντικά την καθυστέρηση μεταπομπής και την επακόλουθη διακοπή της υπηρεσίας. Αυτό είναι αποτέλεσμα του 36

54 ότι τα δεδομένα ανακατευθύνονται στη νέα θέση του κινητού κόμβου, πριν αυτός βρεθεί σε αυτή, παραδίδοντας του αυτά τα πακέτα με την ανίχνευση της αποκατάστασης της νέας ζεύξης από το νέο δρομολογητή πρόσβασης. Για άλλη μια φορά, η λύση που δεν εμπλέκει τον κινητό κόμβο (δηλαδή το PFMIPv6) έχει την καλύτερη απόδοση δεδομένου ότι δεν εισάγει καμία σηματοδοσία μεταξύ του κινητού κόμβου και του δικτύου πρόσβασης. Τέλος, η απόδοση των πρωτοκόλλων τοπικής κινητικότητας βρίσκεται ενδιάμεσα των βασικών και αυτών της ταχείας μεταπομπής. Αυτό είναι και πάλι συνέπεια του ότι οι μεταπομπές που συμβαίνουν σε τοπικό επίπεδο μειώνουν σημαντικό την καθυστέρηση οριζόντιας μεταπομπής χωρίς να επιτυγχάνουν βέβαια την απόδοση της ταχείας μεταπομπής. 2.7 Συμπεράσματα Σε αυτό το κεφάλαιο έγινε μια συνοπτική παρουσίαση των υποψήφιων πρωτοκόλλων διαχείρισης κινητικότητας σε διάφορα στρώματα της στοίβας πρωτοκόλλων. Επικεντρωθήκαμε σε λύσεις του στρώματος δικτύου καθώς είναι η φυσική θέση για τη διαχείριση κινητικότητας καθώς επίσης παρουσιάζει και βελτιστοποιήσεις με ικανοποιητική απόδοση καθυστέρησης μεταπομπής ακόμη και για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Παρουσιάσαμε επίσης και το μεγαλύτερο μέρος αυτών των επεκτάσεων και βελτιστοποιήσεων προχωρώντας στη συνέχεια στην αναλυτική τους σύγκριση. Η σύγκριση αυτή δεν περιορίστηκε μόνο στη βασική μετρική της καθυστέρησης μεταπομπής αλλά επεκτάθηκε και στο κόστος σηματοδοσίας των πρωτοκόλλων αλλά και στο κόστος παράδοσης πακέτων. Μάλιστα η μελέτη αυτή έγινε υπό το πρίσμα της κινητικότητας του χρήστη μέσω του μοντέλου ροής υγρού, καθώς η κινητικότητα είναι μια βασική παράμετρος για τα ετερογενή δίκτυα τα οποία περιλαμβάνουν συνυπάρχουσες ασύρματες τεχνολογίες με διαφορετικού μεγέθους περιοχές κάλυψης οδηγώντας σε συχνότερες μεταπομπές. Τα ευρήματα μας συνοψίζονται στα εξής: Τα πρωτόκολλα καθολικής κινητικότητας δίνουν μια συνολική λύση με μέτριο κόστος σηματοδοσίας και κόστος παράδοσης πακέτου αλλά παρουσιάζουν μεγάλη καθυστέρηση μεταπομπής. Η χρήση του συνεπώς θα πρέπει να περιορίζεται σε διατομεακές μεταπομπές τις οποίες δεν υποστηρίζουν τα πρωτόκολλα τοπικής κινητικότητας και κάνοντας χρήση βελτιστοποιήσεων όπως η ταχεία μεταπομπή. Τα πρωτόκολλα τοπικής μεταπομπής μειώνουν σημαντικά το κόστος σηματοδοσίας αφού η διαδικασία πραγματοποιείται τοπικά, έχουν μέτρια καθυστέρηση μεταπομπής αλλά με τον κατακερματισμό του τομέα σε επιμέρους υποδίκτυα τα πακέτα δεν δρομολογούνται μέσω της βέλτιστης διαδρομής αυξάνοντας το κόστος παράδοσης πακέτων. Είναι συνεπώς ενδιαφέρουσες λύσεις αλλά πρέπει να δοθεί προσοχή στο σχεδιασμό τους ώστε να χρησιμοποιείται ο βέλτιστος αριθμός επιπέδων ιεράρχησης για ταχύτερη μετάδοση των πακέτων. Η βελτιστοποίηση της ταχείας μεταπομπής είναι άλλη μια υποσχόμενη λύση, η οποία μειώνει σημαντικά την καθυστέρηση μεταπομπής με μικρή αύξηση του κόστος σηματοδοσίας καθώς αυτή πραγματοποιείται μεταξύ γειτονικών κόμβων. Η βελτιστοποίηση δρομολόγησης εισάγει σημαντική αύξηση στο κόστος σηματοδοσίας, καθώς παρουσιάζει και σημαντικά μειονεκτήματα ασφαλείας. Για το λόγο αυτό σε για περιπτώσεις όπου η διατερματική καθυστέρηση δεν υπερβαίνει τα καθορισμένα όρια δε θα προτείναμε τη χρήση της. 37

55 Λαμβάνοντας αυτά υπ όψιν θεωρήσαμε ως πιο ελκυστικές τις λύσεις της ταχείας μεταπομπής, της οποίας την απόδοση σε εφαρμογή πραγματικού χρόνου μελετάμε διεξοδικά στο επόμενο κεφάλαιο, καθώς και του PMIP, μεταπομπές του οποίου μελετήσαμε, αναπτύξαμε και υλοποιήσαμε σε εξομοιωτή δικτύων τέταρτης γενιάς, την απόδοση των οποίων παρουσιάζουμε στο Κεφάλαιο 6. 38

56 Σκοπός του τρέχοντος κεφαλαίου είναι η μελέτη της διαχείρισης κινητικότητας σε συνδυασμό με την εφαρμογή μετάδοση φωνής μέσω του πρωτοκόλλου του διαδικτύου. Στο Κεφάλαιο 2 καταλήξαμε μέσω ανάλυσης ότι η ταχεία μεταπομπή είναι μια πολλά υποσχόμενη λύση με κύρια χαρακτηριστικά της τη διαστρωματική αρχιτεκτονική και τη χαμηλή καθυστέρηση μεταπομπής. Για να αποκτήσουμε βαθύτερη γνώση του πρωτοκόλλου αλλά κυρίως για να μπορέσουμε να αξιολογήσουμε την απόδοση του με όρους ποιότητας της υπηρεσίας, το υλοποιήσαμε σε προσομοιωτή δικτύων και μελετήσαμε τη συμπεριφορά του βάσει της εφαρμογής μετάδοση φωνής μέσω του πρωτοκόλλου του διαδικτύου. Στη συνέχεια δίνεται μια λεπτομερής περιγραφή αυτής της διαδικασίας, παρουσίαση και σχολιασμός των αποτελεσμάτων και τέλος πραγματοποιείται η εξαγωγή των συμπερασμάτων. 3.1 Εισαγωγή Λόγω του χαμηλού κόστους εγκατάστασης των απαιτούμενων υποδομών (σημεία πρόσβασης) και του υψηλού ρυθμού δεδομένων που υποστηρίζουν τα ασύρματα τοπικά δικτύα (WLAN - wireless local area networks) τεχνολογίας IEEE έχουν γίνει μια διαδεδομένη ασύρματη τεχνολογία όχι μόνο για ιδιωτικούς χώρους αλλά και για δημόσιους, όπως οι δημόσιες θερμές κηλίδες (hotspots). Η σημασία μιας αποτελεσματικής διαχείρισης κινητικότητας σε δίκτυα WLAN αυξάνει καθώς η κάλυψη των σημείων πρόσβασης τεχνολογίας είναι πολύ μικρότερη από εκείνη των σταθμών βάσης των δικτύων κινητής τηλεφωνίας με αποτέλεσμα να οδηγεί σε πιο συχνές μεταπομπές. Μέσω της επίτευξης αδιάλειπτης στήριξης της κινητικότητας, τα WLAN συμπληρώνουν τα κυψελοειδή δίκτυα και υλοποιούν το όραμα των ετερογενών δικτύων κινητής τηλεφωνίας τέταρτης γενιάς (4G - fourth generation). Μια βασική εφαρμογή, η οποία επωφελείται από τα δίκτυα τέταρτης γενιάς είναι η μετάδοση φωνής μέσω του πρωτοκόλλου του διαδικτύου. Αυτή η εφαρμογή θεωρείται ότι είναι μια ανταγωνιστική εναλλακτική λύση στη συμβατική σύνδεση μέσω δημόσιου τηλεφωνικού δικτύου μεταγωγής (PSTN - public switched telecommunication network). Η πρόκληση για την παροχή υπηρεσιών φωνής μέσω του αναξιόπιστου και 39

57 ασυνδεσιστρεφούς διαδικτύου είναι να υποστηρίζει την απαιτούμενη ποιότητα παρεχομένων υπηρεσιών, προκειμένου να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του τελικού χρήστη. Μια ποικιλία από κωδικοποιητές ομιλίας (codecs) με διαφορετικά χαρακτηριστικά έχουν προταθεί για την υποστήριξη της εφαρμογής VoIP. Ένας τρόπος για την αξιολόγηση της ποιότητας της ομιλίας είναι μέσω υποκειμενικής αξιολόγησης, όπου οι ακροατές μιας ομάδας αξιολογούν, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, την υπηρεσία. Από την άλλη πλευρά, η αντικειμενική αξιολόγηση χρησιμοποιεί την παραμόρφωση κωδικοποίησης και τις παραμέτρους του δικτύου (διατερματική καθυστέρηση, διακύμανση καθυστέρησης, απώλεια πακέτων) για να αξιολογήσει την αντιλαμβανόμενη ποιότητα της εφαρμογής VoIP. Μια τυποποιημένη μέθοδος για την εκτίμηση της ικανοποίησης του χρήστη είναι το E-Model [29], το οποίο έχει καθοριστεί από τη διεθνή ένωση τηλεπικοινωνιών (ITU - international telecommunication union) για να βοηθήσει τον σχεδιασμό δικτύων αξιολογώντας την απόδοσή τους. Κατά συνέπεια, η αξιολόγηση πρωτοκόλλων διαχείρισης κινητικότητας μέσω του E- Model για την υποστήριξη της εφαρμογής VoIP έχει μεγάλη σημασία για τα δίκτυα τέταρτης γενιάς. Το μεγαλύτερο κομμάτι από την έως τώρα πραγματοποιηθείσα επιστημονική έρευνα με θέμα τη διαχείριση κινητικότητας εστίασε κυρίως είτε σε μετρητικές του στρώματος δικτύου, όπως αυτή που πραγματοποιήθηκε στο Κεφάλαιο 2, είτε σε ένα συγκεκριμένο κωδικοποιητή VoIP. Επιπλέον, το αποτέλεσμα της αντιλαμβανόμενης ποιότητας παρεχομένων υπηρεσιών της εφαρμογής VoIP για τους κινητούς χρήστες ε- ξαρτάται από τη συνολική αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων της υπό μελέτης υλοποίησης. Ως εκ τούτου, μια εις βάθος κατανόηση και ολοκληρωμένη αξιολόγηση των μεταβαλλόμενων συνθηκών είναι απαραίτητες για την αποτελεσματική αξιολόγηση του επιπέδου της επιτευχθείσας ποιότητας υπηρεσιών. Συνεπώς, σε αυτό το κεφάλαιο, παρουσιάζεται η πραγματοποιηθείσα μελέτη της απόδοσης της σημαντικής λύσης για τη διαχείριση κινητικότητας, όπως προέκυψε και από το Κεφάλαιο 2, της ταχείας μεταπομπής αλλά υπό το πρίσμα της εφαρμογής πραγματικού χρόνο VoIP. Αυτή η αξιολόγηση πραγματοποιείται για ένα μεγάλο φάσμα πιθανών παραμετροποιήσεων τόσο από πλευράς στρώματος δικτύου όσο και εφαρμογής κάνοντας χρήση του E-Model. 3.2 Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Στην επιστημονική εργασία [30] αξιολογείται αναλυτικά και για διάφορες παραμετροποιήσεις δικτύων η καθυστέρηση μεταπομπής του πρωτοκόλλου ταχείας μεταπομπής για δίκτυα IPv4, το LLH, το οποίο περιγράψαμε στην Ενότητα Τα αποτελέσματα ανέδειξαν το άνω όριο για την καθυστέρηση μετάδοσης μεταξύ των εμπλεκομένων δικτυακών οντοτήτων, για το οποίο το πρωτόκολλο LLH μπορεί να υποστηρίξει υπηρεσίες πραγματικού χρόνου. Ωστόσο, σε αυτή την ανάλυση, οι καθυστερήσεις μετάδοσης μεταξύ των διάφορων δικτυακών μονάδων λαμβάνουν σταθερές τιμές. Στην επιστημονική εργασία [31] διερευνήθηκε η απόδοση του πρωτοκόλλου LLH μέσω ανάλυσης και προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την ανάλυση προσφέρουν μια εκτίμηση του αναμενόμενου αριθμού των χαμένων πακέτων και της τιμής της διατερματικής καθυστέρησης πακέτων κατά τη διάρκεια της μεταπομπής. Η προσομοίωση επικέντρωσε κυρίως στη μέγιστη χρήση του ενδιάμεσου καταχωρητή (buffer) των σημείων πρόσβασης καθώς και της διεκπεραίωσης (throughput) του πρωτοκόλλου TCP κατά τη διάρκεια της μεταπομπής. Στην επιστημονική εργασία [32] διεξήχθησαν πειράματα του σεναρίου της μεταπομπής με πρόβλεψη, η οποία στην περίπτωση του πρωτοκόλλου LLH καλείται πρόωρη 40

58 καταχώρηση. Σκοπός ήταν η μέτρηση της καθυστέρησης μεταπομπής και των απωλειών σε πακέτα για σταθερό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το πρωτόκολλο LLH θα μπορούσε να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της εφαρμογής VoIP όσον αφορά την καθυστέρηση μεταπομπής. Παρά το γεγονός ότι όλες οι προηγούμενες εργασίες είχαν ως κίνητρο το όραμα της παροχής υπηρεσιών πραγματικού χρόνου μέσω του διαδικτύου, λίγη έρευνα έχει γίνει σχετικά με τον αντίκτυπο του πρωτοκόλλου LLH στην απόδοση τέτοιων εφαρμογών όπως η VoIP. Επιπλέον, μέχρι πριν την εργασίας μας [33], δεν είχαν παρουσιαστεί αποτελέσματα της απόδοσης της αντιλαμβανόμενης ποιότητας της υπηρεσίας μετάδοσης φωνής για την περίπτωση της ταχεία μεταπομπής από τον τελικό χρήστη. Συνεπώς, η εργασία μας αυτή, τα αποτελέσματα της οποίας θα παρουσιάσουμε στη συνέχεια, είναι η πρώτη μελέτη που εξήγαγε αποτελέσματα για την απόδοση της ταχείας μεταπομπής, χρησιμοποιώντας διάφορους κωδικοποιητές φωνής και το E-Model για να εκτιμήσει την αντιλαμβανόμενη ποιότητα των παρεχομένων υπηρεσιών φωνής. Αυτή η μετάβαση από μετρικές του στρώματος δικτύου σε μελέτη της αντιλαμβανόμενης ποιότητας εφαρμογών πραγματικού χρόνου θεωρείται σημαντική και υποχρεωτική κατά τη γνώμη μας για την αξιολόγηση του πρωτοκόλλου LLH και κατ επέκταση της ιδέας της ταχείας μεταπομπής. 3.3 Φωνή μέσω του Πρωτοκόλλου του Διαδικτύου Η VoIP είναι μια πολλά υποσχόμενη εφαρμογή για την υπηρεσία παροχής φωνής μέσω δικτύων μεταγωγής πακέτων όπως το διαδίκτυο. Τα βασικά στάδια της μετάδοσης φωνής μέσω του διαδικτύου είναι τα ακόλουθα. Αρχικά το αναλογικό σήμα φωνής διαμορφώνεται και συμπιέζεται σε χαμηλού ρυθμού ροή δεδομένων από τον κωδικοποιητή στο μικρόφωνο. Έπειτα, το παραγόμενο ωφέλιμο φορτίο εισάγεται σε πακέτα για παράδοση στη διεύθυνση προορισμού. Κατά τη λήψη στην πλευρά του ακροατή εκτελούνται οι ίδιες διεργασίες με την αντίστροφη σειρά Κωδικοποίηση Φωνής Διάφοροι κωδικοποιητές έχουν τυποποιηθεί για τη συμπίεση φωνής, που διαφέρoυν ως προς τον ρυθμό μετάδοσης και την αντιλαμβανόμενη ποιότητα φωνής. Το ITU H.323 [34] είναι ένα πρότυπο για επικοινωνίες πολυμέσων μέσω δικτύων πακετομεταγωγής. Οι κωδικοποιητές ήχου που χρησιμοποιούνται σε αυτό το πρότυπο είναι, μεταξύ άλλων, ο G.711 και ο G.729. Ο κωδικοποιητής G.711 είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος κωδικοποιητής σε εφαρμογές VoIP και συχνά χρησιμοποιείται ως αναφορά. Ο G.711 χρησιμοποιεί παλμοκωδική διαμόρφωση (PCM - pulse code modulation) με περίοδο δειγματοληψίας 20 ms, η οποία οδηγεί σε ένα ρυθμό μετάδοσης 64 kbps. Ο κωδικοποιητής έχει πολύ χαμηλή αλγοριθμική πολυπλοκότητα και κατά συνέπεια υψηλή χρήση του εύρους ζώνης, επιτυγχάνοντας παράλληλα πολύ καλή ποιότητα ομιλίας. Ο κωδικοποιητής G.729A είναι μια συμβατή επέκταση του κωδικοποιητή G.729, αλλά απαιτεί λιγότερη υπολογιστική ισχύ. Ο G.729A χρησιμοποιεί αλγεβρική κωδικοδιεγειρόμενη γραμμική πρόβλεξη (ACELP - algebraic code excited linear prediction) με σταθερής δομής βιβλίο αλγεβρικών κωδίκων. Ο κωδικοποιητής λειτουργεί με σταθερά πλαίσια ομιλίας των 10 ms που αντιστοιχούν σε ένα ρυθμό μετάδοσης 8 kbps. Το παγκόσμιο σύστημα κινητών επικοινωνιών (GSM - global system for mobile communication) είναι το ευρωπαϊκό πρότυπο για κυψελοειδείς ψηφιακές επικοινωνίες. Το GSM χρησιμοποιεί κωδικοποιητές για να συμπιέσει το σήμα ομιλίας, διατηρώντας μια ικανοποιητική 41

59 ποιότητα του αποκωδικοποιημένου σήματος. Μεταξύ των τριών προτεινόμενων κωδικοποιητών ομιλίας του προτύπου είναι και ο ολόρυθμος κωδικοποιητής (FR - full rate), ο οποίος ανήκει στην κατηγορία διέγερσης κανονικών παλμών με μακροπρόθεσμη πρόλεξη (RPE-LTP - regular pulse excitation - long term prediction). Σε αυτή την περίπτωση, ένα πλαίσιο των 20 ms κωδικοποιείται ως ένα μπλοκ των 260 δυφίων, που οδηγεί σε ρυθμό μετάδοσης μικρότερο των 13 kbps Ανίχνευση Φωνητικής Δραστηριότητας Επιπλέον, κατά το στάδιο της κωδικοποίησης, είναι δυνατή η τεχνική της καταστολής σιγής μέσω της διαδικασία ανίχνευσης φωνητικής δραστηριότητας (VAD - voice activity detection). Καθώς η επικοινωνία μέσω φωνής είναι κυρίως ημιαμφίδρομη λαμβάνοντας υπ όψιν ότι μόνο η μία πλευρά μιλάει σε μια δεδομένη στιγμή, η διεργασία VAD μπορεί να μειώσει σημαντικά τους απαιτούμενους πόρους για τη μετάδοση φωνής. Στο άλλο άκρο της επικοινωνίας, ο αποκωδικοποιητής θα παράγει αντίστοιχης χρονικής διάρκειας λευκό θόρυβο για τις περιόδους σιγής. Στο τέλος, ένας ενδιάμεσος καταχωρητής αναπαραγωγής (playout buffer) υλοποιείται στον δέκτη για να αντισταθμίσει τη διακύμανση της διατερματικής καθυστέρησης μετάδοσης πακέτων. Αυτός ο καταχωρητής αποθηκεύει προσωρινά τα εισερχόμενα πακέτα πριν από την αναπαραγωγή τους, επιτρέποντας στα πιο αργά πακέτα να φτάνουν εντός χρονικών ορίων και να αναπαράγονται με σωστή σειρά. Η ITU στις οδηγίες της G.114 [35] θεωρεί ως αποδεκτή τιμή μονόδρομης καθυστέρησης τιμές μεταξύ 0 και 150 ms για τις εφαρμογές φωνής. Συνεπώς, αυτή η περιοχή τιμών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα σταθερού μεγέθους ενδιάμεσο καταχωρητή αναπαραγωγής. Υπάρχουν, επίσης, προσαρμοζόμενα συστήματα ενδιάμεσων καταχωρητών αναπαραγωγής, όπου το μέγεθος του καταχωρητή μεταβάλλεται ανάλογα με τις υπάρχουσες συνθήκες στο δίκτυο. Αυτές τις λύσεις θα τις παρουσιάσουμε στο Κεφάλαιο 4, ενώ θα προτείνουμε και ένα δικό μας προσαρμοστικό αλγόριθμο αναπαραγωγής που λαμβάνει υπ όψιν του και τη διαδικασία της μεταπομπής σε μια διαστρωματική αρχιτεκτονική. Στη συνέχεια αυτού του κεφαλαίου θα θεωρήσουμε ένα σταθερό καταχωρητή αναπαραγωγής ως μια πιο γενική λύση για την εξαγωγή συγκριτικών αποτελεσμάτων E-Model Η πολυπλοκότητα αναλυτικής προσέγγισης των σύγχρονων δικτύων οφείλεται στην αλληλεπίδραση πολλών παραμέτρων κατά τη μετάδοση. Το E-Model, που ορίζεται στις οδηγίες της ITU-T G.107 [29], είναι ένα υπολογιστικό μοντέλο που προσπαθεί να ερμηνεύσει την επίδραση όλων αυτών των παραμέτρων. Το αποτέλεσμα του E-model είναι ένα βαθμωτό μέγεθος που αξιολογεί την ποιότητα της επικοινωνίας και ονομάζεται R-factor. Το εύρος τιμών του R-factor βρίσκεται εντός του εύρους τιμών 0 έως 100, που αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα την εξαιρετικά κακή και την πολύ υψηλής ποιότητας επικοινωνία. Επιπλέον, ο R-factor παρέχει μία στατιστική εκτίμηση της ποιότητας της επικοινωνίας και μπορεί να μετατραπεί σε υποκειμενικές μετρικές, προβλέποντας ουσιαστικά τον βαθμό ικανοποίησης του χρήστη. Ένα τέτοιο υποκειμενικό μέτρο είναι η μέση βαθμολογία γνώμης (MOS - mean opinion score), η οποία βρίσκεται στην κλίμακα από 1 έως 5 και έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς στον σχεδιασμό δικτύων μετάδοσης φωνής. Ο Πίνακας 3 συνοψίζει τη σχέση μεταξύ του R-factor, του MOS και της ικανοποίησης των χρηστών. Ο συντελεστής R δίνεται από τον παρακάτω τύπο: R = R o I d I s I ef A (3.1) 42

60 Πίνακας 3: Σχέση R-factor και MOS R-factor MOS Ικανοποίηση Χρήστη πολύ ικανοποιημένοι ικανοποιημένοι μερικοί χρήστες δυσαρεστημένοι πολλοί χρήστες δυσαρεστημένοι σχεδόν όλοι δυσαρεστημένοι δε συνιστάται για χρήση Το R o είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο και αντιπροσωπεύει πηγές θορύβου, όπως ο θόρυβος κυκλώματος και ο θόρυβος δωματίου και στα δύο άκρα της επικοινωνίας. Ο συντελεστής ταυτόχρονης απομείωσης I s είναι ένας συνδυασμός όλων των αλλοιώσεων οι οποίες εμφανίζονται περισσότερο ή λιγότερο ταυτόχρονα με το σήμα της φωνής, όπως η παραμόρφωση κβαντισμού. Καμία από αυτές τις παραμέτρους δεν είναι συνάρτηση των αλλοιώσεων που υπεισέρχονται από το δίκτυο. Ο συντελεστής αλλοίωσης λόγω καθυστέρησης I d εισάγει την επίδραση της ηχούς από την πλευρά τόσο του ομιλητή όσο και του ακροατή στην ποιότητα της φωνής και εξαρτάται μόνο από την καθυστέρηση του δικτύου. Ο παράγοντας μη αποτελεσματικής λειτουργίας του εξοπλισμού I ef αντιπροσωπεύει αλλοιώσεις που προκαλούνται από κωδικοποιητές χαμηλού ρυθμού. Περιλαμβάνει επίσης αλλοιώσεις που οφείλονται σε τυχαία κατανεμημένες απώλειες πακέτων. Η τιμή του I ef βασίζεται σε αποτελέσματα δοκιμών μέσης βαθμολογίας γνώμης. Τέλος, ο συντελεστής A χρησιμοποιείται αντισταθμιστικά καθώς οι κινητοί χρήστες έχουν την τάση να ανεχθούν χαμηλότερης ποιότητας υπηρεσίες με αντάλλαγμα την παροχή μεγαλύτερης κινητικότητας. Ο παράγοντας αυτός αντισταθμίζει την επίδραση των παραγόντων απομείωσης όταν υπάρχουν και άλλα πλεονεκτήματα από την κινητικότητα του χρήστη και η τιμή του κυμαίνεται από 0, για τα συμβατικά ενσύρματα συστήματα, έως 20, για τις πιο δυσπρόσιτες τοποθεσίες. Οι προαναφερθείσες αλλοιώσεις μετάδοσης δρουν αθροιστικά και μόνο οι I d και I s επηρεάζονται από το υποκείμενο δίκτυο. Για τον λόγο αυτό, στην επιστημονική εργασία [36] χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις αυτών των παραγόντων για να εξαχθούν οι ακόλουθες απλές μαθηματικές εκφράσεις, οι οποίες εξαρτώνται μόνο από την κατάσταση του δικτύου. I d = d (d 177.3) u(d 177.3) (3.2) I ef = { 30 ln(1 + 15e), for G.711 (3.3) ln(1 + 10e), for G.729 (3.4) όπου, d είναι η μέση τιμή της μονόδρομης στοματοπροσωτικής καθυστέρησης, u( ) είναι η βηματική συνάρτηση και e είναι η συνολική πιθανότητα απώλειας πακέτων. 3.4 Ασύρματα δίκτυα IEEE Το IEEE [23] είναι ένα σύνολο προτύπων που λειτουργεί σε ελεύθερη ζώνη συχνοτήτων που διατίθεται για βιομηχανική, επιστημονική και ιατρική χρήση (ISM - industrial, scientific and medical use), και η οποία καθιστά εύκολη και αποδοτική την ανάπτυξη τέτοιων δικτύων. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα, τη διάδοση των WLAN 43

61 καθιστώντας τα υποψήφια για την παροχή υπηρεσιών πολυμέσων σε κινητούς χρήστες. Το IEEE εισάγει δύο τρόπους λειτουργίας, την «επί τούτω» (ad hoc) και τη λειτουργία με χρήση υποδομών. Στην επί τούτω λειτουργία, όλοι οι ασύρματοι κόμβοι οι οποίοι βρίσκονται εντός εμβέλειας επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους κάνοντας χρήση ενός πρωτοκόλλου ελέγχου πρόσβασης κατανεμημένου μέσου. Στη λειτουργία υποδομής, οι σταθμοί επικοινωνούν με άλλους χρήστες μέσω ενός σημείου πρόσβασης (AP - access point), το οποίο χρησιμεύει και στη σύνδεση των σταθμών με το διαδίκτυο. Στη συνέχεια θα αναπτυχθούν ορισμένες βασικές πτυχές για την ακριβή προσομοίωση των δικτύων. Το υποχρεωτικό πρωτόκολλο για τον έλεγχο του μέσου πρόσβασης (MAC - medium access control) για την τεχνολογία είναι η λειτουργία κατανεμημένου συντονισμού (DCF - distributed coordination function). Η DCF βασίζεται στην πολλαπλή πρόσβαση με επαίσθηση φέρουσας με λειτουργία αποφυγής συγκρούσεων (CSMA/CA - carrier sense multiple access with collision avoidanvce) σε συνδυασμό με εκθετική υποχώρηση και α- νταλλαγή μηνυμάτων ελέγχου (RTS/CTS), προκειμένου να δεσμευτεί το μέσο και να μεταδοθούν μεγάλα πακέτα. Επιπλέον, μετά την επιτυχή λήψη του πακέτου ο σταθμός που το έλαβε πρέπει να μεταδώσει ένα πακέτο επιβεβαίωσης (ACK - acknowledgment). Εάν ένα πακέτο ACK δεν ληφθεί εντός συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος, ο αποστολέας αναμεταδίδει το πακέτο. Το πρότυπο καθορίζει δύο τιμές για το όριο επαναμεταδόσεων, το σύντομο και το εκτεταμένο. Ένα πακέτο που φτάνει το όριο επαναμεταδόσεων απορρίπτεται από το υπόστρωμα MAC. Το σύντομο όριο χρησιμοποιείται για τα πλαίσια των οποίων το μέγεθος είναι μικρότερο ή ίσο με το όριο RTS. Τυπικές τιμές για αυτά τα όρια είναι 7 επαναμεταδόσεις για το εκτεταμένο και 4 για το σύντομο. Το πρότυπο b λειτουργεί και αυτό στη ζώνη ISM των 2,4 GHz και χρησιμοποιεί 11 από τα 14 διαθέσιμα κανάλια. Τα γειτονικά κανάλια διαχωρίζονται με απόσταση 5 MHz. Δεδομένου ότι το πρωτόκολλο απαιτεί απόσταση 25 MHz μεταξύ των καναλιών των γειτονικών σημείων πρόσβασης, έτσι ώστε να μην υπάρχουν σημαντικές παρεμβολές, είναι απαραίτητο ένα διάκενο 5 καναλιών. Ο συνηθέστερος χρησιμοποιούμενος συνδυασμό μη επικαλυπτόμενων καναλιών είναι αυτός των καναλιών 1, 6 και 11. Όταν ο κινητός κόμβος κινείται έξω από την περιοχή κάλυψης του σημείου πρόσβασης που τον εξυπηρετεί, πρέπει να σαρώσει το μέσο για ένα άλλο διαθέσιμο σημείο πρόσβασης. Αυτό γίνεται από το υπόστρωμα MAC, το οποίο εισέρχεται σε λειτουργία σάρωσης αλλάζοντας κανάλι λειτουργίας και παραμένοντας σε ένα νέο για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Η σάρωση μπορεί να είναι είτε παθητική είτε ενεργητική. Στην παθητική λειτουργία, ο κινητός κόμβος αφουγκράζεται το μέσο και περιμένει να λάβει ένα ειδικό μήνυμα από το σημείο πρόσβασης, το οποίο ονομάζεται ραδιοφάρος (beacon). Στην ενεργητική λειτουργία ο κινητός κόμβος μεταδίδει ένα πλαίσιο αίτησης έρευνας και αναμένει μια απάντηση από κάποιο πιθανόν διαθέσιμο σημείο πρόσβασης, το οποίο λειτουργεί σε αυτό το κανάλι. Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα μια διαδικασία αμφίδρομης χειραψίας, που πραγματοποιεί έλεγχο ταυτότητας και σύνδεση, ολοκληρώνοντας τη μεταπομπή στο στρώμα ζεύξης δεδομένων. Τέλος, ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας για την προσομοίωση των WLAN είναι και το μέγεθος του ενδιάμεσου καταχωρητή στο σημείο πρόσβασης. Αυτός ο παράγοντας είναι ζωτικής σημασίας για την απώλεια πακέτων και την καθυστέρηση στο υπόστρωμα MAC. Σε ένα φορτωμένο WLAN όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του ενδιάμεσου καταχωρητή τόσο μεγαλύτερη είναι η καθυστέρηση αναμονής στην ουρά. Από την άλλη πλευρά, όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του ενδιάμεσου καταχωρητή τόσο πιο γρήγορα υπερχειλίζει. Καθώς αυξάνει η χρησιμοποίηση του μέσου αυξάνει 44

62 ο αναμενόμενος χρόνος απόκρισης, από μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου σε μερικές δεκάδες χιλιοστών. Αυτή είναι μια σημαντική καθυστέρηση για τη μετάδοση του μηνύματος PrRtAdv στην αλληλουχία των μηνυμάτων του LLH που παρουσιάστηκε στην ενότητα και μπορεί να οδηγήσει σε διακοπή της σύνδεσης ή κακή απόδοση. Ωστόσο, 50 πακέτα είναι μια τυπική τιμή για το μέγεθος του ενδιάμεσου καταχωρητή. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες είναι σημαντικοί για προσομοιώσεις δικτύων b και διερευνώνται στην επιστημονική εργασία [37]. Ως εκ τούτου, στις προσομοιώσεις μας, έχουν χρησιμοποιηθεί οι ανωτέρω τυπικές τιμές για τα δίκτυα WLAN στοχεύοντας σε πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. 3.5 Μοντελοποίηση Συστήματος Το πρωτόκολλο ταχείας μεταπομπής αναπτύχθηκε τόσο για το σενάριο της πρόωρης καταχώρησης (ή μεταπομπής με πρόβλεψη) όσο και της ύστερης καταχώρησης (ή αντιδραστικής μεταπομπής) στο περιβάλλον προσομοίωσης δικτύων OPNET Modeler 15.0 [38] για την αξιολόγηση των επιπτώσεων του πρωτοκόλλου στην ποιότητα VoIP. Ο προσομοιωτής OPNET Modeler είναι ένας ευρέως χρησιμοποιούμενος προσομοιωτής συστημάτων επικοινωνιών, ο οποίος παρέχει λεπτομερή παραμετροποίηση της μοντελοποίησης, υποστηρίζει μια ποικιλία από κωδικοποιητές VoIP καθώς και μετρήσεις του R-factor. To πρωτόκολλο ταχείας μεταπομπής αναπτύχθηκε επεκτείνοντας το υφιστάμενο πρωτόκολλο MIPv4. Παρακάτω παρουσιάζονται συνοπτικά οι πιο σημαντικές επεκτάσεις που εφαρμόστηκαν στο πρωτόκολλο MIPv Μηχανισμός σκανδαλιστών Στο σενάριο της πρόωρης καταχώρησης, υλοποιήθηκε η εκκίνηση της διεργασίας μεταπομπής από τον κινητό κόμβο ενώ στο σενάριο της ύστερης καταχώρησης η εκκίνηση από το τρέχον δίκτυο. Ωστόσο, τα αποτελέσματα που προκύπτουν μπορούν να χρησιμοποιηθούν χωρίς απώλεια της γενικότητας. Συγκεκριμένα, στην εκκίνηση δικτύου για το σενάριο της πρόωρης καταχώρησης η διαφορά είναι μόνο η μετάδοση του μηνύματος PrRtSol από τον κινητό κόμβο προς το δίκτυο, ενώ στο σενάριο της ύστερης καταχώρησης με εκκίνηση από το δίκτυο στόχο δεν υπάρχει καμία διαφορά στην καθυστέρηση ολοκλήρωσης της σηματοδοσίας και είναι μόνο θέμα υλοποίησης. Και στις δύο περιπτώσεις χρειάζεται ένας μηχανισμός σκανδαλιστών, όπου στην περίπτωση της πρόωρης καταχώρησης μπορεί να προβλέψει ότι ένας κινητός κόμβος είναι έτοιμος να κινηθεί μακρυά από ένα υποδίκτυο ενώ στην περίπτωση της ύστερης καταχώρησης ότι ο κινητός κόμβος ολοκλήρωσε την διεργασία σύνδεσης με τον νέο υ- ποδίκτυο. Για τον σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε ένα ενδιάμεσο στρώμα μεταξύ του WLAN MAC και του IP, σύμφωνα με το πρότυπο MIH που παρουσιάστηκε στην Ενότητα 2.5 Μέσω αυτής της διεπαφής οι σκανδαλιστές που περιγράφηκαν στην Ενότητα τέθηκαν στη διάθεση του στρώματος δικτύου. Συγκεκριμένα, δημιουργήσαμε μηχανισμούς παρακολούθησης του υποστρώματος MAC με σκοπό την ανίχνευση των εξής MIH συμβάντων: Επικείμενη απώλεια ζεύξης (link going down) που υποδηλώνει τη συνεχώς μειούμενη στάθμη σήματος κάτω από την τιμή ενός προκαθορισμένου κατωφλίου. Εάν η στάθμη μετράται στη διεπαφή του κινητού κόμβου ο σκανδαλιστής συμβολίζεται ως L2-MT (L2 mobile trigger), αλλιώς αν μετράται στην κεραία του σημείου πρόσβασης ως L2-ST (L2 station trigger). 45

63 Την απώλεια της ζεύξης (link down) που εκκινεί τον μηχανισμό ανίχνευσης συχνοτήτων για την εύρεση νέου σημείου πρόσβασης και συμβολίζεται με L2-LD. Την αποκατάσταση της ζεύξης (link up) που πυροδοτείται από την ολοκλήρωση της συσχέτισης του κινητού κόμβου με το νέο σημείο πρόσβασης και συμβολίζεται με L2-LU. Μόλις ληφθεί ένας σκανδαλιστής, η υλοποίηση του MIH που δημιουργήσαμε ενημερώνει το χρήστη MIH που στην περίπτωση μας είναι το πρωτόκολλο ταχείας μεταπομπής στο στρώμα δικτύου. Τέλος, ενεργοποιούνται οι διεργασίες μεταπομπής όπως αυτές περιγράφηκαν στην Ενότητα , ανάλογα με το αν πρόκειται για το σενάριο της πρόωρης ή της ύστερης μεταπομπής. Επιπρόσθετα, αν και η ανίχνευση μιας επικείμενης μεταπομπής είναι εφικτή με την παρακολούθηση του ύψους της στάθμης του λαμβανόμενο σήματος, ο προσδιορισμός του δικτύου στόχου απαιτεί έναν ακριβή αλγόριθμο ανίχνευσης κίνησης ο οποίος είναι εκτός του πεδίου ενδιαφέροντος της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Για να παρακαμφθεί αυτό το πρόβλημα, ο κινητός κόμβος ακολούθησε μια προκαθορισμένη τροχιά και ο κινητός κόμβος ήταν εκ των προτέρων ενήμερος για το νέο υποδίκτυο στο οποίο θα μετακινηθεί Σηματοδοσία LLH Στο σενάριο της πρόωρης καταχώρησης, νέα πεδία προστέθηκαν στα αρχικά μηνύματα σηματοδοσίας του MIPv4. Επιπλέον, όπως περιγράφηκε και στην Ενότητα , προστέθηκε ένας νέος μηχανισμός στον παλαιό ξένιο πράκτορα που του επιτρέπει να αποστείλει μηνύματα επίκλησης δρομολογητή στους γειτονικούς ξένιους πράκτορες και να αποθηκεύει την πιο πρόσφατη ανακοίνωση δρομολογητή από τον καθένα από αυτούς. Η αίτηση τέτοιων μηνυμάτων συμβαίνει, όπως ορίζει το πρωτόκολλο, σε ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα με ελάχιστη τιμή το ένα δευτερόλεπτο. Επιπλέον, ο παλαιός ξένιος πράκτορας είναι επίσης σε θέση να λαμβάνει και να επεξεργάζεται μηνύματα PrRtSol από τον κινητό κόμβο και να αποκρίνεται με το αντίστοιχο μήνυμα PrRtAdv. Τα υπόλοιπα βήματα της διαδικασίας καταχώρησης είναι ίδια με αυτά του πρωτοκόλλου MIPv4. Στο σενάριο της ύστερης καταχώρησης, ο παλαιός ξένιος πράκτορας είναι σε θέση να στείλει μηνύματα HRqst και να υλοποιεί το ένα άκρο της σήραγγας για την προώθηση των πακέτων του κινητού κόμβου στον νέο ξένιο πράκτορα, και στη συνέχεια ο νέος να στείλει ένα μήνυμα HRply αφού υλοποιήσει το άλλο άκρο της σήραγγας. Τέλος, εκτελείται η σηματοδοσία καταχώρησης του MIPv4 όπως αυτή παρουσιάστηκε στην Ενότητα αμέσως μετά την εκδήλωση ενός σκανδαλιστή L2-LU Παραμετροποίηση WLAN Όπως αναλύθηκε στην Eνότητα 3.4, η παραμετροποίηση του WLAN MAC επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα της εφαρμογής VoIP και έχει μια κρίσιμη επίδραση στην απόδοση του πρωτοκόλλου LLH. Για ακριβή αποτελέσματα, αυτές οι παράμετροι ο- ρίστηκαν ίσες με τις προεπιλεγμένες τιμές που χρησιμοποιούνται από τις περισσότερες ασύρματες κάρτες, όπως προκύπτει από την επιστημονική εργασία [37]. Ο Πίνακας 4 δείχνει αυτό το σύνολο των παραμέτρων και τις προεπιλεγμένες τιμές τους. Το ίδιο σύνολο τιμών χρησιμοποιήθηκε και για τον υπολογισμό της διεκπεραίωσης κορεσμού 46

64 Πίνακας 4: Ρυθμίσεις για την Προσομοίωση b Παράμετρος Τιμή Παράμετρος Τιμή Βασικός Ρυθμός 1 Mbps CWmin 31 Ρυθμός Δεδομένων 11 Mbps CWmax 1023 PLCP Preamble Short Short Retry 7 SIFS 10 µs Long Retry 4 DIFS 50 µs AP buffer 50 πακέτα Χρονοθυρίδα 20 µs Φορτίο 3,3 Mbps Πίνακας 5: Ρυθμίσεις για την Προσομοίωση VoIP Kωδικοποιητής G.711 G.729A GSM-FR Διαμόρφωση PCM CS - ACELP RPE - LTP Περίοδος Δειγμ. 20 µs 10 µs 20 µs VAD No Yes Yes Playout Buffer 100 µs 100 µs 100 µs όπως περιγράφηκε παραπάνω. Επιπλέον, θεωρείται ότι υπάρχουν αλληλοεπικαλυπτόμενες περιοχές κάλυψης μεταξύ γειτονικών σημείων πρόσβασης, γεγονός που σημαίνει ότι μόλις ο κινητός κόμβος ενεργοποιεί τη διεργασία μεταπομπής έχει ήδη εισέλθει στην περιοχή κάλυψης του νέου ξένιου πράκτορα. 3.6 VoIP και E-Model Η εφαρμογή VoIP, όπως αυτή περιγράφεται στην Ενότητα 3.3, περιλαμβάνει ένα σύνολο διαφορετικών τεχνικών κωδικοποίησης, περιόδων δειγματοληψίας και καταστολής σιγής. Και σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιούνται επίσης οι προεπιλεγμένες τιμές για την παραμετροποίηση της εφαρμογής VoIP και παρουσιάζονται στον Πίνακα 5. Για την μοντελοποίηση της διαδικασίας VAD και με στόχο ένα πιο ακριβές μοντέλο προσομοίωσης, χρησιμοποιήθηκαν τα πειραματικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται στην επιστημονική εργασία [39]. Σε αυτή την ανάλυση δείχθηκε ότι οι περίοδοι ομιλίας και σιγής των πηγών φωνής μπορεί να μοντελοποιηθεί με ακρίβεια από τη γενικευμένη κατανομή Pareto, αντί του κλασικού μοντέλου το οποίο χρησιμοποιεί 650 ms ως μέση τιμή για τη διάρκεια περιόδων σιγής και 352 ms για τη διάρκεια ομιλίας, αντιστοίχως. Τέλος, για τον υπολογισμό του R-factor χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο που προτάθηκε στην επιστημονική εργασία [36], και περιγράφεται στην Ενότητα Η ακόλουθη έκφραση προκύπτει με αντικατάσταση των σταθερών Ro, I ef, A όπως και στην επιστημονική εργασία [37]: R = 93.2 I d I e. (3.5) 3.7 Ανάλυση Καθυστέρησης Μεταπομπής Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο κινητός κόμβος ακολουθεί μια προκαθορισμένη τροχιά για να εξαλείψει την ανάγκη ενός μηχανισμού ανίχνευσης κίνησης. Παρ όλα αυτά, η ακρίβεια αυτού του μηχανισμού είναι απαραίτητη για την επιτυχή εκτέλεση της διεργασίας μεταπομπής. Ειδικά, στην περίπτωση της πρόωρης καταχώρησης τα μηνύματα σηματοδοσίας μεταξύ του κινητού κόμβου και του δικτύου πρέπει να ανταλλάσσονται 47

65 πριν τη μεταπομπή του στρώματος ζεύξης. Για τον σκοπό αυτό, ο μηχανισμός ανίχνευσης κίνησης πρέπει να παρέχει επαρκές χρονικό διάστημα στη διεργασία μεταπομπής για την ολοκλήρωση της σηματοδοσίας πριν την απώλεια της ασύρματης ζεύξης. Από την άλλη πλευρά, για να προβλέψει με ακρίβεια το δίκτυο στόχο, ο μηχανισμός πρόβλεψης κίνησης πρέπει να πραγματοποιεί πρόβλεψη σε χρονική στιγμή όσο το δυνατόν πλησιέστερη στην εκδήλωση της απώλειας της σύνδεσης, έτσι ώστε η πιθανότητα της μεταβολής της ταχύτητας και της κατεύθυνσης του κινητού κόμβου να ελαχιστοποιείται. Παρακάτω, αναλύονται αυτές οι δυο αντίρροπες απαιτήσεις μέσω της Θεωρίας Ουρών [40]. Υποθέτοντας εκθετικό χρόνο εξυπηρέτησης, τόσο ο κινητός κόμβος όσο και ο ξένιος πράκτορας μοντελοποιούνται ως M/M/1/k ουρές αντί M/M/1 επειδή το μέγεθος του ενδιάμεσου καταχωρητή του σημείου πρόσβασης επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του δικτύου, όπως προκύπτει από την επιστημονική εργασία [37]. Ως εκ τούτου, το k είναι ίσο με 50 πακέτα, η οποία είναι μια τυπική τιμή για το μέγεθος του ενδιάμεσου καταχωρητή στις περισσότερες ασύρματες κάρτες. Ο ρυθμός εξυπηρέτησης της DCF είναι, σύμφωνα με την ανάλυση της διεκπεραίωσης κορεσμού στην επιστημονική εργασία [41]: S = P s P tr E[P ] (1 P tr ) σ + P tr P s T s + P tr (1 P s ) T c (3.6) όπου, P s είναι η πιθανότητα να υπάρχει τουλάχιστον μία μετάδοση στην υπό μελέτη χρονοθυρίδα, P tr είναι η πιθανότητα μία μετάδοση να είναι επιτυχής, E[P ] είναι το μέσο μήκος του ωφέλιμου φορτίου των πακέτων, T s είναι το μέσο χρονικό διάστημα κατά το οποίο το κανάλι ανιχνεύεται ως απασχολημένο, T c είναι το μέσο χρονικό διάστημα κατά το οποίο το κανάλι ανιχνεύεται ως απασχολημένο κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης και σ είναι η διάρκεια μιας χρονοθυρίδας. Όλες οι παραπάνω παράμετροι μπορούν να ανακτηθούν από την παραμετροποίηση του WLAN. Ο αναμενόμενος χρόνος απόκρισης για μια ουρά M/M/1/k είναι: E[R] = 1 µ λ 1 (k + 1)ρk + k ρ (k+1) 1 ρ k (3.7) όπου, µ είναι ο ρυθμός εξυπηρέτησης, λ είναι ο ρυθμός άφιξης, k είναι το μέγεθος της ουράς αναμονής και ρ είναι ο βαθμός χρησιμοποίησης του μέσου. Η σηματοδοσία που λαμβάνει χώρα πριν από τη μεταπομπή στρώματος ζεύξης στην πρόωρη καταχώρηση είναι η ανταλλαγή των PrRtSol, PrRtAdv και RegReq μηνυμάτων μεταξύ του κινητού κόμβου και του παλαιού ξένιου πράκτορα, όπως περιγράφεται στην Ενότητα Εάν το χρονικό διάστημα μεταξύ της ολοκλήρωσης της ανίχνευσης κίνησης και της απώλειας της σύνδεσης είναι μικρότερο από την καθυστέρηση αυτής της σηματοδοσίας η μεταπομπή θα είναι ανεπιτυχής. Το Σχήμα 15 δείχνει αυτή την καθυστέρηση σηματοδοσίας συναρτήσει τη χρησιμοποίησης του καναλιού για διάφορες τιμές της E[P ]. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι, καθώς αυξάνει τόσο ο βαθμός χρησιμοποίησης όσο και το μέσο μήκος του ωφέλιμου φορτίου του πακέτου, αυξάνει εκθετικά και η προαναφερθείσα καθυστέρηση. Για χαμηλές τιμές η καθυστέρηση σηματοδοσίας κυμαίνεται γύρω στα 10 ms και καθώς το ρ αυξάνει η καθυστέρηση φθάνει τα 100 ms. 48

66 Σχήμα 15: Καθυστέρηση Σηματοδοσίας για διαφορετικού μήκους πακέτα 3.8 Αποτελέσματα προσομοίωσης VoIP σε b Για την εξασφάλιση στατιστικής σημαντικότητας, κάθε προσομοίωση επαναλήφθηκε 20 φορές με διαφορετικές τιμές του σπόρου της γεννήτριας τυχαίων αριθμών. Κατά τη διάρκεια κάθε πειράματος, ο κινητός κόμβος εκτελεί 10 μεταπομπές με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα τελικό σύνολο 200 μεταπομπών για κάθε σενάριο προσομοίωσης. Η καθυστέρηση μετάδοσης μεταξύ πάτριου και ξένιου πράκτορα και μεταξύ παλαιού και νέου ξένιου πράκτορα έχει εκθετική κατανομή με μέση τιμή 10 ms και 5 ms αντίστοιχα. Τα παρακάτω στοιχεία απεικονίζουν τη μέση τιμή και την τυπική απόκλιση του R-factor του κωδικοποιητή G.711 για τις υπό εξέταση παραμέτρους. O R-factor υπολογίστηκε για κάθε πακέτο ξεχωριστά και τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν 5 πακέτα πριν από τον σκανδαλιστή L2-LD και 15 πακέτα μετά τον σκανδαλιστή L2-LU. Όπως περιγράφεται στον Πίνακα 3, η τιμή 70 είναι το κατώτερο όριο της περιοχής «μερικοί χρήστες δυσαρεστημένοι» και 60 είναι το κατώτερο όριο της περιοχής «πολλοί χρήστες δυσαρεστημένοι». Αρχικά συγκρίνονται τα σενάρια της πρόωρη καταχώρησης και της ύστερης καταχώρησης. Όπως περιγράφεται στην Ενότητα 3.7, για την επιτυχή εκτέλεση μιας μεταπομπής με πρόωρη καταχώρηση, ο σκανδαλιστής L2-MT πρέπει να λάβει χώρα μερικές δεκάδες δευτερόλεπτα πριν από την εκδήλωση του L2-LD. Αυτή η καθυστέρηση μεταξύ του L2-MT και του L2-LD συμβολίζεται με T MT LD και ορίστηκε στα 75 ms. Επιπλέον, στην ύστερη καταχώρηση ο κρίσιμος παράγοντας είναι η καθυστέρηση μετάδοσης μεταξύ του παλαιού και νέου ξένιου πράκτορα, και συμβολίζεται με T of A nf A. Η καθυστέρηση αυτή ορίσθηκε στα 5 ms. Το Σχήμα 16 δείχνει ότι σε μια μεταπομπή με πρόωρη καταχώρηση τα πρώτα πακέτα παρουσίασαν υψηλότερες καθυστερήσεις 49

67 Σχήμα 16: R-factor και για τα δυο σενάρια από τα αντίστοιχα μιας ύστερης καταχώρησης. Αυτό είναι αποτέλεσμα του χρονικού διαστήματος μεταξύ του L2-ΜΤ και του L2-LD. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η χρονική διαφορά τόσο νωρίτερα πραγματοποιείται η εγγραφή στον πάτριο πράκτορα και τόσο περισσότερο χρόνο ο κινητός κόμβος δεν θα λάβει πακέτα από τον παλαιό ξένιο πράκτορα αν και εξακολουθεί να είναι συνδεδεμένος με αυτόν. Αντίθετα τα πακέτα θα προωθηθούν και θα αποθηκευτούν στον νέο ξένιο πράκτορα, γεγονός που οδηγεί σε υψηλότερη διατερματική καθυστέρηση. Από την άλλη πλευρά, στην περίπτωση της ύ- στερη καταχώρησης τα πακέτα μεταδίδονται μέσω του παλαιού ξένιου πράκτορα μέχρι την εκδήλωση του σκανδαλιστή L2-LD, και μόνο μετά από αυτό το γεγονός προωθούνται στον νέο. Ωστόσο, ο R-factor φθάνει στο αρχικό επίπεδο τιμών στην περίπτωση της πρόωρης καταχώρησης ενώ στην ύστερη καταχώρηση σταθεροποιείται σε χαμηλότερο. Αυτό είναι αποτέλεσμα των επιπτώσεων της πρόσθετης καθυστέρησης που υπεισέρχεται από τη σήραγγα στη μετάδοση πακέτων από τον παλαιό στον νέο ξένιο πράκτορα και δεν εξαλείφεται ακόμη και μετά την εκτέλεση της διεργασίας καταχώρησης του MIPv4. Παρακάτω διερευνάται ο αντίκτυπος των καθυστερήσεων T MT LD και T of A nf A στην απόδοση του πρωτοκόλλου LLH. Όπως εξηγήθηκε παραπάνω, στην περίπτωση της πρόωρης καταχώρησης ο νέος ξένιος πράκτορας εκτελεί τη διεργασία μεταπομπής του κινητού κόμβου στον πάτριο πράκτορα μετά την εκδήλωση του σκανδαλιστή L2-MT. Από εκείνη τη στιγμή και έπειτα, τα πακέτα θα σταλούν στον νέο ξένιο πράκτορα και θα αποθηκευτούν μέχρι την εκδήλωση του L2-LU. Κατά συνέπεια, όσο μικρότερη είναι η καθυστέρηση T MT LD τόσο λιγότερα πακέτα θα αποθηκευτούν στον νέο ξένιο πράκτορα και για μικρότερο χρονικό διάστημα, υποκείμενα σε μικρότερη καθυστέρηση. Το Σχήμα 17 δείχνει ότι η 50

68 Σχήμα 17: Επίδραση του παράγοντα T MT LD μείωση του R-factor επηρεάζεται σημαντικά από την αύξηση της καθυστέρησης T MT LD. Συνδυάζοντας τα αποτελέσματα των Σχημάτων 15 και 17 καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η T MT LD πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 50 και 100 ms για να ανταποκριθεί με επιτυχία στις απαιτήσεις τόσο του πρωτοκόλλου LLH όσο και της εφαρμογή VoIP. Όπως περιγράφεται παραπάνω, η τιμή της παραμέτρου T of A nf A μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση της ύστερη καταχώρησης. Το Σχήμα 18 παρουσιάζει την υποβάθμιση του R-factor για διαφορετικές τιμές της T of A nf A. O R-factor μειώνεται περισσότερο καθώς αυξάνει η παράμετρος T of A nf A. Επιπλέον, παρατηρείται αύξηση στην τιμή του μετά την ολοκλήρωση της καταχώρησης του MIPv4 όμως το τελικό επίπεδο στο οποίο σταθεροποιείται μετά την καταχώρηση είναι χαμηλότερο όσο μεγαλύτερη είναι η καθυστέρηση T of A nf A. Επιπλέον, αξίζει να σημειωθεί ότι ο αριθμός των πακέτων που θα προωθηθούν από τον παλαιό στον νέο ξένιο πράκτορα εξαρτάται από την καθυστέρηση μετάδοσης μεταξύ νέου ξένιου πράκτορα και πάτριου πράκτορα και μπορεί να είναι μερικές δεκάδες έως εκατοντάδες δευτερόλεπτα. Ως εκ τούτου, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η πρόωρη καταχώρηση εξαρτάται από την ακρίβεια του μηχανισμού ανίχνευσης κίνησης και σε αυτή την περίπτωση λιγότερα πακέτα υπόκεινται σε μεγαλύτερη υποβάθμιση του R-factor. Από την άλλη πλευρά, η ύστερη καταχώρηση εξαρτάται από τη θέση του κινητού κόμβου και σε αυτή την περίπτωση περισσότερα πακέτα θα υποστούν μικρότερη υποβάθμιση. Τέλος, στο Σχήμα 19 συγκρίνεται η ποιότητα για τους κωδικοποιητές G.711, G.729A και GSMFR. Μεταξύ αυτών, οι G.729A και GSMFR, που χρησιμοποιούν VAD, παρουσίασαν μικρότερη υποβάθμιση του R-factor, καθώς η καταστολή σιγής μειώνει την πιθανότητα απώλειας πακέτων. Επιπλέον, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι ο χρόνος 51

69 Σχήμα 18: Επίδραση του παράγοντα T of A nf A που απαιτείται για να φθάσει στο αρχικό επίπεδο η τιμή του R-factor είναι ίδια για τους διάφορους κωδικοποιητές. Ο G.729A με διπλάσιο ρυθμό δειγματοληψίας σε σχέση με τον G.711 και το GSMFR χρειάζεται τον διπλάσιο αριθμό πακέτων για την επίτευξη του αρχικού επιπέδου ικανοποίησης για την παρεχόμενη ποιότητα της VoIP υπηρεσίας. 3.9 Συμπεράσματα Σε αυτό το κεφάλαιο έγινε μια αξιολόγηση της απόδοσης της ταχείας μεταπομπής σε ασύρματα τοπικά δίκτυα τεχνολογίας για την εφαρμογή μετάδοσης φωνής μέσω διαδικτύου. Διαφοροποιούμενοι από τις υπάρχουσες επιστημονικές εργασίας αξιολογήσαμε την απόδοση όχι με τη βοήθεια μετρικών του στρώματος δικτύου, όπως ρυθμός απώλειας πακέτων και καθυστέρηση αλλά με μετρικές του στρώματος εφαρμογής όπως το E-Model. Με τον τρόπο αυτό οδηγηθήκαμε στην πρόβλεψη του βαθμού ικανοποίησης του τελικού χρήστη που είναι και το τελικό ζητούμενο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ταχεία μεταπομπή επιτυγχάνει υψηλό βαθμό ικανοποίησης των τελικών χρηστών για την εφαρμογή μετάδοσης φωνής. Συγκεκριμένα, τα ευρήματα μας συνοψίζονται στα εξής: Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι μια μεταπομπή με πρόωρη καταχώρηση παρουσιάζει αρχικά μεγαλύτερη μείωση του βαθμού ικανοποίησης από εκείνη μιας ύστερη καταχώρησης αλλά μπορεί παράλληλα και ανακάμπτει ταχύτερα. Η αρχική υποβάθμιση στην περίπτωση της πρόωρης καταχώρησης οφείλεται στο χρονικό διάστημα μεταξύ της πυροδότησης του σκανδαλιστή επικείμενης απώλειας σύνδεσης με την ίδια την απώλεια της ζεύξης. Αναδείχθηκε δηλαδή η εξάρτηση της 52

70 Σχήμα 19: Σύγκριση Κωδικοποιητών ταχείας μεταπομπής από την ακρίβεια του μηχανισμού ανίχνευσης κίνησης καθώς και ότι πρέπει να ενημερώνει επιτυχώς για επικείμενη μεταπομπή μεταξύ 50 και 100 ms πριν την έναρξη της. Η αργή ανάκαμψη της ύστερης καταχώρησης οφείλεται στην καθυστέρηση μετάδοσης μεταξύ του παλαιού και νέου ξένιου πράκτορα καθώς αυτό το μονοπάτι χρησιμοποιείται για την προώθηση των πακέτων στον κινητό κόμβο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι καθυστέρηση μέχρι και 15 ms μπορεί να είναι αποδεχτή, μια τιμή που δεν είναι ιδιαιτέρως απαιτητική για καθυστέρηση μεταξύ γειτονικών δρομολογητών. Όσον αφορά τους διάφορους διαθέσιμους κωδικοποιητές φωνής, σημαντικοί βελτίωση επιτυγχάνεται με την τεχνική καταστολής σιγής, η οποία μειώνει την πιθανότητα απώλειας πακέτων με δεδομένα φωνής. Τέλος, πραγματοποιήσαμε και μια ανάλυση του αντίκτυπου που έχει στη διαδικασία ταχείας μεταπομπής ο βαθμός χρησιμοποίησης του ασύρματου μέσου, καταλήγοντας ότι παρουσιάζει εκθετική σχέση με την καθυστέρηση μετάδοσης. Είναι λοιπόν εύλογο να υποθέσουμε ότι σε ένα κανάλι με υψηλό βαθμό χρησιμοποίησης είναι δυνατόν να υπάρξει σημαντική αύξηση της καθυστέρησης μεταπομπής και τελικά υποβάθμιση της ποιότητας της υπηρεσίας. Λόγω των ευρημάτων αυτών θεωρήσαμε ότι υπάρχουν επιπλέον περιθώρια βελτίωσης της συνολικής διαδικασίας, μελετώντας την δυνατότητα επέκτασης της διαστρωματικής 53

71 αρχιτεκτονικής και στο επίπεδο εφαρμογής. Η μελέτη αυτή οδήγησε σε ένα νέο αλγόριθμο αναπαραγωγής της εφαρμογής μετάδοσης φωνής, ο οποίος είναι ενήμερος για τη διαδικασία της μεταπομπής και τον οποίο παρουσιάζουμε στο επόμενο κεφάλαιο. 54

72 Σκοπός του τρέχοντος κεφαλαίου είναι η παρουσίαση ενός νέου αλγόριθμου αναπαραγωγής ενδιάμεσου καταχωρητή, ο οποίος λαμβάνει υπ όψιν του τη διαχείριση κινητικότητας. Στο Κεφάλαιο 3 υλοποιήσαμε το σενάριο της ταχείας μεταπομπής σε προσομοιωτή δικτύων και μπορέσαμε να εκτιμήσουμε την παρεχόμενη ποιότητα της υπηρεσίας VoIP. Η ταχεία μεταπομπή εξασφαλίζει ότι δε θα προκύψουν απώλειες δεδομένων από την πλευρά του δικτύου μέσω τεχνικών ενδιάμεσης καταχώρησης και προώθησης πακέτων. Είναι όμως πιθανόν, τα πακέτα αυτά να απορριφθούν στο στρώμα εφαρμογής, το οποίο στην περίπτωση των εφαρμογών πραγματικού χρόνου, όπως το VoIP, θέτει αυστηρά χρονικά πλαίσια στην αναπαραγωγή των δεδομένων. Όταν συνεπώς, η μεταπομπή υπερβεί τα χρονικά αυτά περιθώρια, τα πακέτα που παραδίδονται στον κινητό κόμβο αμέσως μετά τη μεταπομπή και για τα οποία έγινε ειδική διαχείριση από το πρωτόκολλο ταχείας μεταπομπής απορρίπτονται στο στρώμα εφαρμογής ακυρώνοντας τον σχεδιασμό της συνολικής αρχιτεκτονικής. Για το λόγο αυτό, οδηγηθήκαμε στη μελέτη αλγορίθμου αναπαραγωγής, ο οποίος θα λαμβάνει υπ όψιν του τη διαχείριση κινητικότητας και τη λειτουργία της ταχείας μεταπομπής, για να επιτύχει βελτίωση της ποιότητας της παρεχόμενης υπηρεσίας. Στη συνέχεια δίνεται μια λεπτομερής περιγραφή του αλγορίθμου καθώς και τα αποτελέσματα της απόδοσής του, όπως αυτά προέκυψαν από υποκειμενικές δοκιμές ακρόασης. 4.1 Εισαγωγή Μια άλλη πρόκληση για την υποστήριξη διαδραστικών εφαρμογών φωνής μέσω του διαδικτύου είναι η αντιστάθμιση των μεταβαλλόμενων συνθηκών του δικτύου, όπως η καθυστέρηση και ο τρόμος φάσης (jitter). Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ένας μηχανισμού ενδιάμεσης καταχώρησης ο οποίος προγραμματίζει αποτελεσματικά τη χρονική στιγμή αναπαραγωγής των πακέτων φωνής. Τα συστήματα ενδιάμεσου καταχωρητή αναπαραγωγής (playout buffer), τα οποία καλούνται και ενδιάμεσοι καταχωρητές αποτρόμησης φάσης (dejitter buffer), μπορούν να ομαδοποιηθούν σε δύο κατηγορίες: σταθερά και προσαρμοστικά [42]. Σταθερά συστήματα αναπαραγωγής χρησιμοποιούν μια καθορισμένη προθεσμία αναπαραγωγής για όλα τα πακέτα φωνής καθ όλη τη διάρκεια μιας φωνητικής κλήσης. Αντιθέτως, τα προσαρμοστικά συστήματα αναπαραγωγής ρυθμίζουν 55

73 την καθυστέρηση αναπαραγωγής βάσει των μεταβαλλόμενων συνθηκών του δικτύου κατά τη διάρκεια της φωνητικής κλήσης. Συνήθως, στα προσαρμοστικά συστήματα α- ναπαραγωγής, ο χρόνος αναπαραγωγής προσαρμόζεται κατά τη διάρκεια των περιόδων σιγής. Η προσέγγιση αυτή αντιδρά πιο αργά στην αλλαγή των συνθηκών του δικτύου. Εναλλακτικά, έχουν προταθεί τεχνικές τροποποίησης της χρονικής κλίμακας για να προγραμματίσουν την αναπαραγωγή του κάθε πακέτου ξεχωριστά [43], [44]. Αυτά τα συστήματα αντιδρούν ταχύτερα στη διακύμανση της καθυστέρησης του δικτύου καθώς ρυθμίζουν ξεχωριστά τη διάρκεια του κάθε πακέτου με βάση τις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου. Με αυτόν τον δυναμικό τρόπο προγραμματισμού της αναπαραγωγής επιτυγχάνεται καλύτερη απόδοση των διαδραστικών εφαρμογών φωνής. Όπως θα δείξουμε στη συνέχεια, περαιτέρω βελτιστοποίηση της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών μπορεί να επιτευχθεί εάν συνδυαστούν οι τεχνικές τροποποίησης της χρονικής κλίμακας των πακέτων με τη διαχείριση της κινητικότητας και ειδικότερα μέσω της ταχείας μεταπομπής. 4.2 Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Η βελτιστοποίηση της εφαρμογής VoIP σε σχέση με τη διαχείριση κινητικότητας έχει μελετηθεί και στο παρελθόν από την επιστημονική κοινότητα. Στην επιστημονική εργασία [45], ερευνήθηκαν τα οφέλη της σύνδεσης της διαχείρισης της κινητικότητας με τις υπηρεσίες VoIP, εστιάζοντας κυρίως στη γρήγορη προσαρμογή στις συνθήκες του νέου δικτύου με την ολοκλήρωση της μεταπομπής. Αυτή η προσέγγιση περιλαμβάνει την προσαρμογή του πολυμεσικού περιεχομένου, προκειμένου να είναι δυνατόν να εξυπηρετηθεί από τον ρυθμό μετάδοσης του νέου δικτύου προσαρμόζοντας είτε τη συνεδρία είτε τον κωδικοποιητή. Προτείνει επίσης την αξιοποίηση της πληροφορίας του στρώματος ζεύξης από τον αλγόριθμο προγραμματισμού της αναπαραγωγής με σκοπό να εκτιμηθούν ορθότερα οι υφιστάμενες συνθήκες του δικτύου. Στην επιστημονική εργασία [46] προτείνεται ένας αλγόριθμος ευκαιριακής μεταπομπής με βάση το χαρακτηριστικό της εφαρμογής VoIP, όπου για ορισμένα διαστήματα το άκρο της επικοινωνίας παραμένει σιωπηλό. Το σύστημα αυτό ευθυγραμμίζει τη διαδικασία μεταπομπής με τις περιόδους αμοιβαίας σιγής (δηλαδή και τα δύο μέρη της συνομιλίας είναι σιωπηλά) όποτε αυτό είναι δυνατόν. Από την άλλη πλευρά, η έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής διερευνά πιθανές βελτιστοποιήσεις όταν αναπόφευκτα η μεταπομπή λαμβάνει χώρα κατά τη χρονική στιγμή όπου κάποιο από τα δυο μέρη της συνομιλίας είναι ενεργό. Για το σκοπό αυτό, προτάθηκε ένας νέος αλγόριθμος προγραμματισμού της αναπαραγωγής κατά τη διάρκεια της μεταπομπής που εκμεταλλεύεται συμβάντα του στρώματος ζεύξης σε συνδυασμό με τεχνικές τροποποίησης της χρονικής κλίμακας. Μεταβάλλοντας τη χρονική διάρκεια, δηλαδή κλιμακοθετώντας (scaling), μεμονωμένα πακέτα φωνής κατά τη διάρκεια της μεταπομπής, εισάγεται λιγότερη παραμόρφωση στη συνομιλία ενώ μειώνονται και οι απώλειες σε πακέτα. Επιπλέον, η ευφυΐα που παρέχεται από το στρώμα ζεύξης μέσω των διάφορων συμβάντων, προσφέρει ε- παρκή χρόνο για να αποκρυφθεί η παραμόρφωση που προκαλείται από τη διαδικασία της μεταπομπής. Εξ όσων γνωρίζουμε, ο προτεινόμενος αλγόριθμος είναι ο πρώτος που επικεντρώνεται στην τροποποίηση της χρονικής κλίμακας για τον προγραμματισμό της αναπαραγωγής σύμφωνα με τη διαδικασία μεταπομπής για να εξαλειφθεί η εισαγόμενη παραμόρφωση. 56

74 4.3 Αλγόριθμοι Προγραμματισμού Αναπαραγωγής Ενώ η διαχείριση της κινητικότητας έχει ως στόχο να ελαχιστοποιήσει τις απώλειες λόγω της διαδικασίας της μεταπομπής, ο προγραμματισμός της αναπαραγωγής προσπαθεί να αντιμετωπίσει τις απώλειες πακέτων που προκαλούνται λόγω της καθυστέρησης του δικτύου και της διακύμανσης αυτής. Εναλλακτικά, όταν συμβαίνουν αναπόφευκτες απώλειες πακέτων, οι αλγόριθμοι αναπαραγωγής εκμεταλλεύονται μεθόδους απόκρυψης και εφεδρείες που υπάρχουν στη ροή των δεδομένων φωνής για μετριασμό της προκαλούμενης επιδείνωσης. Στην πλευρά του αποστολέα, η περιοδική δειγματοληψία της φωνής του έχει ως αποτέλεσμα ένα σταθερό ρυθμό πακέτων με τυπική τιμή ένα πακέτο κάθε 20 ms για τις περισσότερες εφαρμογές VoIP. Στη συνέχεια, τα πακέτα υφίστανται τυχαίες καθυστερήσεις, ενώ διέρχονται από το δίκτυο. Ως αποτέλεσμα, ένα ενδιάμεσος καταχωρητής αναπαραγωγής εισάγεται στην πλευρά του δέκτη, αποθηκεύοντας τα πακέτα για επαρκή χρονικό διάστημα προτού αναπαραχθούν ώστε να εξομαλυνθούν οι όποιες καθυστερήσεις και τρόμος φάσης. Από την άλλη πλευρά, μία αύξηση της διατερματικής καθυστέρησης υποβαθμίζει την ποιότητα μιας διαδραστικής εφαρμογής όπως το VoIP. Όπως μπορεί να γίνει κατανοητό, υπάρχει μια αντίστροφη συσχέτιση του μεγέθους του ενδιάμεσου καταχωρητή αναπαραγωγής και της απώλειας πακέτων λόγω καθυστερημένης άφιξης. Ένα αποδοτικός αλγόριθμος αναπαραγωγής θα πρέπει να ελαχιστοποιεί την απώλεια πακέτων λόγω καθυστερημένης άφιξης, ενώ θα εισάγει τη μικρότερη δυνατή καθυστέρηση λόγω ενδιάμεσης καταχώρησης. Οι αλγόριθμοι προγραμματισμού αναπαραγωγής μπορούν γενικά να ταξινομηθούν σε σταθερούς και προσαρμοστικούς. Ενώ οι σταθεροί αλγόριθμοι αναπαραγωγής χρησιμοποιούν την ίδια προθεσμία αναπαραγωγής για όλα τα πακέτα σε μια συνεδρία, οι προσαρμοστικοί αλγόριθμοι αναπαραγωγής μεταβάλλουν αυτή τη προθεσμία κατά τις περιόδους σιγής. Για το σκοπό αυτό, στην επιστημονική εργασία [42] χρησιμοποιείται μια εκτίμηση της καθυστέρησης του δικτύου και της διακύμανσής της με βάση τις προηγούμενες παρατηρήσεις. Εάν η εκτιμώμενη καθυστέρηση του δικτύου έχει αυξηθεί κατά το τελευταίο διάστημα αδιάλειπτης ομιλίας (talkspurt), η περίοδος σιγής επεκτείνεται ώστε να παρέχει επαρκή χρόνο αναπαραγωγής στο επόμενο διάστημα αδιάλειπτης ομιλίας, και αντιστρόφως. Η προσαρμογή σε επίπεδο πακέτου είναι επίσης δυνατή, μέσω των τεχνικών τροποποίησης της χρονικής διάρκειας των πακέτων φωνής [43], [44]. Σε αυτή την περίπτωση, η επιμήκυνση ενός πακέτου έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη καθυστέρηση αναπαραγωγής, προκειμένου να αντισταθμιστεί η αύξηση στην καθυστέρηση του δικτύου. Αντιστρόφως, μία μείωση στην εκτιμώμενη καθυστέρηση του δίκτυο θα οδηγήσει σε συμπίεση των πακέτων και μικρότερη καθυστέρηση αναπαραγωγής. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει την προσαρμογή της αναπαραγωγής με ένα ιδιαίτερα δυναμικό τρόπο, καθώς και την ταχύτερη απόκριση στις μεταβαλλόμενες συνθήκες του δικτύου, δεδομένου ότι οι περίοδοι αδιάλειπτης ομιλίας μπορεί να διαρκέσουν για μερικές εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου. Ακόμη και με προσαρμοστικό προγραμματισμό της αναπαραγωγής σε επίπεδο πακέτου, αναμένεται ένα ορισμένο ποσοστό απώλειας πακέτων, είτε ως απώλεια καθυστερημένης άφιξης είτε ως απώλεια δικτύου. Μια ποικιλία από τεχνικές απόκρυψης απωλειών έχουν προταθεί για να ανακτηθεί το χαμένο τμήμα του σήματος [44], [47]. Η α- πλούστερη μέθοδος απόκρυψης είναι απλώς να τεθούν όλα τα δείγματα ενός χαμένου πακέτου ίσα με μηδέν, αποδεχόμενοι ουσιαστικά την παραμόρφωση που προκαλείται από την υποκατάσταση της ομιλία που απουσιάζει με σιγή. Σημειώνεται ότι ο αλγόριθμος υποκατάστασης σιγής δεν είναι επιζήμιος για χαμηλά ποσοστά απώλειας πακέτων, 57

75 δηλαδή ποσοστά γύρω στο 1 %, και την ίδια στιγμή, είναι από υπολογιστικής ά- ποψης η λιγότερο δαπανηρή προσέγγιση. Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υποκατάσταση σιγής έως και 30 ms είναι ανεκτή [47]. Ωστόσο, για ποσοστά απωλειών πακέτων μεγαλύτερα από 1 %, προσεγγίσεις που προσπαθούν να αποδώσουν την κυματομορφή των απολεσθέντων πακέτων είναι προτιμότερες. Μια τέτοια μέθοδος απόκρυψης είναι η επονομαζόμενη υποκατάσταση κυματομορφής (waveform substitution) [47] που αναφέρεται στην ανασυγκρότηση των πακέτων που λείπουν υποκαθιστώντας τα με τα τελευταία ληφθέντα τμήματα της κυματομορφής. Η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει βελτίωση στην ποιότητα της ομιλίας σε σχέση με την υποκατάσταση σιγής και βασίζεται στην υπόθεση ότι τα περιεχόμενα ενός χαμένου πακέτου θα είναι παρόμοια με την αμέσως προηγούμενη ομιλία. Παρ όλα αυτά, αντικαθιστώντας ένα χαμένο πακέτο με το προηγούμενο, εισάγει στρεβλώσεις λόγω των ασυνεχειών στα άκρα του πακέτου. Αυτή η δυσλειτουργία μπορεί να μειωθεί με χρήση περισσότερο ευφυών τεχνικών επιλογής κυματομορφής που εκμεταλλεύονται την περιοδικότητα στην ομιλία, όπως προτείνεται στην επιστημονική εργασία [47]. Αυτός ο αλγόριθμος αντικατάστασης κυματομορφής σαρώνει ένα παράθυρο αναζήτησης στα προηγούμενα πακέτα για να βρει μια περιοχή που ταιριάζει καλύτερα με το προηγούμενο από το πακέτο που λείπει. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται η συνάρτηση υψωμένου συνημιτόνου στο ανακατασκευασμένο πακέτο και στο προηγούμενό του, προκειμένου να εξομαλυνθεί η μετάβαση από το ένα στο άλλο. Η υποκατάσταση κυματομορφής εισάγει αμελητέα αλγοριθμική καθυστέρηση καθώς η μέθοδος αντιστοίχισης κυματομορφής εφαρμόζεται σε ένα μικρό παράθυρο αναζήτησης. Τέλος, μια άλλη μέθοδος απόκρυψης βασίζεται σε μια υβριδική τεχνική βασισμένη στην τροποποίηση χρονικής κλίμακας και την υποκατάσταση κυματομορφής [44]. Η απόκρυψη ενός χαμένου πακέτου επιτυγχάνεται επεκτείνοντας το τελευταίο πακέτο που λήφθηκε έως και τον διπλασιασμό του από πλευράς χρονικής διάρκειας. Όταν συμβεί ριπή απωλειών (burst losses) από διαδοχικά πακέτα, χρησιμοποιείται η τεχνική της επανάληψης κυματομορφής για να αποκρυφθούν και τα επιπλέον πακέτα. Παρακάτω, παρουσιάζονται οι τεχνικές τροποποίησης χρονικής κλίμακας, οι οποίες είναι ζωτικής σημασίας για την πραγματοποιηθείσα έρευνα. Ο στόχος των αλγορίθμων τροποποίηση της χρονικής κλίμακας είναι να τροποποιήσει το ρυθμό της ομιλίας, χωρίς να επηρεάζει τα φασματικά χαρακτηριστικά του λόγου. Μια βασική μέθοδος για την τροποποίηση της κλίμακα του χρόνου είναι ο αλγόριθμος επικάλυψης-άθροισης (OLA - overlap-add), ο οποίος είναι μια τεχνική σύνθεσης που βασίζεται στην παρεμβολή σήματος (signal interpolation). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 20, το σήμα εισόδου x(n) αποδομείται σε k επικαλυπτόμενα τμήματα με μήκος l δείγματα το καθένα, τα οποία είναι επίσης διατεταγμένα με βήμα S i δειγμάτων. Το παραγόμενο κλιμακοθετημένο σήμα y(n) κατά έναν παράγοντα α συντίθεται με επικάλυψη των διαδοχικών τμημάτων της διεργασίας αποδόμησης. Η αλληλοεπικάλυψη γίνεται με κανονικοποίηση του αθροίσματος αυτών των τμημάτων με ένα χρονικά μεταβαλλόμενο βάρος εξομάλυνσης. Για παράδειγμα, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 20, μια συνάρτηση τραπεζοειδούς παραθύρου εφαρμόζεται στο τμήμα S 2 ώστε να διαμορφώσει το τμήμα S 2. Έπειτα, το τμήμα S 2 επικαλύπτεται και προστίθεται με το προηγουμένως ανακατασκευασμένο σήμα, δημιουργώντας S o επιπλέον δείγματα. Για ένα δεδομένο συντελεστή αλληλοεπικάλυψης v, το βήμα της διαδικασίας ανασύνθεσης του σήματος, S o, είναι: S o = (1 v) l (4.1) Και το βήμα τμηματοποίησης για ένα δοσμένο σύνολο παραμέτρων l, v, and α είναι: 58

76 Σχήμα 20: (a) Ο αλγόριθμος OLA (b) Διαδικασία αποδόμησης WSOLA (1 v) l S i = (4.2) α Έστω ότι τ( ) υποδηλώνει τη συνάρτηση στρέβλωσης χρόνου (time-wrap) που κάνει τη χαρτογράφηση του μετασχηματισμού από το πεδίο του χρόνου του σήματος εισόδου στο πεδίο του χρόνου του σήματος εξόδου (π.χ. L 3 = τ 1 (L 3 )). Επιλέγοντας τα προς σύνθεση τμήματα να απέχουν τακτά διαστήματα, έτσι ώστε L k = k S o, η αντίστοιχη εξίσωση σύνθεσης γύρω από το στιγμιότυπο L k γίνεται: k y(n) = w2 (n ks o ) x(n ks o + τ 1 (ks o )) (4.3) k w2 (n ks o ) όπου w( ) είναι η συνάρτηση παραθύρου. Με την εξαγωγή των τμημάτων σε τακτά χρονικά διαστήματα, η ομοιότητα των επικαλυπτόμενων περιοχών δεν λαμβάνεται υπ όψιν. Η υφιστάμενη ασυνέχεια μεταξύ των διαδοχικών τμημάτων και η μη ευθυγραμμισμένη παρεμβολή τους οδηγεί σε στρεβλώσεις που είναι επιζήμιες για την ποιότητα ομιλίας. Ο αλγόριθμος επικάλυψης-άθροισης με ομοιότητα κυματομορφής (WSOLA - waveform similarity OLA) [48], από την άλλη 59

77 πλευρά, αναζητά μια θέση που έχει μέγιστη τοπική ομοιότητα (π.χ. τη μεγιστοποίηση της συνάρτησης αλληλοσυσχέτισης) με το τελευταία αναπαραχθέν τμήμα. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 20, αντί της εξαγωγής του τμήματος S 2 που έρχεται ακριβώς S i δείγματα μετά το S 1, μια περιοχή ανοχής εύρους [ /2, /2] γύρω από τη τιμή τ 1 (L 1 ) ελέγχεται για να βρεθεί η τιμή της παραμέτρου δ που μεγιστοποιεί τη μετρική ομοιότητας σε σχέση με το τμήμα του σήματος που ακολουθεί μετά το S 1. Το αποτέλεσμα είναι το τμήμα S 2 με μήκος l δειγμάτων. Μια συνήθης επιλογή στην επεξεργασία ομιλίας για την άθροιση των διαδοχικών τμημάτων είναι ένα παράθυρο Hanning με v = 0, 5 [48], που έχει ως αποτέλεσμα να ισχύει: w 2 (n ks o ) = 1. (4.4) k Εν συνεχεία, η σχέση 4.3 για την περίπτωση του αλγόριθμου WSOLA διαμορφώνεται ως εξής: y(n) = w 2 (n ks o ) x(n ks o + τ 1 (ks o ) + δ)) (4.5) k Σημειώνεται ότι η περιοχή αναζήτησης για τη μέγιστη τοπική ομοιότητα είναι μικρή σε σύγκριση με το μέγεθος του τμήματος και ως εκ τούτου η απόκλιση από το κανονικό βήμα τμηματοποίησης είναι αμελητέα. Επιτρέποντας αυτή την ανοχή σχετικά με τη διαδικασία τμηματοποίησης του σήματος εισόδου, παρατηρείται σημαντική βελτίωση του αποτελέσματος της ανασύνθεσης. Την ίδια στιγμή, ο αλγόριθμος WSOLA είναι υπολογιστικά και αλγοριθμικά πιο αποτελεσματικώς σε σύγκριση με άλλες τεχνικές τροποποίησης της χρονικής κλίμακας (π.χ. synchronous OLA ή time-domain pitch synchronised OLA) [44], [48]. Τυπικές τιμές για τις παραμέτρους l και είναι 20 ms και 5 ms αντίστοιχα. Αυτές οι τιμές μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπό την παρουσία επαρκούς διάρκειας σήματος εισόδου που αντιστοιχεί σε δύο ή τρία πακέτα. Για την περίπτωση διάρκειας σήματος εισόδου ενός μόνο πακέτου, στην επιστημονική εργασία [44] προτείνεται ένας τροποποιημένος αλγόριθμος, βασισμένος στον αλγόριθμο WSOLA, ο οποίος χρησιμοποιεί ένα μικρότερου μήκους τμήμα (περίπου 10 ms). Εάν η παραγόμενη έξοδος είναι μικρότερη από την απαιτούμενη, πρόσθετες επαναλήψεις του αλγορίθμου εκτελούνται στο σήμα εξόδου μέχρι να επιτευχθεί το επιθυμητό μήκος. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις, οι αποδεκτές τιμές του συντελεστή κλιμακοθέτησης είναι εντός του εύρους τιμών [0.3, 2.0]. Η υπέρβαση αυτού του εύρους δημιουργεί ηχητικές παραμορφώσεις και η χρήση της τεχνικής WSOLA δεν συνιστάται. Προφανώς, ο αλγόριθμος WSOLA με είσοδο ένα πακέτο δε μπορεί να επιτύχει την ίδια απόδοση με τον τυπικό αλγόριθμο καθώς χρησιμοποιεί λιγότερη πληροφορία και η αναζήτηση για την εύρεση της θέση με τη μεγαλύτερη ομοιότητα περιορίζεται σε μια μικρότερη περιοχή. 4.4 Προτεινόμενος Αλγόριθμος Αναπαραγωγής Με βάση την προηγούμενη ανάλυση, υπάρχει μια προφανής αλληλεπίδραση μεταξύ του χρόνου αναπαραγωγής και της καθυστέρησης μεταπομπής. Εάν η καθυστέρηση μεταπομπής είναι υψηλότερη από τη συνολική διάρκεια αναπαραγωγής όλων των διαθέσιμων πακέτων στον ενδιάμεσο καταχωρητή, τότε τα πακέτα που φτάνουν μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας μεταπομπής θα είναι εκπρόθεσμα και θα απορριφθούν. Τόσο οι σταθεροί όσο και οι προσαρμοστικοί αλγόριθμοι προγραμματισμού αναπαραγωγής δεν μπορούν να αντιδράσουν δυναμικά στην απότομη μεταβολή της καθυστέρησης (burst 60

78 Σχήμα 21: Συμβατικό και Προτεινόμενο Χρονοδιάγραμμα Αναπαραγωγής delay) που δημιουργείται με τη διαδικασία μεταπομπής, απορρίπτοντας τα πακέτα που θα έπρεπε να είχαν ληφθεί κατά τη διάρκεια της μεταπομπής. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα βελτιστοποιημένα πρωτόκολλα κινητικότητας της ταχείας μεταπομπής λαμβάνουν ιδιαίτερη μέριμνα για την ενδιάμεση καταχώρηση αυτών των πακέτων στην πλευρά του δικτύου κατά τη διάρκεια της μεταπομπής και στη συνέχεια την παράδοση τους στο νέο σημείο σύνδεσης. Λαμβάνοντας όλα τα παραπάνω υπ όψιν, γίνεται σαφές ότι αυτή η έλλειψη συγχρονισμού μεταξύ του πρωτοκόλλου διαχείρισης κινητικότητας και της εφαρμογής φωνής οδηγεί σε σπατάλη των πόρων του δικτύου και ακυρώνει οποιαδήποτε επιμέρους πλεονεκτήματα. Σκοπός μας ήταν να αξιολογηθούν τα οφέλη της ενορχήστρωση της διαδικασίας μεταπομπής και του αλγορίθμου αναπαραγωγής. Για το σκοπό αυτό, πληροφορίες από το στρώμα ζεύξης συνδυάζονται με κλιμακοθέτηση των πακέτων φωνής προκειμένου να αντισταθμίσει η περίοδος διακοπής της επικοινωνίας εξαιτίας της μεταπομπής. Η ανάλυση που ακολουθεί χρησιμοποιεί την ειδοποίηση συμβάντων του πρωτοκόλλου MIH και μια εκτίμηση της καθυστέρησης μεταπομπής για να υπολογίσει την απαιτούμενη κλιμακωθέτηση των πακέτων φωνής κατά τη διάρκεια και αμέσως μετά τη μεταπομπή. Προκειμένου να εκτιμηθεί η καθυστέρηση μεταπομπής, ο αλγόριθμος μεταπομπής μπορεί να εκμεταλλευτεί την ειδοποίηση του MIH που καλείται σε περίπτωση που αυτή η μετρική είναι διαθέσιμη για το νέο δίκτυο. Εναλλακτικά, ο κινητός κόμβος μπορεί να διατηρεί αρχείο της καθυστέρησης προηγούμενων μεταπομπών και να υπολογίζει μια αναμενόμενη τιμή. Θεωρώντας ότι για μια συγκεκριμένη περιοχή και μια σχετικά μικρή χρονική περίοδο η καθυστέρηση μεταπομπής δεν θα παρουσιάζει σημαντική διακύμανση. Το Σχήμα 21 απεικονίζει το χρονοδιάγραμμα της λήψης, της συμβατικής αναπαραγωγής και του προτεινόμενου προγραμματισμού της αναπαραγωγής των πακέτων κατά τη διάρκεια και αμέσως μετά τη μεταπομπή, που συμβολίζεται ως t r, t p, και t p αντίστοιχα. Το πακέτο P 1 είναι το πρώτο που έχει προγραμματιστεί να αναπαραχθεί αμέσως μετά το συμβάν τη χρονική στιγμή t ld. Τα πακέτα P 2 και P 3 έχουν επίσης ληφθεί και αποθηκευθεί στον ενδιάμεσο καταχωρητή του κινητού κόμβου πριν από την απώλεια της σύνδεσης. Αντιθέτως, τα πακέτα P 4 έως P 8 είναι αποθηκευμένα στην πλευρά του δικτύου κατά τη διάρκεια της μεταπομπής και αποστέλλονται σχεδόν ταυτόχρονα με την ολοκλήρωσή της. 61

79 Το πρώτο σημαντικό χρονικό διάστημα στην ανάλυση που ακολουθεί είναι η διάρκεια αναπαραγωγής καταχωρημένων πακέτων, συμβολίζεται με D BP και είναι η συνολική διάρκεια αναπαραγωγής των πακέτων που ευρίσκονται στον ενδιάμεσο καταχωρητή του κινητού κόμβου ακριβώς πριν από την εκδήλωση της απώλειας της ζεύξης. Επιπλέον, η μεταβλητή D HO συμβολίζει την καθυστέρηση μεταπομπής, η οποία ορίζεται ως το χρονικό διάστημα μεταξύ της απώλειας της σύνδεσης και της στιγμής που ο κινητός κόμβος μπορεί να λάβει και πάλι πακέτα δεδομένων. Επιπρόσθετα, η μεταβλητή D SP δείχνει τη διάρκεια της υποστηριζόμενης περιόδου, η οποία είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ της απώλειας της σύνδεσης και τη στιγμή που ο ενδιάμεσος καταχωρητής αποστραγγίζεται (δηλαδή τη στιγμή που αναπαράχθηκε και το τελευταίο διαθέσιμο πακέτο). Τέλος, η περίοδος διακοπής, που συμβολίζεται ως D OP είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ της στιγμής που ο ενδιάμεσος καταχωρητής αποστραγγίζεται και της στιγμής που ο κινητός κόμβος αρχίζει να λαμβάνει πακέτα και πάλι. Βάσει των προηγούμενων, η περίοδος διακοπής μπορεί να υπολογιστεί ως εξής: D OP = D HO D SP = D HO (t i p t dl ) (4.6) όπου t i p είναι η ήδη προγραμματισμένη χρονική στιγμή αναπαραγωγής του πακέτου P i, το οποίο είναι το πρώτο πακέτο που πρόκειται να ληφθεί αμέσως μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας μεταπομπής. Στο παράδειγμα του σχήματος 21, ισχύει ότι i = 4. Τέλος, ο συντελεστής κλιμακοθέτησης α για την επιμήκυνση των διαθέσιμων πακέτων στον ενδιάμεσο καταχωρητή αναπαραγωγής είναι: α D BP = D BP + D OP α = 1 + D OP D BP (4.7) Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 21, στην περίπτωση του συμβατικού προγραμματισμού αναπαραγωγής (t p ), τα πακέτα P 4 έως P 8 (με το διακεκομμένο περίγραμμα) θα απορριφθούν καθώς λαμβάνονται μετά την προγραμματισμένη χρονική στιγμή αναπαραγωγής τους. Αυτή είναι μια σπατάλη των πόρων του δικτύου, όπως μνήμης του ενδιάμεσου καταχωρητή στην πλευρά του δικτύου, και του εύρος ζώνης. Συγχρόνως, η αποτελεσματικότητα ενός ευφυούς πρωτοκόλλου μεταπομπής, που παίρνει ειδική μέριμνα για την αποθήκευση των πακέτων κατά τη διάρκεια της μεταπομπής, εκμηδενίζεται. Τέτοια πρωτόκολλα είναι για παράδειγμα η ταχεία μεταπομπή για το MIPv6 [5] και η ταχεία μεταπομπή για το PMIPv6 [12] που περιγράφηκαν στο Κεφάλαιο 2. Αντίθετα, με τον προτεινόμενο αλγόριθμο τα συγκεκριμένα πακέτα αναπαράγονται αφού πρώτα συμπιεστούν χρονικά. Ο συντελεστής συμπίεσης β μπορεί να υπολογιστεί ως εξής: β D CP = D CP D OP β = 1 D OP D CP (4.8) όπου ως D CP συμβολίζεται η χρονική διάρκεια της περιόδου συμπίεσης, η οποία είναι η συνολική διάρκεια αναπαραγωγής των πακέτων που πρόκειται να συμπιεστούν. Στο παράδειγμα του Σχήματος 21, η D CP είναι η χρονική διάρκεια αναπαραγωγής των πακέτων P 4 έως και P 8. Με την έλευση της περιόδου D CP, τα επερχόμενα πακέτα θα αναπαραχθούν κανονικά δηλαδή χωρίς μεταβολή της διάρκειας τους (π.χ. το πακέτο P 9 στο προηγούμενο παράδειγμα). Εάν η περίοδος D CP είναι πολύ μικρή, η συμπίεση θα είναι υψηλή με αποτέλεσμα την πρόκληση παραμορφώσεων. Από την άλλη πλευρά, εάν η περίοδος D CP είναι εκτεταμένη, θα συμπιεστεί μεγαλύτερος αριθμός πακέτων. Τυπικές τιμές του συντελεστή β πρέπει να εμπίπτουν στο εύρος τιμών 0.4 έως 0.7 αλλά σίγουρα 62

80 όχι μικρότερες από 0.3. Εναλλακτικά, για μια δοσμένη διάρκεια της περιόδου D OP, η περίοδος αναπαραγωγής συμπιεσμένων πακέτων D CP μπορεί να εξαχθεί θέτοντας μια επιθυμητή τιμή στο συντελεστή β. Επιπλέον, όταν ισχύει η σχέση D HO > 2.0 D BP, η καθυστέρηση μεταπομπής θα υπερβαίνει τη μέγιστη επιτρεπόμενη επιμήκυνση της διάρκειας αναπαραγωγής, καθώς ο συντελεστής επιμήκυνσης δεν θα πρέπει να είναι μεγαλύτερος από 2. Στην περίπτωση αυτή μπορεί να ακολουθηθεί μια παρόμοια προσέγγιση με την επιστημονική εργασία [44]. Αρχικά, κάθε πακέτο στον καταχωρητή αναπαραγωγής επιμηκύνεται στο μέγιστο βαθμό (δηλαδή διπλασιάζεται) και στη συνέχεια επεκτείνεται περαιτέρω μέσω της υποκατάστασης κυματομορφής. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος προσαρμογής μας παρουσιάζεται στο Σχήμα 22. Με τη λήψη ειδοποίησης ενός συμβάντος, ο προτεινόμενος αλγόριθμος αναπαραγωγής ενεργοποιείται. Αρχικά υπολογίζεται ο παράγοντας επιμήκυνσης α. Αν o α είναι μεγαλύτερος από 2, εκτελείται η μέθοδος WSOLA με είσοδο ένα πακέτο για όσα πακέτα χρειαστεί. Σε αντίθετη περίπτωση, ο τυπικός αλγόριθμος WSOLA πραγματοποιείται έχοντας ως σήμα εισόδου όλα τα διαθέσιμα πακέτα στον καταχωρητή αναπαραγωγής. Εάν η διάρκεια της μεταπομπής υπερβαίνει τη διαθέσιμη περίοδο ανασυγκρότησης συνολικού μήκους 3 D BP τότε γίνεται υποκατάσταση σιγής του υ- πολειπόμενου διαστήματος. Συνεπώς, η προτεινόμενη μέθοδος με χρήση συμβάντων του στρώματος ζεύξης χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο WSOLA με είσοδο ένα πακέτο μόνο όταν ο τυπικός αλγόριθμος δεν είναι επαρκής και επιτυγχάνοντας έτσι καλύτερη απόδοση από την επιστημονική εργασία [44]. Τέλος, σημειώνεται ότι η επιμήκυνση των διαθέσιμων πακέτων μπορεί να αρχίσει πριν από την εκδήλωση του συμβάντος, με χρήση των συμβάντων ή. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να είναι πιο αποτελεσματική όταν η πληρότητα του καταχωρητή αναπαραγωγής είναι χαμηλή και η μέγιστη επιμήκυνση των διαθέσιμων πακέτων μπορεί να μην είναι αρκετή για να γεφυρώσει το χάσμα που δημιουργείται από τη μεταπομπή. Ωστόσο, η προηγούμενη ανάλυση εξακολουθεί να ισχύει μετά την την εκδήλωση του συμβάντος για τον υπολογισμό της επιμήκυνσης των επόμενων πακέτων. 4.5 Αποτελέσματα Υποκειμενικών Δοκιμών Ακρόασης Όπως περιγράφηκε και στην Ενότητα 4.3, τόσο οι σταθεροί όσο και οι προσαρμοστικοί αλγόριθμοι αναπαραγωγής μπορούν να εκμεταλλευτούν μόνο τις μεθόδους α- πόκρυψης απωλειών για να αναπληρώσουν απώλειες διαδοχικών πακέτων, όπως αυτές που προκαλούνται από τη μεταπομπή. Ως εκ τούτου, η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου αξιολογήθηκε σε σύγκριση με την υποκατάστασης σιωπής, την υποκατάσταση κυματομορφής και τη μέθοδο απόκρυψης WSOLA. Για να γίνει δυνατή αυτή η σύγκριση αναπτύχθηκε ένα πρόγραμμα προσομοίωσης το οποίο είναι ικανό να εισαγάγει παραμόρφωση στα αρχεία ήχου με παρόμοιο τρόπο με τη διαδικασία τη μεταπομπής. Στη συνέχεια, διεξήχθησαν υποκειμενικές δοκιμές ακρόασης με σκοπό την απόκτηση των τιμών MOS της κάθε τεχνικής Περιβάλλον προσομοίωσης Το πρόγραμμα προσομοίωσης υλοποιήθηκε σε γλώσσα C++, προκειμένου να εισάγει παραμόρφωση στα αρχεία ήχου με βάση τα υπό εξέταση σενάρια. Τα ορίσματα που 63

81 Step 1: Read Input Values P kt ID current packet id P kt BF number of packets in playout buffer D P kt Packet length in ms D HO estimated handover delay in ms Step 2: Calculate Outage Period and Scaling Factor D SP (P kt ID + P kt BF ) now D OP D HO D SP D CP (2 D OP )/D P kt D P kt D BP P kt BF D P kt α 1 + D OP /D BP β 1 D OP /D CP Step 3: Expand Packets NewP kt ID P kt ID + P kt BF Step 3.1: Single Packet WSOLA and Waveform Substitution if α > 2.0 then P kt W S D HO 2.0 D SP D P kt while P kt W S > 0 do if P kt ID < NewP kt ID then expand (P kt ID, 2.0) output (expand, P kt ID ) Write(output) P kt ID P kt ID + 1 D OP D OP 2 D P kt P kt BF P kt BF 1 D BP P kt BF D P kt else Write(empty) end if P kt W S P kt W S 1 end while α (D BP + D OP )/D BP end if Step 3.2: Expand Packets Normally if P kt BF > 0 then expand (P kt ID, P kt BF, α) end if Step 4: Compress Incoming Packets while P kt ID < (NewP kt ID + D CP /D P kt ) do output (P kt ID, β) Write(output) end while Σχήμα 22: Προτεινόμενος Αλγόριθμος Αναπαραγωγής 64

82 Σχήμα 23: Διάγραμμα Ακολουθίας Προσομοιωτή λαμβάνει ως είσοδο το πρόγραμμα είναι ένα αρχείο φωνής, ο χρόνος εκκίνησης της μεταπομπής, και η διάρκειά της. Το παραγόμενο αποτέλεσμα είναι ένα παραμορφωμένο αρχείο βάσει του κάθε εξεταζόμενου σεναρίου. Το Σχήμα 23 απεικονίζει το γενικό διάγραμμα ακολουθίας του προσομοιωτή. Όπως φαίνεται και από το σχήμα, το πρόγραμμα αποτελείται από τις ακόλουθες κλάσεις: 1. Κλάση πακέτων: Τα αντικείμενα αυτής της κλάσης αντιπροσωπεύουν τα πακέτα με μεταβλητές τον αριθμό αναγνώρισης του πακέτου, το χρόνο που το πακέτο δημιουργήθηκε στην πηγή, τη χρονική στιγμή που το πακέτο ελήφθη στον προορισμό και τέλος την προγραμματισμένη στιγμή αναπαραγωγής του. Κάθε πακέτο στο πεδίο της C++ αντιστοιχεί και σε ένα συγκεκριμένο αριθμό δειγμάτων του αρχικού αρχείου φωνής. Ως αποτέλεσμα, όταν ένα πακέτο αναπαράγεται στον προσομοιωτή τα αντίστοιχα δείγματα εγγράφονται στο παραμορφωμένο αρχείο φωνής που αποτελεί και την έξοδο του προγράμματος. 2. Κλάση δικτύου: Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, η κλάση δικτύου αναθέτει τις τιμές στις μεταβλητές των χρονικών στιγμών δημιουργίας και λήψης του κάθε πακέτου. Η εφαρμοζόμενη καθυστέρηση του δικτύου μπορεί να είναι σταθερή ή στοχαστική ακολουθώντας μια συγκεκριμένη κατανομή. Για τα πακέτα που ε- μπλέκονται στη διαδικασία της μεταπομπής, η κλάση υπολογίζει και εφαρμόζει την πρόσθετη καθυστέρηση. Όπως ο κύριος στόχος της ερευνάς μας είναι οι απώλειες εκπρόθεσμων πακέτων που προκαλείται από τη διαδικασία της μεταπομπής, η καθυστέρηση του δικτύου ορίστηκε σταθερή και ίση με 50 ms καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Συνεπώς, οι μόνες απώλειες που παρατηρήθηκαν ο- φείλονται στη μεταπομπή και όχι στη διακύμανση της καθυστέρησης μετάδοσης των πακέτων. 3. Κλάση αναπαραγωγής: Αυτή είναι και η πιο σημαντική κλάση του προγράμματος, καθώς προσομοιώνει τη συμπεριφορά του αλγορίθμου προγραμματισμού 65

83 αναπαραγωγής. Αρχικά, υπολογίζεται το μέγεθος του ενδιάμεσου καταχωρητή α- ναπαραγωγής. Για ένα δίκτυο με σταθερή καθυστέρηση μετάδοσης της τάξης των 50 ms, αυτό έχει ως αποτελέσματα έναν σταθερού μήκους ενδιάμεσο καταχωρητή αναπαραγωγής με D BP ίση με 60 ms. Εάν ένα πακέτο ληφθεί πριν από τη χρονική στιγμή αναπαραγωγής του, τότε τα αντίστοιχα δείγματα φωνής που μεταφέρει το πακέτο εγγράφονται στο αρχείο εξόδου. Σε περίπτωση απώλειας εκπρόθεσμων πακέτων, η κλάση αναπαραγωγής αντικαθιστά τα δείγματα του χαμένου πακέτου βάσει των τεχνικών που περιγράφηκαν στην ενότητα 4.3. Ένα διαφορετικό αρχείο εξόδου δημιουργείται για κάθε μία από τις τέσσερις τεχνικές απόκρυψης απωλειών σε κάθε κύκλο προσομοίωσης. Για τον αλγόριθμο αντικατάστασης κυματομορφής χρησιμοποιήθηκε η συνάρτηση ετεροσυσχέτισης (cross-correlation) με παράθυρο α- ναζήτησης εύρους 20 ms. Αυτή η κλάση υλοποιεί επίσης τον αλγόριθμο WSOLA όπως περιγράφεται στην ενότητα 4.3. Η αντίστοιχη μέθοδος λαμβάνει ως ορίσματα τα αναγνωριστικά των πακέτων εισόδου και τον συντελεστή κλιμακοθέτησης και επιστρέφει το παραχθέν σήμα εξόδου. Παρόμοια με τις επιστημονικές εργασίες [44], [48], ο αλγόριθμος WSOLA χρησιμοποιεί συνάρτηση παραθύρου Hanning, μήκος τεμαχισμού 20 ms, συντελεστή επικάλυψης 50 %, τη συνάρτηση ετεροσυσχέτισης ως μέτρο ομοιότητας και περιοχή αναζήτησης 5 ms Υποκειμενικές Δοκιμές Ακρόασης Τα αρχεία ομιλίας που χρησιμοποιήθηκαν για τις δοκιμές αποτελούνται από α- πλές, ουσιαστικές, σύντομες, και μεταξύ τους ασυσχέτιστες εννοιολογικά φράσεις, που ηχογραφήθηκαν από τέσσερις ομιλητές, τόσο άντρες όσο και γυναίκες. Κάθε δείγμα α- ποτελείται από δύο φράσεις που χωρίζονται από μισό δευτερόλεπτο σιγής. Στην ερευνά μας χρησιμοποιήθηκαν, παρόμοια με προηγούμενες επιστημονικές μελέτες [45], γνωστοί κωδικοποιητές φωνής ούτως ώστε να καθίσταται δυνατή η μεταξύ τους σύγκριση. Εκτός αν διευκρινίζεται διαφορετικά, τα αρχεία φωνής που χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά έ- χουν κωδικοποιηθεί με τη χρήση του κωδικοποιητή G.711 Alaw με διφυορυθμό 64 kbps και συχνότητα δειγματοληψίας 8 KHz. Κάθε πακέτο μεταφέρει 160 δείγματα φωνής που αντιστοιχούν συνολικά σε 20 ms διάρκεια αναπαραγωγής. Δεκαοκτώ ακροατές συμμετείχαν στις δοκιμές, τόσο άνδρες όσο και γυναίκες διαφόρων ηλικιών. Η τελική βαθμολογία για κάθε σενάριο λαμβάνεται από το μέσο όρο των βαθμολογιών από όλους τους ακροατές και για όλα τα δείγματα. Για την αξιολόγηση των υπο εξέταση αλγορίθμων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος βαθμολόγησης κατηγορίας βάσει υποβάθμισης (DCR - degradation category rating), όπως περιγράφεται στο παράρτημα Δ της σύστασης ITU-T P.800 [49]. Καθώς η διαδικασία μεταπομπής διαρκεί μόνο για μερικές εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου, η υποβάθμιση της ποιότητας της φωνής είναι μικρή και η μέθοδος DCR είναι η πλέον κατάλληλη, δεδομένου ότι παρέχει υψηλότερη ευαισθησία. Η μέθοδος DCR συγκρίνει το υπό δοκιμή σενάριο με αρχεία αναφοράς υψηλής ποιότητας τα οποία αναπαράγονται σε ζεύγη (δηλαδή δείγμα αναφοράς - παραμορφωμένο δείγμα) για να επιτρέψει μεγαλύτερη ευαισθησία με την άμεση σύγκρισή τους. Στη συνέχεια, η υποβάθμιση βαθμολογείται σε μια κλίμακα πέντε βαθμίδων που αντιστοιχεί σε 5-Μη ανιχνεύσιμη παραμόρφωση, 4-αισθητή αλλά μη ενοχλητική, 3-ελαφρώς ενοχλητική, 2-ενοχλητική, και 1-πολύ ενοχλητική. Οι βαθμολογίες που προκύπτουν με αυτόν τον τρόπο αναφέρεται ως MOS υποβάθμισης (DMOS - degradation MOS). Επίσης συμπεριλήφθηκαν δοκιμές αναφοράς στις οποίες το αρχικό δείγμα παίζεται δύο φορές, προκειμένου να αξιολογηθεί η κρίση 66

84 Σχήμα 24: DMOS συναρτήσει της Καθυστέρησης Μεταπομπής των ακροατών. Οι δοκιμές αναφοράς έλαβαν βαθμολογία 4.9, η οποία εξασφαλίζει την εγκυρότητα της μεθοδολογίας των δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν Αποτελέσματα Στη συνέχεια παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα των υποκειμενικών δοκιμών ακρόασης που λήφθηκαν με χρήση του προαναφερόμενου προσομοιωτή και τεχνικής αξιολόγησης. Όπως προκύπτει, ο προτεινόμενος αλγόριθμος προγραμματισμού αναπαραγωγής επιτυγχάνει σημαντική βελτίωση της παρεχόμενης υπηρεσίας χάρις στην διαστρωματική αρχιτεκτονική του, η οποία εκτείνεται από το στρώμα ζεύξης έως και το στρώμα εφαρμογής Επίδραση της Καθυστέρησης Μεταπομπής Το Σχήμα 24 απεικονίζει τις τιμές DMOS που ελήφθησαν ως συνάρτηση της καθυστέρησης μεταπομπής, D HO, για όλα τα υπό δοκιμή σενάρια. Όπως γίνεται φανερό, ο προτεινόμενος αλγόριθμος, ο οποίος έχει επίγνωση της κατάστασης της κινητικότητας για τον προγραμματισμό της αναπαραγωγής και συμβολίζεται ως MIH - WSOLA υ- περτερεί σημαντικά των υπολοίπων μεθόδων της υποκατάστασης σιγής ( Silence ), της υποκατάστασης κυματομορφής ( Waveform ), και της απόκρυψης απωλειών με τη τεχνική WSOLA ( WSOLA ). Επιπλέον, το Σχήμα 24 δείχνει ότι η αρχική κλίση για όλους τους αλγορίθμους είναι πιο απότομη για τιμές της καθυστέρησης μεταπομπής μεταξύ 120 και 160 χιλιοστών του δευτερολέπτου σε σύγκριση με το διάστημα μεταξύ 160 και 200 χιλιοστών του δευτερολέπτου. Αυτό είναι σύμφωνο με ευρήματα προηγούμενων επιστημονικών εργασιών, που δείχνουν ότι υπάρχει μεγαλύτερη ανοχή σε ένα χαμηλό ποσοστό απώλειας πακέτων. 67

85 Σχήμα 25: DMOS συναρτήσει της τιμής D BP Μεταξύ των υπό εξέταση αλγορίθμων, η υποκατάσταση σιγής παρουσιάζει τη χειρότερη απόδοση (δηλαδή τιμές DMOS από 3,88 στα 120 ms έως 2,68 στα 200 ms), δεδομένου ότι δεν εκτελεί ανακατασκευή του τμήματος των χαμένων δεδομένων. Μια ελαφρώς καλύτερη απόδοση επιτυγχάνεται με τον αλγόριθμο υποκατάστασης κυματομορφής (δηλαδή 3.92 στα 120 ms έως 2.76 στα 200 ms), ωστόσο με τη χρήση τεχνικών τροποποίησης της χρονικής κλίμακας ανακατασκευάζεται ένα τμήμα μόνο του συνόλου των χαμένων δειγμάτων. Η τεχνική WSOLA βελτιώνει περαιτέρω την ποιότητα της ομιλίας επιτυγχάνοντας τιμές από 4,03 στα 120 ms έως 2,81 στα 200 ms. Ωστόσο, ο αλγόριθμος αυτός περιμένει να χαθεί το πρώτο πακέτο προκειμένου να αρχίσει να αποκρύπτει τις απώλειες και να προσαρμόσει το χρόνο αναπαραγωγής των πακέτων. Αυτό σημαίνει ότι μόνο το τελευταίο πακέτο που λήφθηκε επιτυχώς μπορεί να αξιοποιηθεί από την τεχνική WSOLA, προκειμένου να αποκρύψει την περίοδο διακοπής της επικοινωνίας. Τέλος, ο προτεινόμενος αλγόριθμος αναπαραγωγής επιτυγχάνει την καλύτερη απόδοση με τιμές DMOS από 4,16 στα 120 ms έως 3,08 στα 200 ms. Αυτό συμβαίνει επειδή ο αλγόριθμος αντιδρά εκ των προτέρων, με βάση την παρεχόμενη γνώση από τα συμβάντα του στρώματος ζεύξης, χρησιμοποιώντας όλα τα διαθέσιμα πακέτα που βρίσκονται στον ενδιάμεσο καταχωρητή αναπαραγωγής. Ως εκ τούτου, ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιτυγχάνει μια αύξηση τουλάχιστον 0,3 DMOS μονάδων σε σύγκριση με άλλες μεθόδους απόκρυψης απωλειών ακόμη και στο ακραίο σενάριο όπου η καθυστέρηση μεταπομπής, D HO, γίνεται 200 ms Επίδραση του Μήκους του Καταχωρητή Αναπαραγωγής Το Σχήμα 25 απεικονίζει τις DMOS τιμές που λαμβάνονται για τον προτεινόμενο αλγόριθμο σε συνάρτηση με την καθυστέρηση μεταπομπής για διαφορετικές τιμές της 68

86 Σχήμα 26: DMOS για διάφορους κωδικοποιητές διάρκειας του ενδιάμεσου καταχωρητή αναπαραγωγής, D BP. Επιπρόσθετα με τα προηγούμενα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν για D BP = 60 ms, συμπληρωματικά αποτελέσματα ελήφθησαν για D BP = 80 ms. Αυτό σημαίνει ότι ένα επιπλέον πακέτο είναι διαθέσιμο στον ενδιάμεσο καταχωρητή ακριβώς πριν από τη μεταπομπή. Όπως φαίνεται, η αύξηση στην τιμή DMOS κυμαίνεται από 0,2 για D HO = 120 ms έως 0,7 για D HO = 200 ms, τονίζοντας επιπλέον τις δυνατότητες του προτεινόμενου αλγορίθμου. Αυτή η παρατήρηση είναι ένα αποτέλεσμα της διπλής επίδραση του επιπρόσθετου πακέτου στον ενδιάμεσο καταχωρητή. Πρώτον, η περίοδος διακοπής μειώνεται περαιτέρω κατά 20 ms, ενώ, αφετέρου, εφαρμόζεται μικρότερη κλιμακοθέτηση στα εμπλεκόμενα πακέτα Επίδραση της Συμπίεσης Kωδικοποιητή Το Σχήμα 26 εμφανίζει την επίδραση της χρήσης ενός κωδικοποιητή με υψηλότερο βαθμό συμπίεσης για όλα τα υπό εξέταση σενάρια. Για την περίπτωση αυτή χρησιμοποιήθηκε ο πλήρους ρυθμού κωδικοποιητής GSM, ο οποίος μετασχηματίζει μπλοκ των 160 δειγμάτων ομιλίας που εκτείνονται σε 20 ms με αποτέλεσμα ρυθμό δειγματοληψίας 8 KHz και ρυθμό δεδομένων 13 Kbps. Για την περίπτωση αυτή η καθυστέρηση μεταπομπής είχε οριστεί στα 200 ms και το μέγεθος του ενδιάμεσου καταχωρητή στα 60 ms. Ενώ στην περίπτωση του κωδικοποιητή GSM παρατηρείται υποβάθμιση της ποιότητας της ομιλίας σε σύγκριση με τον κωδικοποιητή G.711 για όλα τα σενάρια, ο προτεινόμενο αλγόριθμος πλήττεται λιγότερο. Ειδικότερα, η μείωση της τιμής DMOS για τον προτεινόμενο αλγόριθμο είναι 0,08, ενώ για τις άλλες περιπτώσεις κυμαίνεται μεταξύ του 0,15 και 0,2. Η παρατήρηση αυτή δικαιολογείται από το γεγονός ότι η υποβάθμιση της ποιότητας ομιλίας, λόγω του υψηλότερου βαθμού συμπίεσης σε συνδυασμό με την απώλεια πακέτων είναι σημαντικά επιζήμια για την ποιότητα φωνής. 69

87 Αντιθέτως, το ανακατασκευασμένο σήμα του προτεινόμενου αλγορίθμου καλύπτει την απώλεια πακέτων και επιτυγχάνει καλύτερη συνολική απόδοση. 4.6 Συμπεράσματα Στο παρόν κεφάλαιο προτάθηκε αλγόριθμος προγραμματισμού αναπαραγωγής δεδομένων για την εφαρμογή VoIP με χρήση της υπηρεσίας του πρωτοκόλλου MIH. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος αποτελεί ουσιαστικά μια διαστρωματική αρχιτεκτονική, στην οποία τα συμβάντα του στρώματος ζεύξης δεδομένων συγχρονίζουν τις λειτουργίες του στρώματος διαχείρισης κινητικότητας, όπως στην περίπτωση της ταχείας μεταπομπής όσο και του στρώματος εφαρμογής με την κατάλληλη αναπαραγωγή των δεδομένων. Στην ανάλυση του χρονικού προγραμματισμού της αναπαραγωγής των πακέτων που πραγματοποιήθηκε σε αυτό το κεφάλαιο, αναδείχθηκε η αδυναμία των συμβατικών αλγόριθμων αναπαραγωγής να είναι αποδοτικοί κατά τη διάρκεια των μεταπομπών. Πολύ περισσότερο μάλιστα, αναδείχθηκε η αδυναμία τους να εκμεταλλευθούν τα πακέτα που τους παραδίδονται από το πρωτόκολλο ταχείας μεταπομπής μέσω μηχανισμών προώθησης και ενδιάμεσης καταχώρησης πακέτων, ακυρώνοντας ουσιαστικά αυτή τη λειτουργία και δαπανώντας δικτυακούς πόρους. Αντιθέτως, ο προτεινόμενος αλγόριθμος χρησιμοποιεί τεχνικές κλιμακοθέτησης αυξάνοντας τη διάρκεια των πακέτων που λήφθησαν αμέσως πριν τη μεταπομπή, παρέχοντας έτσι περισσότερο χρόνο στα πακέτα που λαμβάνονται με το πέρας αυτής. Με αποτελέσματα που προέκυψαν από υποκειμενικές δοκιμές ακρόασης αποδείχθηκε ότι ο προτεινόμενος αλγόριθμος επιτυγχάνει μια αύξηση τουλάχιστον κατά 0,3 μονάδες στην πενταβάθμια κλίμακα μέσης βαθμολογίας γνώμης. 70

88 Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζεται η εργασία που πραγματοποιήθηκε στο πεδίο της επιλογής δικτύου (network selection), το οποίο αποτελεί ένα σημαντικό ερευνητικό πεδίο ιδιαιτέρως μετά την έλευση των ετερογενών δικτύων. Καθώς ο χρηστής κινείται εντός ενός τέτοιο δικτύου, έχει τη δυνατότητα να επιλέξει μεταξύ πολλαπλών ασυρμάτων τεχνολογιών με διαφορετικά χαρακτηριστικά και δυνατότητες. Η αξιολόγηση και ιεράρχηση των επιμέρους δικτύων με σκοπό την ανάδειξη της βέλτιστης επιλογής υλοποιεί την απαίτηση για συνεχώς βέλτιστη σύνδεση (ABC - always best connected). Σε πολυμεσικές εφαρμογές, όπως το VoIP ή το δισδιάστατο (2D) βίντεο, έχουν αναλυθεί επαρκώς μοντέλα που προβλέπουν την ικανοποίηση του χρήστη βάσει παραμέτρων του δικτύου (π.χ. το Ε-Μodel που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 3). Η δική μας έρευνα επικέντρωσε στην ανάδειξη του καλύτερου υποψηφίου δικτύου για την πλέον απαιτητική υπηρεσία ζωντανής μετάδοσης τρισδιάστατου βίντεο. Με αυτόν τον τρόπο, ο χρήστης θα μπορεί να κινείται έχοντας αδιάλειπτη επικοινωνία και θα είναι ταυτόχρονα συνδεδεμένος με τη βέλτιστη επιλογή. Στόχος είναι ο συνδυασμός του πρωτοκόλλου με τη μικρότερη καθυστέρηση μεταπομπής μαζί με την επιλογή του καταλληλότερου δικτύου. Πρόσφατα, η βιομηχανία του θεάματος, οι πάροχοι υπηρεσιών πολυμέσων και η ερευνητική κοινότητα έχουν βιώσει την αποφασιστική εισαγωγή και εξέλιξη των τρισδιάστατων (3D) απεικονίσεων. Αυτή η πιο σύνθετη και περίπλοκη τεχνολογία σε σύγκριση με το παραδοσιακό δισδιάστατο βίντεο δημιουργεί το μείζον πρόβλημα του πώς ο χρήστης αντιλαμβάνεται την ποιότητα της τρισδιάστατης εικόνας. H αξιολόγηση της ποιότητας του τρισδιάστατου βίντεο περιλαμβάνει μια ποικιλία αντιλαμβανόμενων χαρακτηριστικών, συμπεριλαμβανομένης της συνολικής ποιότητας της εικόνας, τη φυσικότητα, την παρουσία, το αντιλαμβανόμενο βάθος, την άνεση, τον βαθμό απορρόφησης (immersiveness), και ούτω καθεξής. Η εργασία που πραγματοποιήθηκε σε αυτό το πεδίο συγκρίνει την απόδοση και την ακρίβεια μοντέλων αξιολόγησης της ποιότητας της εμπειρίας (QoE - quality of experience) που στηρίζονται στη μηχανική μάθηση. Με αυτό το σκοπό λήφθηκαν υπ όψιν πληροφορίες σχετικές με το χωρικό και χρονικό περιεχόμενο του βίντεο, την ανάλυση, το βήμα κβαντισμού, καθώς επίσης και παράμετροι από το φυσικό στρώμα, το στρώμα ζεύξης δεδομένων και το στρώμα δικτύου. Οι πληροφορίες αυτές εισάγονται στο προτεινόμενο QoE μοντέλο μηχανικής μάθησης, το οποίο επιστρέφει βάσει αυτών τη βέλτιστη επιλογή δικτύου. 71

89 5.1 Εισαγωγή Η εξάπλωση των κατανεμημένων πολυμεσικών εφαρμογών καθώς επίσης και των υπηρεσιών κινητών συσκευών, οι οποίες κυριαρχούν στον τομέα των τηλεπικοινωνιών κατά τη σύγχρονη εποχή, βασίζεται κυρίως στην απόδοση των πρωτοκόλλων δικτύων και στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα που παρέχουν τέτοιες δυνατότητες στον τελικό χρήστη. Η έρευνα και η ανάπτυξη αυτών των πρωτοκόλλων και των συστημάτων διανομής στοχεύει, από τεχνικής άποψης, στο όφελος που αποκομίζουν οι χρήστες. Ωστόσο, είναι γεγονός ότι η προαναφερθείσα αποτελεσματικότητα οποιασδήποτε εφαρμογής πολυμέσων μπορεί να αξιολογεί την ικανοποίηση των χρηστών με χρήση είτε προσομοιώσεων είτε αξιολόγησης της ποιότητας της εμπειρίας. Η ποιότητα της εμπειρίας μπορεί να οριστεί ως η συνολική αποδοχή μιας εφαρμογής ή υπηρεσίας ιδωμένη αυστηρά από την πλευρά του χρήστη. Πρόκειται για ένα υποκειμενικό μέτρο της διατερματικής απόδοσης των υπηρεσιών μέσα από τη σκοπιά του χρήστη και αποτελεί μια ένδειξη του πόσο καλά ανταποκρίνεται το δίκτυο στις ανάγκες των χρηστών [50]. Περιλαμβάνοντας πολλές διαφορετικές πτυχές, η ποιότητα της εμπειρίας στοχεύει στα αληθινά συναισθήματα των τελικών χρηστών, όταν παρακολουθούν μια ροοθήκευση βίντεο (αποθήκευση με τη μορφή συνεχούς ρεύματος δεδομένων - streaming), όταν ακούν μουσική και όταν περιηγούνται στο διαδίκτυο μέσα από μια πληθώρα μεθόδων και συσκευών [51]. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, πραγματοποιήθηκε μελέτη της μετάδοση σε πραγματικό χρόνο τρισδιάστατων πολυμέσων μέσω δικτύων τέταρτης γενιάς, τα οποία συγκλίνουν με βάση το πρωτόκολλο του διαδικτύου. Για να υποστηριχθεί η απρόσκοπτη παροχή των υπηρεσιών σε όλες τις διαφορετικές τεχνολογίες ασύρματης πρόσβασης, αναπτύσσεται ένα πλαίσιο διαχείρισης της κινητικότητας με βάση την ποιότητα της ε- μπειρίας, το οποίο θα χειρίζεται οριζόντιες και κατακόρυφες μεταπομπές λαμβάνοντας υπ όψιν παραμέτρους και στατιστικά τόσο από το στρώμα εφαρμογής όσο και από τα υποκείμενα στρώματα. Συνεπώς, θα είναι δυνατός ο συνδυασμός του βέλτιστου πρωτοκόλλου διαχείρισης κινητικότητας, όπως παρουσιάστηκε σε προηγούμενα κεφάλαια, με ένα μηχανισμό επιλογής του βέλτιστου υποψήφιου δικτύου για την υποστήριξη ακόμη και των πλέον απαιτητικών εφαρμογών. 5.2 Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Η αξιολόγηση της ποιότητας του βίντεο, χρησιμοποιώντας υποκειμενικές δοκιμές, α- παιτεί την αξιολόγηση της ποιότητας του βίντεο από παρατηρητές, όπως αυτή γίνεται αντιληπτή από το ανθρώπινο οπτικό σύστημα (HVS - human visual system). Εκτός του ότι αυτή η μέθοδος αξιολόγησης είναι ακριβή και επίπονη, η υποκειμενική αξιολόγηση της ποιότητας είναι εξαιρετικά δύσκολο να πραγματοποιηθεί σε πραγματικό χρόνο με σκοπό να ληφθεί υπ όψιν από μια εφαρμογή πραγματικού χρόνου. Από την άλλη πλευρά, αντικειμενικά πρότυπα για τη μέτρηση της ποιότητας βασίζονται σε υπολογιστικούς αλγόριθμους και μπορούν να προσφέρουν μια πιο πρακτική λύση αξιολόγησης της αντιλαμβανόμενης ποιότητας για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Τέτοιες αντικειμενικές μέθοδοι μέτρησης της ποιότητας δισδιάστατου βίντεο περιλαμβάνουν παραδοσιακές μεθόδους, όπως το μέσο τετραγωνικό σφάλμα (MSE - mean square error) και ο λόγος σήματος κορυφής προς θόρυβο (PSNR - peak-signal-to-noise ratio), ο βαθμός δομικής ο- μοιότητας (SSIM - structural similarity score), που μετρά τις διαρθρωτικές στρεβλώσεις για να εκτιμήσει τις αντιλαμβανόμενες στρεβλώσεις καθώς τέλος και η μετρική ποιότητας 72

90 βίντεο (VQM - video quality metric), η οποία μπορεί να ρυθμιστεί με βάση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της υπό εξέταση ακολουθίας βίντεο προκειμένου να παράγει υψηλής ποιότητας αξιολογήσεις [52]. Σε αντίθεση με την εφαρμογή VoIP και το δισδιάστατο βίντεο, η ανάπτυξη αντικειμενικών προτύπων για τη μέτρηση της ποιότητας τρισδιάστατου βίντεο είναι περιορισμένη, κυρίως για τους εξής δύο λόγους. Πρώτον, η έλλειψη αξιόπιστων αντικειμενικών μεθόδων αξιολόγησης του τρισδιάστατου βίντεο, οι οποίες να αντικατοπτρίζουν την ουσία της τρισδιάστατης ποιότητας της εμπειρίας, συμπεριλαμβάνοντας παράγοντες όπως η οπτική κόπωση και η αντίληψη του βάθος. Δεύτερον, οι σημαντικές διαφορές που παρουσιάζουν σε θέματα ποιότητας το τρισδιάστατο βίντεο σε σχέση με το δισδιάστατο καθώς το σήμα που πρέπει να αναλυθεί είναι το αποδιδόμενο (rendered) και όχι το μεταδιδόμενο. Τέτοιες προσεγγίσεις για την αντικειμενική μέτρηση της ποιότητας του τρισδιάστατου βίντεο είναι ο αλγόριθμος στην επιστημονική εργασία [53], ο οποίος βασίζεται στην ανίχνευση των στρεβλώσεων της ακμής και του χρώματος, η μέθοδος που παρουσιάζεται στην [54], που εκτιμά την ποιότητα του βίντεο με βάση προσαρμοστικό PSNR και μετρικής της σπασμωδικότητας (jerkiness) και οι επιστημονικές εργασίες [55] και [56] που συγκρίνουν το PSNR, το SSIM και το VQM βάσει υποκειμενικών μετρήσεων τρισδιάστατου βίντεο τόσο στερεοσκοπικού όσο και τεχνικής «χρώμα συν βάθος» προκειμένου να αξιολογηθεί το αντικειμενικό μέτρο. Στην επιστημονική μας εργασία [57], μελετήσαμε τεχνικές που βασίζονται στη μηχανική μάθηση (ML - machine learning) για την παραγωγή ενός μοντέλου με αντικειμενική εκτίμηση της ποιότητας της εμπειρίας, συνυπολογίζοντας τις διαταραχές που σχετίζονται με το δίκτυο, το οποίο θα παρουσιάσουμε και στη συνέχεια. Ειδικότερα, η μελέτη μας εστίασε στη συλλογή της υποκειμενικής εκτίμησης της ποιότητας της αριστερής και δεξιάς θέασης των ροών του τρισδιάστατου βίντεο, που μεταδίδονται πάνω από ασύρματα κανάλια που εισάγουν λάθη. Στη συνέχεια τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για να εκπαιδεύσουν έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης, με σκοπό να αναπτυχθεί ένα καθολικό μοντέλο ποιότητας της εμπειρίας. Η συγκεκριμένη προσπάθεια διαφοροποιείται από προηγούμενες μελέτες με δύο τρόπους. Αρχικά, το προτεινόμενο μοντέλο είναι συνάρτηση των παραμέτρων που συλλέγονται όχι μόνο από το στρώμα εφαρμογής, αλλά και από τα υποκείμενα στρώματα. Δεύτερον, αντί της μέτρησης των διατερματικών απωλειών πακέτων για να τον καθορισμό της αντιλαμβανόμενη ποιότητας της εμπειρίας, εφαρμόσαμε μια διαφορετική μεθοδολογία. Συγκεκριμένα, συλλέξαμε ένα σύνολο παραμέτρων της ποιότητας των υπηρεσιών (QoS - quality of service) από διαφορετικά σημεία της αλυσίδας μετάδοσης (δηλαδή το ποσοστό εσφαλμένων δυφίων από το φυσικό στρώμα, το φορτίο του στρώματος MAC και την καθυστέρηση μετάδοσης και τη διακύμανσή της από το στρώμα δικτύου), που αντιπροσωπεύουν τις συνολικές απώλειες σε πακέτα. Ως εκ τούτου, το προτεινόμενο διαστρωματικό μοντέλο αποσκοπεί στο να προσδιορίσει με μεγαλύτερη ακρίβεια απ ό,τι προηγούμενες εργασίες, τον αντίκτυπο των απωλειών των διαφορετικών στρωμάτων της στοίβας πρωτοκόλλων στην ποιότητα της εμπειρίας του χρήστη. 5.3 Διαχείριση Γνώσης στην Ποιότητα της Εμπειρίας Κάθε άνθρωπος συλλέγει εμπειρίες από το περιβάλλον με βάση τα γεγονότα που συμβαίνουν σε αυτό. Ομοίως, η αξιολόγηση της ποιότητας της εμπειρίας είναι μια μέθοδος που βασίζεται σε γεγονότα. Συγκεκριμένα, ο θεατής ανταποκρίνεται και αξιολογεί την ποιότητα της εμπειρίας παίρνοντας υπ όψιν τις αντιδράσεις που του προκάλεσαν 73

91 τα προηγούμενα γεγονότα. Η μάθηση με επίβλεψη είναι μια διαδικασία μάθησης που βασίζεται σε ένα διαθέσιμο σύνολο δειγμάτων που παράγει μια γενικευμένη υπόθεση, η οποία με τη σειρά της χρησιμοποιείται για να προβλέψει τα μελλοντικά δεδομένα. Όλες οι τεχνικές μηχανικής μάθησης αποτελούνται από τα ακόλουθα κύρια στάδια: τη συγκέντρωση του συνόλου των δεδομένων, την προ-επεξεργασία των δεδομένων, τη δημιουργία των χαρακτηριστικών, την επιλογή αλγορίθμου, τη μάθηση και την αξιολόγηση μέσα από δεδομένα δοκιμών. Η ακρίβεια του μοντέλου βελτιώνεται μέσω της επανάληψης, προσαρμόζοντας κάθε βήμα της διαδικασίας που χρειάζεται βελτίωση. Οι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης με επίβλεψη διακρίνονται σε: Λογικούς: Οι πιο δημοφιλείς αλγόριθμοι σε αυτήν την κατηγορία είναι τα δένδρα αποφάσεων, όπου κάθε κόμβος στο δένδρο ορίζει μια συνθήκη ελέγχου της τιμής κάποιου χαρακτηριστικού ενώ οι κλάδοι από κάθε κόμβο αναπαριστούν τις δυνατές διακριτές τιμές που μπορεί να λάβει το χαρακτηριστικό που σχετίζεται με τον κόμβο. Το μειονέκτημα των αλγορίθμων αυτής της κατηγορίας είναι ότι δεν είναι αποδοτικοί όταν χρησιμοποιούνται αριθμητικά χαρακτηριστικά. Αισθητήρα (Perceptron): Σε αυτήν την κατηγορία περιλαμβάνονται τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Τα νευρωνικά δίκτυα έχουν εφαρμοστεί σε μια σειρά από διαφορετικά προβλήματα του πραγματικού κόσμου και η ακρίβειά τους είναι συνάρτηση του αριθμού των νευρώνων που χρησιμοποιούνται καθώς και του κόστος επεξεργασίας. Ωστόσο, τα νευρωνικά δίκτυα μπορούν να καταστούν αναποτελεσματικά, όταν δέχονται ως είσοδο λανθασμένα χαρακτηριστικά. Στατιστικούς: Οι πιο γνωστοί αλγόριθμοι στατιστικής μάθησης είναι τα απλοϊκά μπεϋζιανά δίκτυα (naive bayesian network) και ο αλγόριθμος πλησιέστερου γείτονα (nearest neighbour). Ο πρώτος έχει το πλεονέκτημα ότι απαιτεί μικρό υπολογιστικό χρόνο για τη διαδικασία της εκπαίδευσης, αλλά θεωρείται μεροληπτικός αφού στηρίζεται στην υπόθεση πως μπορεί να γίνει διάκριση μεταξύ των κλάσεων, χρησιμοποιώντας μια μόνο κατανομή πιθανότητας. Ο δεύτερος αλγόριθμος βασίζεται στην αρχή ότι οι γειτονικές περιπτώσεις έχουν παρόμοιες ιδιότητες. Παρά το γεγονός ότι είναι πολύ απλός στη χρήση, καθώς απαιτεί μόνο τον αριθμό των πλησιέστερων γειτόνων ως είσοδο, είναι αναξιόπιστος όταν εφαρμόζεται σε δεδομένα με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Μηχανές Διανυσματικής Υποστήριξης (SVM - support vector machines): Οι συγκεκριμένοι αλγόριθμοι εκμάθησης έχουν αποδειχθεί ότι αποδίδουν καλύτερα όταν ασχολούνται με πολυδιάστατα και συνεχή χαρακτηριστικά, καθώς και όταν εφαρμόζονται σε εισόδους με μη-γραμμική σχέση μεταξύ τους. Ένα τέτοιο παράδειγμα εισόδων με μη-γραμμική σχέση είναι η ποιότητα της εμπειρίας του βίντεο για τον θεατή και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά που συλλέγονται από διαφορετικά σημεία της αλυσίδας μετάδοσης. Σε αυτό το κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη που εκπονήθηκε για την ανάπτυξη ενός αντικειμενικού μοντέλου πρόβλεψης της ποιότητας της εμπειρίας. Για αυτό το σκοπό διερευνήθηκαν και συγκρίθηκαν τρεις αλγόριθμοι όσον αφορά την ακρίβεια και την αποτελεσματικότητα τους. Ο πρώτος είναι ο απλοϊκός μπεϋζιανός ταξινομητής [58], ο δεύτερος είναι ένα δένδρο απόφασης που βασίζεται στον αλγόριθμο C4.5 [59], και ο τρίτος είναι ένα πολυεπίπεδο νευρωνικό δίκτυο [60]. 74

92 5.3.1 Απλοϊκός Μπεϋζιανός Ταξινομητής O απλοϊκός μπεϋζιανός ταξινομητής είναι μια απλή προσέγγιση για την εκπροσώπηση, τη χρήση και την εκμάθηση στοχαστικής γνώσης και έχει σχεδιαστεί ούτως ώστε να προβλέπει με ακρίβεια την τάξη των δειγμάτων δοκιμής, δεδομένου ότι αυτά περιλαμβάνουν πληροφορίες σχετικές με την κατηγορία. Ειδικότερα, ο απλοϊκός μπεϋζιανός ταξινομητής είναι μια εξειδικευμένη μορφή του μπεϋζιανού δικτύου που βασίζεται σε δύο σημαντικές απλουστευτικές υποθέσεις. Υποθέτει ότι τα προβλεπόμενα χαρακτηριστικά είναι υπό όρους ανεξάρτητα δεδομένης της κλάσης τους και ότι δεν υπάρχουν κρυμμένα χαρακτηριστικά που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη διαδικασία της πρόβλεψης. Αυτές οι υποθέσεις έχουν ως αποτέλεσμα έναν πολύ αποτελεσματικό αλγόριθμο ταξινόμησης και μάθησης. Έστω η τυχαία μεταβλητή C δηλώνει την κλάση μιας παρατήρησης και c η ειδικότερη ετικέτα της κλάσης. Επιπροσθέτως, το X είναι το διάνυσμα των τυχαίων μεταβλητών που περιγράφει τις τιμές των χαρακτηριστικών και το x είναι το διάνυσμα των χαρακτηριστικών του δείγματος. Προκειμένου να χαρακτηριστεί μια δοκιμαστική υπόθεση x εφαρμόζεται ο κανόνας του Μπέυζ για να υπολογιστεί η πιθανότητα κάθε κλάσης δοσμένου του διανύσματος των χαρακτηριστικών του δείγματος για τα προβλεπόμενα χαρακτηριστικά. P (C = c X = x) = P (C = c) P (X = x C = c) P (X = x) (5.1) Εφόσον το γεγονός X = x είναι μια σύζευξη των τιμών που ανατέθηκαν στα χαρακτηριστικά (X 1 = x 1 X2 = x 2..., Xk = x k ) και επειδή τα χαρακτηριστικά αυτά θεωρείται πως είναι υπό όρους ανεξάρτητα, τότε ο αριθμητής της εξίσωσης 5.1 μπορεί να εύκολα να υπολογιστεί: P (X = x C = c) = i P (X i = x i C = c) (5.2) O απλοϊκός μπεϋζιανός ταξινομητής μοντελοποιεί κάθε αριθμητικό χαρακτηριστικό ως μια συνεχή κατανομή πιθανότητας στο εύρος των τιμών των χαρακτηριστικών. Συνήθως αυτή η κατανομή πιθανότητας υποτίθεται ότι είναι η κανονική κατανομή που αντιπροσωπεύεται από τη μέση τιμή και την τυπική απόκλιση. Ως εκ τούτου, σε περίπτωση συνεχών χαρακτηριστικών η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας για μια κανονική (ή Gaussian) κατανομή είναι: P (X = x C = c) = G(x; µ c, σ c ), (5.3) G(x; µ, σ) = 1 e (x µ)2 2σ 2 2πσ (5.4) Για κάθε κλάση και για κάθε συνεχές χαρακτηριστικό, μόνο η μέση τιμή και τυπική απόκλιση είναι απαραίτητες. Ο αλγόριθμος είναι πολύ γρήγορος, σημαντικά ανεχτικός σε λανθασμένα χαρακτηριστικά και χρησιμοποιεί στοιχεία από πολλά χαρακτηριστικά. Από την άλλη πλευρά, τα μειονεκτήματα του απλοϊκού μπεϋζιανού ταξινομητή είναι ότι έχει χαμηλές επιδόσεις για ευρείς βάσεις δεδομένων και δέχεται ως δεδομένη την ανεξαρτησία των χαρακτηριστικών. Επίσης υπάρχει και πρακτική δυσκολία, καθώς ο απλοϊκός μπεϋζιανός ταξινομητής απαιτεί αρχική γνώση πολλών πιθανοτήτων το οποίο έχει ως αποτέλεσμα σημαντικό υπολογιστικό κόστος. 75

93 5.3.2 Λογικά Δένδρα Αποφάσεων Τα δένδρα αποφάσεων καταλήγουν σε αποφάσεις εξετάζοντας κάθε χαρακτηριστικό ξεχωριστά. Κάθε εσωτερικός κόμβος στο δένδρο αντιπροσωπεύει έναν τέτοιο έλεγχο τιμής, ενώ οι διακλαδώσεις από κάθε κόμβο φέρουν τις δυνατές τιμές που μπορεί να λάβει αυτό το χαρακτηριστικό. Κάθε τελικός κόμβος ονομάζεται κόμβος-φύλλο και φέρει την τιμή που θα επιστραφεί από τον αλγόριθμο όταν η προσπέλαση καταλήξει σε αυτόν. Με αυτό τον τρόπο, τα δείγματα κατατάσσονται σε κλάσεις, ξεκινώντας από τον κόμβο ρίζα που είναι και το σημαντικότερο χαρακτηριστικό και καταλήγοντας σε έναν κόμβοφύλλο. Ως εκ τούτου, μια δοκιμή κατηγοριοποιείται βάσει των χαρακτηριστικών της στο δένδρο. Ο C4.5 είναι ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για να χτίσει αντίστοιχα δένδρα απόφασης, όπου κάθε χαρακτηριστικό αντιστοιχεί σε κάθε κόμβο της δοκιμής. Ο αλγόριθμος βασίζεται στις ακόλουθες υποθέσεις: Όταν όλες οι περιπτώσεις υπάγονται στην ίδια κλάση, τότε το δένδρο εκφυλίζεται σε ένα φύλλο και φέρει την ετικέτα της συγκεκριμένης κλάσης. Για κάθε χαρακτηριστικό, υπολογίζεται η πιθανή πληροφορία που παρέχεται από τις δοκιμές για το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό. Επιπροσθέτως, μετράται το κέρδος της πληροφορίας που προκύπτει από μια δοκιμή στο χαρακτηριστικό, κάνοντας χρήση των πιθανοτήτων για κάθε περίπτωση, με συγκεκριμένη τιμή για το αν το χαρακτηριστικό ανήκει σε μια συγκεκριμένη κλάση. Βάσει του τρέχοντος κριτηρίου, απαιτείται η εύρεση του καλύτερου χαρακτηριστικού για τη δημιουργία νέου κλάδου. Το κριτήριο επιλογής είναι το κανονικοποιημένο κέρδος πληροφορίας. Συγκεκριμένα, ένα μέτρο της διαταραχής των δεδομένων είναι η εντροπία H( y ) ενός ν-διάστατου διανύσματος χαρακτηριστικών ενός δείγματος. Η υπό συνθήκες εντροπία H(j y ) προκύπτει από επανάληψη πάνω σε όλες τις πιθανές τιμές του y. Στη συνέχεια ο σκοπός του C4.5 είναι να βρει το χαρακτηριστικό με το υψηλότερο κέρδος πληροφορίας και να δημιουργήσει ένα κόμβο απόφασης. Ο παραπάνω αλγόριθμος εκφράζεται αναλυτικά από τις κάτωθι εξισώσεις: H( y ) = n j=1 y j y log y j y (5.5) H(j y ) = y j y log y j y (5.6) Gain( y, j) = H( y H(j y )) (5.7) Το τελικό στάδιο του αλγορίθμου είναι το κλάδεμα του δένδρου προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί το σφάλμα ταξινόμησης που οφείλεται σε ακραίες τιμές. Στην περίπτωση των δένδρων απόφασης, οι ακραίες τιμές είναι παρατηρήσεις που δεν είναι σαφώς καθορισμένες λόγω πιθανών εξειδικεύσεων στο σύνολο εκπαίδευσης Πολυεπίπεδα Νευρωνικά Δίκτυα Ένα πολυεπίπεδο νευρωνικό δίκτυο (επίσης γνωστό και ως πολυεπίπεδο δίκτυο εμπρόσθιας τροφοδότησης) έχει ως είσοδο ένα επίπεδο νευρώνων που είναι υπεύθυνο για την κατανομή των τιμών στο διάνυσμα πρόβλεψης τιμών μεταβλητών, στους νευρώνες 76

94 X = X 1... W h u 1 σ h 1 W Y 11 v 1... σ Y 1... = Y Xi W h Li u L σ h L W Y jl v i σ Y j Input Layer Hidden Layer (W h ) Output Layer (W Y ) Σχήμα 27: Το Πολυεπίπεδο Νευρωνικό Δίκτυο των προσομοιώσεων των κρυμμένων επιπέδων. Εκτός από την πρόβλεψη μεταβλητών, υπάρχει μια σταθερά εισόδου με τιμή 1.0, η οποία καλείται προκατάληψη (bias) που προστίθεται σε καθένα από τα κρυμμένα στρώματα. Η προκατάληψη πολλαπλασιάζεται με ένα βάρος και προστίθεται στο νευρώνα. Σε ένα νευρώνα των κρυμμένων επιπέδων, η τιμή από κάθε νευρώνα εισόδου πολλαπλασιάζεται με ένα βάρος και οι επακόλουθες σταθμισμένες τιμές αθροίζονται παράγοντας ένα σταθμισμένο άθροισμα, το οποίο στο τέλος τροφοδοτεί μια συνάρτηση μεταφοράς. Οι έξοδοι από τη συνάρτηση μεταφοράς διανέμονται στο επόμενο κρυφό επίπεδο. Φτάνοντας στο νευρώνα του επιπέδου εξόδου, η τιμή από κάθε κρυφό επίπεδο νευρώνων ακολουθεί την ίδια διαδικασία στάθμισης και το σταθμισμένο άθροισμα όλων των τιμών τροφοδοτεί την τελική συνάρτηση μεταφοράς. Οι τιμές εξόδου της συνάρτησης μεταφοράς είναι και οι έξοδοι του δικτύου. Η διαδικασία εκπαίδευσης ενός πολυεπίπεδου νευρωνικού δικτύου έχει ως αποτέλεσμα να προσδιοριστεί το σύνολο των τιμών των βαρών, που θα έχουν σαν αποτέλεσμα η έξοδος του νευρικού δικτύου να είναι μια καλή προσέγγιση των πραγματικών τιμών. Η ακρίβεια του αλγόριθμου εξαρτάται από τον αριθμό των νευρώνων στα κρυμμένα επίπεδα. Εάν δεν χρησιμοποιηθεί ένας ικανοποιητικός αριθμός νευρώνων το δίκτυο δεν θα είναι σε θέση να διαμορφώσει σύνθετα δεδομένα, και τα αποτελέσματα θα έχουν σημαντικό σφάλμα. Εάν πάλι χρησιμοποιούνται πάρα πολλοί νευρώνες, ο χρόνος εκπαίδευσης μπορεί να γίνει υπερβολικά μεγάλος και τότε το δίκτυο θα έχει προσαρμοστεί υπερβολικά στα δεδομένα. Όταν συμβαίνει αυτό, το δίκτυο αρχίζει να μοντελοποιεί τυχαίο θόρυβο στα δεδομένα. Στο πλαίσιο της μελέτη μας πραγματοποιήθηκαν διάφορα πειράματα επικύρωσης, χρησιμοποιώντας διαφορετικές τιμές στον αριθμό των νευρώνων των κρυμμένων στρωμάτων. Η καλύτερη ακρίβεια επιτεύχθηκε με ένα δίκτυο που χρησιμοποιεί ένα κρυφό επίπεδο από έξι νευρώνες όπως φαίνεται και στο Σχήμα

95 Σχήμα 28: Τοπολογία Προσομοίωσης 5.4 Προσομοιώση Η παρούσα ενότητα περιγραφεί τη διαδικασία προσομοίωσης του δικτύου καθώς επίσης και τη μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για τον καθορισμό και τη συλλογή μετρικών της ποιότητας της υπηρεσίας από το φυσικό στρώμα, από το στρώμα ζεύξης δεδομένων και από το στρώμα δικτύου, οι οποίες καθορίζουν την ποιότητα της εμπειρίας θέασης. Επιπλέον, περιλαμβάνεται περιγραφή των υποκειμενικών δοκιμών αξιολόγησης που πραγματοποιήθηκαν προκειμένου να προκύψει η μετρική του MOS για κάθε περίπτωση χαρακτηριστικών της ποιότητας της υπηρεσίας που θα χρησιμοποιηθούν για την ταξινόμηση του συνόλου των δεδομένων Εκτέλεση Προσομοιώσεων Η προσομοίωση του δικτύου πραγματοποιήθηκε με τον προσομοιωτή Network Simulator 2 (NS2) [61], προσθέτοντας τις κατάλληλες επεκτάσεις για την προσομοίωση g WLANs. Στο Σχήμα 28 παρουσιάζεται η τοπολογία της προσομοίωσης καθώς επίσης και τα σημεία στα οποία θέτονται οι παράμετροι ποιότητας της υπηρεσίας, οι οποίες θα διαμορφώσουν το σύνολο των δεδομένων. Δύο ακολουθίες τρισδιάστατου βίντεο διαχωριζόμενες σε αριστερή και δεξιά θέαση, με διαφορετικούς χωρικούς και χρονικούς δείκτες, επιλέχθηκαν για τα πειράματα. Η πρώτη ακολουθία ονομάζεται «Πολεμικές Τέχνες» και έχει ανάλυση εικονοψηφιδίων για κάθε θέαση και ρυθμό 25 πλαίσια το δευτερόλεπτο, ενώ η δεύτερη αλληλουχία ονομάζεται «Μόναχο» με ανάλυση εικονοψηφιδίων και ίδιο ρυθμό πλαισίων. Η ακολουθία βίντεο ήταν κωδικοποιημένη με κλιμακοθετήσιμη κωδικοποίηση βίντεο, η οποία περιγράφεται λεπτομερέστερα στο Κεφάλαιο 6, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός βασικού και ενός στρώματος εμπλουτισμού, χρησιμοποιώντας την τεχνική Medium Grain Scale (MGS). Και τα δύο στρώματα μεταδίδονται μέσα από το δίκτυο του Σχήματος 28 χρησιμοποιώντας τη στοίβα πρωτοκόλλων RTP/UDP/IP και με μέγιστο μέγεθος πακέτων τις 1500 οκτέτες. Οι παράμετροι κωδικοποίησης συνοψίζονται στον Πίνακα 6. Προκειμένου να μοντελοποιηθεί η επίδραση των σφαλμάτων του φυσικού στρώματος, που επηρεάζουν την ποιότητα της εμπειρίας, χρησιμοποιήθηκε ένα Rayleigh κανάλι του προσομοιωμένου g ασυρμάτου δικτύου, το οποίο αντιπροσωπεύεται από ένα Markov μοντέλο δύο καταστάσεων, σύμφωνα με την επιστημονική εργασία [62]. Σε αυτή, κάθε κατάσταση χαρακτηρίζεται από ένα διαφορετικό ρυθμό εσφαλμένων δυφίων (BER - bit error rate), το οποίο είναι αποτέλεσμα των μεταβατικών πιθανοτήτων καθώς και των καταστάσεων του μοντέλου Markov, όπως φαίνεται στον Πίνακα 7. Η ποιότητα του ασύρματου καναλιού χαρακτηρίζεται από τις πιθανότητες σφάλματος στην κακή 78

96 Πίνακας 6: Παράμετροι Κωδικοποίησης Βίντεο Αριστεράς-Δεξιάς Θέασης Ακολουθία Βίντεο Πολεμικές Τέχνες Μόναχο Αριθμός πλαισίων 400 Ενδο-περίδος 5 πλαίσια QP (42,36) (36,30) Ρυθμός πλαισίων 25 fps Ανάλυση ανά θέαση Χωρικός Δείκτης Χρονικός Δείκτης 17 8 Πίνακας 7: Παράμετροι Ποιότητας Ασύρματου Καναλιού Κακό Κανάλι Μέτριο Κανάλι Καλό Κανάλι P G 1.25e e e 2 P B 4.13e e e 12 P GG P BB και την καλή κατάσταση P B και P G και τις πιθανότητες P GG και P BB να παραμείνει στη καλή ή κακή κατάσταση, αντίστοιχα. Για να προσομοιωθεί η επίδραση το φορτίου στο ασύρματο κανάλι, η οποία θα οδηγήσει σε αναμεταδόσεις στο στρώμα ζεύξης δεδομένων λόγω συνθηκών ανταγωνισμού που υπάρχουν στον μηχανισμό πρόσβασης του μέσου στα δίκτυα , παράγεται και μεταδίδεται UDP κίνηση παρασκηνίου στα κανάλια της άνω και της κάτω ζεύξης. Τα σταθερού μήκους UDP πακέτα παρήχθησαν ακολουθώντας μια Poisson κατανομή με μέση τιμή 2Mbps, 3Mbps και 4Mbps, προς κάθε κατεύθυνση, και ως εκ τούτου, δημιουργώντας διπλάσιο συνολικό φορτίο στο WiFi κανάλι. Η διακύμανση στην καθυστέρηση μετάδοσης στο διαδίκτυο μοντελοποιείται από μια σταθερά στην οποία προστίθεται μια γάμμα κατανομή [63]. Για να μοντελοποιηθεί αυτή η διακύμανση ως μια γάμμα κατανομή στην ενσύρματη ζεύξη μεταξύ του διακομιστή του βίντεο και του ασύρματου δρομολογητή όπως εμφανίζεται στο Σχήμα 28, ένα νέο δομικό στοιχείο προστέθηκε στον προσομοιωτή NS2. Η διακύμανση της καθυστέρησης μετάδοσης πακέτων μεταβάλλεται κατά την προσομοίωση βάσει των τιμών των παραμέτρων k και θ της γάμμα κατανομής. Στις προσομοιώσεις που εκτελέστηκαν για αυτή τη μελέτη, η k έλαβε τις τιμές 2, 4 και 8 ενώ η παράμετρος θ είχε οριστεί ίση με 30. Στο Σχήμα 29 απεικονίζεται η κατανομής της καθυστέρησης του στρώματος δικτύου όπως αυτή χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις Υποκειμενική Αξιολόγηση Για να επιτευχθούν αξιόπιστα και επαναλαμβανόμενα αποτελέσματα, η υποκειμενική ανάλυση των αλληλουχιών βίντεο διεξήχθη σε ένα ελεγχόμενο περιβάλλον δοκιμών. Μια οθόνη LG 32LM620S LED με ανάλυση εικονοψηφιδίων, αναλογία 16 : 9, μέγιστη φωτεινότητα 500 cd και λόγο αντίθεσης : 1 μαζί με παθητικά γυαλιά m2 χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων για την προβολή των στερεοσκοπικών ακολουθιών βίντεο. Η απόσταση θέασης για τους αξιολογητές του βίντεο έχει οριστεί σε δύο μέτρα, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Η μετρούμενη 79

97 Σχήμα 29: Η Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας της Γάμμα Κατανομής φωτεινότητα του περιβάλλοντος ήταν 200 lux και ο τοίχος πίσω από την οθόνη έχει φωτεινότητα 20 lux, όπως συνιστάται από το πρότυπο ITU-R BT [64]. Κατά τη διάρκεια της υποκειμενικής αξιολόγησης της αντιλαμβανόμενης ποιότητας του τρισδιάστατου βίντεο, οι παρατηρητές βαθμολογούσαν την ποιότητα με βάση τη μέθοδο απόλυτης βαθμολόγησης κατηγορίας (ACR - absolute category rating), όπως ορίζεται στο πρότυπο [64]. Η αντιλαμβανόμενη ποιότητα βίντεο βαθμολογείται σε μια κλίμακα α- πό το 0 (κακή) έως 5 (άριστη) σύμφωνα με το πρότυπο. Η υποκειμενική αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε από είκοσι παρατηρητές, έμπειρους και μη. Μια συνεδρία εκπαίδευσης συμπεριλήφθηκε στη διαδικασία, με σκοπό οι παρατηρητές να εξοικειωθούν με τον τρόπο βαθμολόγησης και να μπορούν να αναγνωρίζουν τις παραμορφώσεις (artefacts) και την επιδείνωση της ποιότητας (impairment) σε ακολουθίες βίντεο. Στο Σχήμα 30 φαίνεται η μέση τιμή της μετρικής MOS και για τις δύο ακολουθίες βίντεο, λόγω των υπό μελέτη μετρικών της ποιότητας της υπηρεσίας. Κάθε ζεύγος σχημάτων από πάνω προς τα κάτω απεικονίζει το μέσο MOS που προέκυψε λαμβάνοντας υπ όψιν τις επιπτώσεις μόνο μίας από τις τρεις μετρικές, ενώ οι άλλες δύο έχουν τη βέλτιστη τιμή τους (δηλαδή την τιμή που έχει ως αποτέλεσμα την καλύτερη ποιότητα βίντεο). Οι μετρήσεις αυτές αποδεικνύουν ποια από τις τρεις μετρικές έχει τον πιο μεγαλύτερο αντίκτυπο στην υποκειμενική αντιλαμβανόμενη ποιότητα του βίντεο. Είναι προφανές ότι η διακύμανση της καθυστέρησης μετάδοσης του δικτύου και η μετρική MOS είναι σχεδόν αντιστρόφως ανάλογες, ενώ το φορτίο του ασύρματου καναλιού επηρεάζει την αντιλαμβανόμενη ποιότητα πολύ λιγότερο. Επιπλέον, η ποιότητα του ασύρματου μέσου επηρεάζει οριακά το MOS. Προφανώς, τα πακέτα που φτάνουν εκπρόθεσμα στον ενδιάμεσο καταχωρητή αναπαραγωγής θα θεωρηθούν ως χαμένα και είναι η πιο σημαντική αιτία για την υποβάθμιση της αντιλαμβανόμενης ποιότητας του βίντεο. Επιπλέον, οι μετρήσεις MOS της ακολουθίας Μόναχο έχουν χαμηλότερες τιμές στο σύνολο τους, πιθανώς εξαιτίας της υψηλής ανάλυσης και του υψηλότερου χωρικού δείκτη. 80

98 5 Martial 5 Munich Jitter distribution shape factor 5 4 MOS MOS MAC layer load (Mbps) Good Medium Bad Good Medium Bad Bit Error Rate Σχήμα 30: Αποτελέσματα MOS για Κάθε Μετρική της QoS 5.5 Σύγκριση των QoE Μοντέλων Μηχανικής Μάθησης Η διαδικασία της εκπαίδευσης καθώς και η ανάλυση των αποτελεσμάτων διεξήχθησαν με τη χρήση του προγράμματος Weka [65]. Το πρόγραμμα Weka περιέχει εργαλεία ικανά να πραγματοποιούν μετασχηματισμούς στα δεδομένα, να ταξινομούν εργασίες καθώς υποστηρίζει παλινδρόμηση, ομαδοποίηση, συσχέτιση και απεικόνιση των αποτελεσμάτων. Το τελικό αποτέλεσμα του απλοϊκού μπεϋζιανού ταξινομητή δίνεται στον Πίνακα 8, όπου για κάθε χαρακτηριστικό των δεδομένων, δίνεται η μέση τιμή και η τυπική απόκλιση της κανονικής κατανομής. Επιπλέον, το δένδρο αποφάσεων του αλγόριθμου C4.5 υλοποιείται ως J48 στο Weka και απεικονίζεται στο Σχήμα 31. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της σύγκριση της μετρικής MOS στην προηγούμενη ενότητα, η διακύμανση καθυστέρησης είναι η πιο σημαντική παράμετρος και βρίσκεται στη ρίζα του δένδρου αποφάσεων (δηλαδή στο πρώτο κόμβο διάσπασης). 81

99 Πίνακας 8: Απλοϊκός Μπεϋζιανός Ταξινομητής Χαρακτηριστικά Κλάση (MOS) SI mean std. dev TI mean std. dev mean QP 1 std. dev mean QP 2 std. dev Ανάλυση mean std. dev Jitter mean std. dev Φορτίο mean std. dev Κανάλι mean std. dev

100 83 Σχήμα 31: Δένδρο Αποφάσεων για το QoE Μοντέλο Πρόβλεψης

101 Σχήμα 32: Σύγκριση των αλγόριθμων μηχανικής μάθησης Οι τρεις αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης που λήφθηκαν υπ όψιν συγκρίνονται μεταξύ τους όσον αφορά την ορθότητα, την ακρίβεια p και την ανάκληση r. Η ακρίβεια ενός αλγορίθμου, η οποία είναι επίσης γνωστή ως αναπαραγωγιμότητα ή επαναληψιμότητα, δηλώνει τον βαθμό στον οποίο επαναλαμβανόμενες μετρήσεις (στην προκειμένη περίπτωση η μετρική του MOS) σε αμετάβλητες συνθήκες έχουν τα ίδια αποτελέσματα. Ως ανάκληση ορίζεται ο αριθμός των σχετικών παρατηρήσεων που ανακτώνται από την αναζήτηση, διαιρούμενος με το συνολικό αριθμό των υπαρχόντων σχετικών παρατηρήσεων. Εκτός από αυτές τις δύο μετρικές, οι αλγόριθμοι αξιολογούνται επίσης με βάση τη μετρική F, η οποία λαμβάνει υπ όψιν τόσο την ακρίβεια p όσο και την ανάκληση r της δοκιμής για να υπολογίσει τη βαθμολογία. Έστω i [1, 2, 3, 4, 5] αντιπροσωπεύει την κλάση, η οποία στη συγκεκριμένη περίπτωση προκύπτει από την τιμή του MOS. Τότε T P i είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων που ταξινομήθηκαν ορθά (έγκυρο θετικό), F P i είναι ο αριθμός των παρατηρήσεων που ανήκουν στην κλάση i αλλά δεν ταξινομήθηκαν σε αυτή (άκυρο θετικό) και τέλος F N i είναι το πλήθος των παρατηρήσεων οι οποίες δεν ανήκουν στην κλάση i, ταξινομήθηκαν σε αυτή (άκυρο αρνητικό). Συνεπώς οι p, r και F προκύπτουν ως εξής: p = T P i T P i + F P i, r = T P i, f = 2 p r T P i + F N i p + r (5.8) Τα συγκριτικά αποτελέσματα φαίνονται επίσης στο Σχήμα 32. Είναι προφανές, για το συγκεκριμένο σύνολο δεδομένων με τις πολλαπλές κλάσεις και τη μη γραμμική σχέση μεταξύ των χαρακτηριστικών, η καλύτερη απόδοση επιτυγχάνεται με τη μέθοδο των πολυεπίπεδων νευρωνικών δικτύων. Παρ όλα αυτά, ο αλγόριθμος C4.5 είναι μια καλή εναλλακτική λύση για ταξινόμηση με βάση τη μετρική MOS, με επαρκή ακρίβεια αλλά και με λιγότερη επεξεργαστική ισχύ. Επιπλέον, επειδή τα δένδρα αποφάσεων επιστρέφουν αποτελέσματα που έχουν μια φυσική σημασία, η ταξινόμηση μπορεί να ερμηνευθεί εύκολα και να χρησιμοποιηθεί ως κανόνας απόφασης. Για αυτό το λόγο ο αλγόριθμος C4.5 είναι προτιμότερος, σε αντίθεση με το νευρωνικό δίκτυο, ως μια μηχανή απόφασης πραγματικού χρόνου για τη διαχείριση της ποιότητας της εμπειρίας. 5.6 Συμπεράσματα Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάστηκε το μοντέλο μηχανικής μάθησης για πρόβλεψη της ποιότητας της εμπειρίας των χρηστών τρισδιάστατου βίντεο σε ασύρματα δίκτυα. 84

102 Σε αντίθεση με προηγούμενες έρευνες, το συγκεκριμένο μοντέλο είναι διαστρωματικό, λαμβάνοντας υπ όψιν όχι μόνο μετρικές του στρώματος εφαρμογής (όπως οι διατερματικές απώλειες πακέτων) αλλά και μετρικές των υποκείμενων στρωμάτων (όπως ο ρυθμός εσφαλμένων ψηφίων από το φυσικό στρώμα, το φορτίο του στρώματος ζεύξης και η καθυστέρηση του στρώματος δικτύου). Σε αυτές τις μετρικές οφείλεται το σύνολο των απωλειών και συνεπώς το μοντέλο μπορεί να καθορίσει με μεγαλύτερη ακρίβεια την ποιότητα της εμπειρίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η διακύμανση της καθυστέρησης είναι ο σημαντικότερος παράγοντας που επηρεάζει την ποιότητα της εμπειρίας, ενώ το συγκεκριμένο μοντέλο μπορεί εύκολα να υλοποιηθεί με ένα δένδρο αποφάσεων. Μάλιστα η υλοποίηση αυτή πραγματοποιήθηκε ως μέρος πρότυπης πλατφόρμας δικτύου τέταρτης γενιάς στα πλαίσια ερευνητικού ευρωπαϊκού προγράμματος που θα παρουσιάσουμε στο επόμενο κεφάλαιο. 85

103 Κατά τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής κατέστη δυνατή η ανάπτυξη, υλοποίηση και μελέτη τόσο πρωτοκόλλων διαχείρισης κινητικότητας όσο και του μοντέλου μηχανικής μάθησης που παρουσιάστηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια σε πρότυπη πλατφόρμα 4G δικτύου. Οι υλοποιήσεις αυτές, οι οποίες παρουσιάζονται στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν εξ ολοκλήρου από την ερευνητική ομάδα του Εργαστηρίου Ασύρματης Τεχνολογίας του Τμήματος ΗΜ&ΤΥ του Πανεπιστημίου Πατρών. Μάλιστα, οι υλοποιήσεις αυτές αποτέλεσαν μέρος του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος Remote Collaborative Real-Time Multimedia Experience over the Future Internet - ROMEO [66] το οποίο εντασσόταν στα πλαίσια του 7 ου Προγράμματος Πλαισίου για την Έρευνα της Ευρωπαϊκής Ένωσης (FP7 - ICT). Επισημαίνεται ότι το συγκεκριμένο ερευνητικό πρόγραμμα ολοκληρώθηκε το Σεπτεμβρίου του 2014 λαμβάνοντας άριστη βαθμολογία (excellent) στη σχετική αξιολόγηση. 6.1 Συνεισφορά της Διατριβής και Συναφείς Επιστημονικές Εργασίες Η εφαρμογή μετάδοσης τρισδιάστατου βίντεο πραγματοποιείται στα υπάρχοντα δίκτυα κάνοντας χρήση μόνο μιας τεχνολογίας δικτύων αντί υβριδικών λύσεων. Οι βασικότερες από τις συχνότερα χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες είναι η τηλεοπτική ευρυεκπομπή, όπως η τεχνολογία ψηφιακής βιντεοεκπομπής (DVB - digital video broadcasting) [67], και το διαδιίκτυο. Το συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για το τρισδιάστατο βίντεο έ- χει ως αποτέλεσμα την υλοποίηση πολλών ευρωπαϊκών ερευνητικών έργων για την επεξεργασία, παράδοση και παρουσίαση τρισδιάστατων πολυμέσων. Το έργο «2020 3D MEDIA» [68] παρουσιάζει μια αλυσίδα νέων τεχνολογιών για την παραγωγή, μετάδοση και παρουσίαση τρισδιάστατων πολυμέσων σε σταθερούς χρήστες. Το έργο «3D4YOU» [69] ορίζει νέους τρόπους παράδοσης των τρισδιάστατων μέσων με χρήση ευρυεκπομπής σε εφαρμογές οικιακής ψυχαγωγίας. To έργο «P2P- Next» [70] έχει πτυχές που αφορούν τη διανομή πολυμεσικού περιεχομένου μέσω δικτύων ομότιμων κόμβων, επικεντρώνοντας στους τελικούς χρήστες. Το MOBILE3DTV [71] εργάστηκε πάνω στην παράδοση στερεοσκοπικού τρισδιάστατου βίντεο μέσω της τεχνολογίας ευρυεκπομπής για κινητούς χρήστες τεχνολογίας DVB-H. Το MUSCADE [72] 86

104 Σχήμα 33: Αρχιτεκτονική του ROMEO εξέτασε την ευρυεκπομπή τρισδιάστατου βίντεο πολλαπλής θέασης σε εφαρμογές οικιακής ψυχαγωγίας. Τέλος, το DIOMEDES [73] επικέντρωσε στο συνδυασμό των τεχνολογιών ψηφιακής ευρυεκπομπής και δικτύων ομότιμων κόμβων για την παροχή υψηλής ποιότητας τρισδιάστατου βίντεο στο σπίτι. Αντίθετα το ROMEO συγκεντρώνει όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά παρουσιάζοντας μια συνολική λύση μετάδοσης τρισδιάστατου βίντεο πολλαπλής θέασης, συνδυάζοντας τις τεχνολογίες της ψηφιακής ευρυεκπομπής και των δικτύων ομότιμων κόμβων τόσο στο σπίτι όσο και σε κινητούς χρήστες, ενώ επιπλέον υποστηρίζει την άμεση επικοινωνία μεταξύ των χρηστών. Η συνολική αρχιτεκτονική με έμφαση και στη διαχείριση κινητικότητας σε ετερογενή δίκτυα παρουσιάστηκε στις επιστημονικές εργασίες μας [74], [75]. Στα πλαίσια του έργου είχαμε τη δυνατότητα να υλοποιήσουμε διαδικασίες μεταπομπής με βάση το PMIPv6 σε εξομοιωτή δικτύου τέταρτης γενιάς η απόδοση των οποίων αξιολογήθηκε στα πλαίσια του έργου από την αρμόδια ευρωπαϊκή επιτροπή. Οι αλγόριθμοι αυτοί μαζί με τα αποτελέσματα τους θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Τέλος, αναπτύχθηκε και άλλος ένας διαστρωματικός μηχανισμός βελτίωσης της παρεχόμενης ποιότητας βίντεο σε κινητούς χρήστες, μέσω προσαρμογής του μεταδιδόμενου πολυμεσικού περιεχομένου, βάσει παραμέτρων του στρώματος ζεύξης και εφαρμογής. Ο μηχανισμός αυτός περιγράφεται στην επιστημονική εργασία μας [76] και θα αναλυθεί στη συνέχεια. 6.2 Σκοπός και Αρχιτεκτονική του ROMEO H Ευρωπαϊκή Επιτροπή χρηματοδότησε το ερευνητικό έργο ROMEO το οποίο προτείνει μια νέα αρχιτεκτονική για την υποστήριξη μετάδοσης τρισδιάστατου βίντεο πολλαπλής θέασης σε υβριδικά δίκτυα αποτελούμενα από δίκτυα ευρυεκπομπής καθώς και ευρυζωνικά δίκτυα. Το ROMEO επικεντρώνεται σε νέες μεθόδους για τη συμπίεση και την παράδοση του τρισδιάστατου βίντεο πολλαπλής θέασης, καθώς και την από κοινού 87

105 βελτιστοποίηση της δικτύωσης και της συμπίεσης για το μελλοντικό διαδίκτυο. Η λύση που προτείνεται από το ROMEO συνδυάζει την τεχνολογία δικτύου ευρυεκπομπής DVB-T2 με άλλες ενσύρματες και ασύρματες τεχνολογίες δικτύων πρόσβασης με χρήση ενός συστήματος διανομής ομότιμων κόμβων, το οποίο έχει επίγνωση της ποιότητας της εμπειρίας. Οι σταθεροί χρήστες (δηλαδή όσοι έχουν πρόσβαση στην υπηρεσία μέσω επιτραπέζιων υπολογιστών) λαμβάνουν το περιεχόμενο που διανέμεται τόσο από το δίκτυο ομότιμων κόμβων, καθώς και από την υπηρεσία DVB-T2, ενώ οι κινητοί χρήστες (δηλαδή όσοι κάνουν χρήση φορητών υπολογιστών ή έξυπνων κινητών) εξυπηρετούνται από το δίκτυο DVB-T2 και από ασύρματα ετερογενή δίκτυα. Οι σταθεροί χρήστες εξυπηρετούνται από το δίκτυο ομότιμων κόμβων μέσω του διαδικτύου και συνεπώς η υπηρεσία DVB-T2 αποτελεί μια εφεδρική λύση για την αδιάλειπτη μετάδοση της τρισδιάστατης υπηρεσίας σε περίπτωση που η ποιότητα του ευρυζωνικού δικτύου υποβαθμιστεί σημαντικά. Με αυτόν τον τρόπο, η βασική ελάχιστη πολυμεσική τρισδιάστατη υπηρεσία (δηλαδή η παροχή τρισδιάστατου στερεοσκοπικού περιεχομένου) είναι εγγυημένη για όλους τους χρήστες ανά πάσα στιγμή. Οι χρήστες κινητών συσκευών εξυπηρετούνται από το δίκτυο ομότιμων κόμβων μέσω των διαθέσιμων θερμών κηλίδων τεχνολογίας WiFi και μπορούν απρόσκοπτα να μεταπεμφθούν στο δίκτυο κινητής τηλεφωνίας εάν η WiFi τεχνολογία καθίσταται μη διαθέσιμη. Το Σχήμα 33 απεικονίζει την προτεινόμενη σύγκλιση υπηρεσιών ραδιοτηλεοπτικής μετάδοσης και ευρυζωνικών δικτύων που αναπτύχθηκε στο ερευνητικό έργο ROMEO. Ένα από τα βασικά στοιχεία της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής ήταν η διατήρηση του επιπέδου ποιότητας της εμπειρίας των κινητών χρηστών τόσο κατά την πραγματοποίηση των μεταπομπών όσο και κατά την παραμονή τους σε κάποια κυψέλη. Χωρίς βλάβη της γενικότητας, όλες οι ασύρματες τεχνολογίες είναι ενσωματωμένες πάνω από το ετερογενές δίκτυο EPC [24], το οποίο είναι το δίκτυο τέταρτης γενιάς της 3GPP. H πρόταση του ROMEO για την επίτευξη απρόσκοπτης και αδιάλειπτης εξυπηρέτησης των κινητών και φορητών χρηστών βασίζεται στη συνέργεια τριών δομικών μονάδων τα οποία και ενσωματώνονται στην αρχιτεκτονική του EPC. Οι τρεις αυτές μονάδες είναι το πρωτόκολλο MIH, μια μονάδα βελτιστοποίησης πολυμέσων η οποία καλείται πληρεξούσιος με ενημερότητα μέσων (MAP - media aware proxy ) και τέλος το πρωτόκολλο διαχείρισης κινητικότητας PMIP. Ανάλογα λοιπόν με τους διαθέσιμους δικτυακούς πόρους εκτελούνται οριζόντιες και κατακόρυφες μεταπομπές προς το βέλτιστο υποψήφιο δίκτυο, όπως υπαγορεύεται από την υλοποίηση του μοντέλου μηχανικής μάθησης που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 5. Τέλος, υλοποιήθηκε και μια επιπλέον λύση κατά την οποία ο κινητός χρήστης βρίσκεται ταυτόχρονα συνδεδεμένος σε δύο ασύρματα δίκτυα χρησιμοποιώντας την ίδια διεύθυνση διαδικτύου και η οποία καλείται πολυεστίαση (multihoming). Το βασικό κίνητρο πίσω από την εισαγωγή του MIH είναι η παρακολούθηση των υφιστάμενων δικτυακών συνθηκών, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της ποιότητα της εμπειρίας του τελικού χρήστη είτε μέσω μεταπομπής είτε μέσω προσαρμογής του πολυμεσικού περιεχομένου. Το IEEE , το οποίο περιγράφηκε και στην Ενότητα 2.5, υποστηρίζει τη διαδικασία της μεταπομπής και της διαλειτουργικότητα μεταξύ των ασύρματων τεχνολογιών εντός ετερογενών δικτύων. Για το λόγο αυτό, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 34, εισάγεται ένας εξυπηρετητής ΜΙΗ στη βασική δικτυακή μονάδα του EPC, την πύλη δικτύων πακετο-μεταγωγής (PDN-GW - packet data network gateway), καθώς αυτή είναι και ο κεντρικός δρομολογητής της αρχιτεκτονικής του EPC, παρέχοντας σύνδεση σε όλα τα επιμέρους ασύρματα δίκτυα. Μια από τις βασικές ιδέες πίσω από το IEEE είναι να παράσχει μια κοινή διεπαφή για τη διαχείριση συμβάντων 88

106 Σχήμα 34: ROMEO και EPC και την ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ των διάφορων δικτύων και των συσκευών που υποστηρίζουν πολλαπλές διεπαφές (π.χ. 3G, HSDPA, LTE, Wi-Fi, κ.λ.π.). Έτσι ο εξυπηρετητής MIH είναι σε θέση να λαμβάνει στατιστικά από όλα τα σημεία προσάρτησης και τους κινητούς χρήστες, στους οποίους έχει εγκατασταθεί μια δική μας υλοποίηση της συνάρτησης MIH. Το ROMEO ενισχύει το πρωτόκολλο ΜΙΗ λαμβάνοντας υπ όψιν μετρικές όχι μόνο από φυσικό στρώμα και το στρώμα δικτύου, αλλά και μετρικές της ποιότητας της εμπειρίας από το στρώμα εφαρμογής μέσω του MAP. Η λειτουργία του ΜΑΡ βασίζεται στο πρότυπο δικτυακού στοιχείου με ενημερότητα μέσων (MANE - media aware network element) [77], προκειμένου να πραγματοποιήσει φιλτράρισμα του πολυμεσικού περιεχομένου στο στρώμα εφαρμογής. Οι εμπλεκόμενες διαδικασίες του εκτείνονται από το στρώμα δικτύου έως το στρώμα εφαρμογής, παρέχοντας προσαρμογή της ροής των δεδομένων του βίντεο βάσει των υφιστάμενων συνθηκών στο ασύρματο δίκτυο. Αυτό είναι απαραίτητο, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η μετάδοση δεδομένων μέσω δικτύων ομότιμων κόμβων σε ασύρματα δίκτυα. Το MAP παγιδεύει τις ροές δεδομένων του δικτύου P2P και χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμο για την προσαρμογή της κάθε ροής σύμφωνα με τις απαιτήσεις του τελικού χρήστη και τις υφιστάμενες συνθήκες στο δικτύου. Για το λόγο αυτό, το MAP εδρεύει στην πύλη PDN-GW, από την οποία διέρχεται το σύνολο της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Το πολυμεσικό περιεχόμενο στο ROMEO κωδικοποιήθηκε με χρήση της κλιμακοθετήσιμης κωδικοποίησης βίντεο (SVC - scalble video coding) κατά την οποία μια ενιαία συμπιεσμένη ακολουθία βίντεο διαιρείται σε διαφορετικές αναπαραστάσεις του βίντεο με διαφορετική ανάλυση, ποιότητα ή ρυθμό πλαισίων. Δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο μια βασική ροή με την ελάχιστη παρεχόμενη υπηρεσία στην οποία προστίθενται επιπλέον ροές που καλούνται στρώματα εμπλουτισμού τα οποία βελτιώνουν την υπηρεσία. Το ΜΑΡ, το οποίο δεν γίνεται αντιληπτό από τους χρήστες, ενημερώνεται από το MIΗ για την κατάσταση του δικτύου και αν αυτή αρχίσει να επιδεινώνεται αρχικά απορρίπτει ροές που αντιστοιχούν σε στρώματα εμπλουτισμού ενώ αν υπάρξει περαιτέρω υποβάθμιση απορρίπτει και τα βασικά στρώματα ορισμένων γωνιών θέασης. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνεται αποσυμφόριση του ασύρματου καναλιού καθώς απαιτείται μικρότερο εύρος ζώνης από την πολυμεσική υπηρεσία. Τέλος, στην υλοποιηθείσα αρχιτεκτονική, το PMIP εκτελεί τη λειτουργία της διαχείρισης της κινητικότητας, εμπλέκοντας μόνο την πλευρά του δικτύου χωρίς τη συμμετοχή 89

107 του κινητού κόμβου. Για το σκοπό αυτό, εισήχθηκαν οι δύο νέες λειτουργικές οντότητες του PMIP, η LMA και MAG, οι οποίες παρουσιάστηκαν στην Ενότητα H LMA είναι τo τοπολογικό σημείο αγκύρωσης για το πρόθεμα δικτύου του κινητού κόμβου και συνεπώς λαμβάνει όλα τα πακέτα που αποστέλλονται σε αυτόν. Η MAG είναι μια νέα λειτουργική οντότητα που μιμείται τις λειτουργίες του στρώματος ζεύξης του πάτριου δικτύου του κινητού κόμβου στην τρέχουσα ζεύξη. Ως μέρος της προσέγγισης του ROMEO, το PMIP είναι σε θέση να υποστηρίζει και πολυεστίαση για τους κινητούς κόμβους, χρησιμοποιώντας την ίδια διεύθυνση διαδικτύου σε διαφορετικές διεπαφές. Τα συγκεκριμένα δομοστοιχεία τα αναπτύξαμε εντός μιας πρότυπης υλοποίησης δικτύου τέταρτης γενιάς EPC, η οποία είναι πλήρως συμβατή με την Έκδοση 12 της 3GPP [24]. Η πρότυπη πλατφόρμα δημιουργήθηκε με σκοπό τη μελέτη και εξομοίωση του δικτύου EPC, περιλαμβάνει το σύνολο των δικτυακών οντοτήτων και λειτουργιών που προβλέπουν τα πρότυπα, είναι υλοποιημένη σε γλώσσα προγραμματισμού C και περιβάλλον Linux. Στο Σχήμα 34 απεικονίζονται τα συγκεκριμένα δομοστοιχεία καθώς και οι δικτυακές οντότητες του δικτύου EPC στις οποίες ενσωματώθηκαν. Στη συνέχεια του κεφαλαίου θα γίνει μια εκτενής παρουσίαση των υλοποιήσεων καθώς και των αποτελεσμάτων της απόδοσής τους. 6.3 Διαχείριση Μεταπομπών στο ROMEO Στα πλαίσια του ROMEO, υλοποιήθηκε η διαδικασία τόσο της οριζόντιας όσο και της κατακόρυφης μεταπομπής βάσει του πρωτοκόλλου PMIP, τις οποίες ενορχηστρώνει και επικουρεί το πρωτόκολλο MIH. Παράλληλα, μελετήθηκε και αναπτύχθηκε μια επιπλέον λειτουργία διαχείρισης κινητικότητας, αυτή της πολλαπλής εστίασης κατά την οποία δύο ενεργές διεπαφές μοιράζονται ταυτόχρονα την ίδια διεύθυνση διαδικτύου. Στη συνέχεια δίνονται λεπτομερώς οι υλοποιηθείσες διαδικασίες και σηματοδοσίες καθώς παρουσιάζονται και αποτελέσματα της απόδοσής τους Οριζόντια Μεταπομπή Στο Σχήμα 35 παρουσιάζεται η ανταλλαγή μηνυμάτων για την περίπτωση της οριζόντιας μεταπομπής μεταξύ δυο σημείων πρόσβασης τεχνολογίας Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο κινητός κόμβος απομακρύνεται από το σημείο πρόσβασης στο οποίο είναι συνδεδεμένος με αποτέλεσμα τη συνεχώς μειούμενη στάθμη του λαμβανομένου σήματος. Ταυτόχρονα πλησιάζει την περιοχή ενός νέου σημείου πρόσβασης το οποίο είναι γειτονικό με το προηγούμενο, δηλαδή υπάρχει περιοχή η οποία καλύπτεται και από τα δυο σημεία πρόσβασης. Η διαδικασία της οριζόντιας μεταπομπής περιλαμβάνει δύο φάσεις. Η πρώτη αφορά τη διαδικασία παρακολούθησης τόσο των μετρικών του κινητού κόμβου όσο και των δικτύων που τον αφορούν μέσω του πρωτοκόλλου MIH. Η δεύτερη φάση αφορά τη σηματοδοσία του πρωτοκόλλου PMIP για την ενημέρωση της διάδεσης του κινητού χρήστη στην LMA, η οποία έχει βελτιστοποιηθεί και με λειτουργία ενδιάμεσης καταχώρησης πακέτων κατά τη διάρκεια της διακοπής της σύνδεσης. Πιο συγκεκριμένα, τα βασικά βήματα της διαδικασίας είναι τα εξής: 1. Αρχικά, ο κινητός κόμβος, το σημείο πρόσβασης τεχνολογίας WiFi που τον ε- ξυπηρετεί καθώς και το υποψήφιο για να συνδεθεί μαζί του σημείο πρόσβασης, ενημερώνουν περιοδικά τον εξυπηρετητή MIΗ για συμβάντα (αλλαγές στις υ- πό παρακολούθηση μετρικές) μέσω μηνυμάτων MIH που ονομάζονται. Με βάση τις επικαιροποιημένες πληροφορίες σχετικά με το 90

108 Σχήμα 35: Σηματοδοσία Οριζόντιας Μεταπομπής δίκτυο και τον κινητό χρήστη, ο εξυπηρετητής ΜΙΗ στέλνει πληροφορίες σχετικά με τη διαθεσιμότητα και την προτεραιότητα των γειτονικών δικτύων στον κινητό κόμβο χρησιμοποιώντας το μήνυμα. 2. Το συμβάν υποδεικνύει στον κινητό κόμβο ότι η στάθμη του σήματος είναι συνεχώς μειούμενη και έχει ξεπεράσει ένα κατώφλι που υποδεικνύει ότι μια μεταπομπή είναι επικείμενη. Το συμβάν αυτό είναι τοπικό, δηλαδή στέλνεται από το στρώμα ζεύξης στη συνάρτηση ΜΙΗ, η οποία το προωθεί στο στρώμα δικτύου της ίδιας στοίβας πρωτοκόλλων. Ως αποτέλεσμα, το στρώμα δικτύου στέλνει ένα μήνυμα απελευθέρωσης DHCP στην τρέχουσα MAG, η οποία με τη σειρά της διαγράφει τη διάδεση του κινητού κόμβου από την LMA χρησιμοποιώντας ένα μήνυμα πληρεξούσιας ενημέρωσης διάδεσης, PBU. Μετά τη λήψη του μηνύματος διαγραφής διάδεσης, PBU, η LMA ξεκινά να αποθηκεύει τα πακέτα που προορίζονται για τον κινητό κόμβο στον ενδιάμεσο καταχωρητή της. 3. Στη συνέχεια, ο κινητός κόμβος δημιουργεί μια νέα σύνδεση με το νέο σημείο πρόσβασης που αφορά διαδικασίες του στρώματος ζεύξης. Με την ολοκλήρωση της σύνδεσης στο στρώμα ζεύξης, η MAG ανιχνεύει το νέο κινητό κόμβο και ενημερώνει την LMA για τη νέα θέση του. Η LMA δημιουργεί μια νέα διάδεση για τον κινητό κόμβο και προωθεί τα πακέτα, που βρίσκονται στον ενδιάμεσο καταχωρητή, στον κινητό χρήστη μέσω της νέας MAG. 4. Τέλος, λαμβάνει χώρα μια ανταλλαγή μηνυμάτων DHCP, ενορχηστρωμένη από τη νέα MAG, που επιτρέπει στον κινητό κόμβο να συνεχίσει να χρησιμοποιεί την ίδια διεύθυνση διαδικτύου και στο νέο σημείο πρόσβασης, επιτυγχάνοντας έτσι τη λειτουργία κινητικότητας σε στρώμα διαδικτύου και τη συνέχιση της συνεδρίας. 91

109 Πίνακας 9: Αποτελέσματα Απόδοσης Οριζόντιας Μεταπομπής Σειρά Πειραμάτων Διαγραφή Νέα Ζεύξη Νέα Διάδεση Σύνολο (Φορτίο, Καθ/ση) µ σ µ σ µ σ (0 Mbps, 0.3 ms) 17 ms 3 ms 401 ms 36 ms 25 ms 9 ms 443 ms (0 Mbps, 5 ms) 27 ms 3 ms 395 ms 40 ms 34 ms 19 ms 455 ms (25 Mbps, 5 ms) 39 ms 57 ms 444 ms 62 ms 58 ms 82 ms 540 ms Σχήμα 36: Καθυστέρηση Οριζόντιας Μεταπομπής Οι σημαντικές μετρικές που επηρεάζουν την καθυστέρηση μεταπομπής είναι το φορτίο του δικτύου και η καθυστέρηση μετάδοσης μεταξύ της MAG και της LMA. Ειδικότερα, το φορτίο του δικτύου αυξάνει την καθυστέρηση μετάδοσης μέσω του ασύρματου καναλιού και η καθυστέρηση μεταξύ MAG και LMA αυξάνει την καθυστέρηση πάνω από το ενσύρματο μέσο. Προκειμένου να επιτευχθεί στατιστική σημαντικότητα, παρακολουθήθηκαν 200 οριζόντιες μεταπομπές για τρεις σειρές ασύρματων και ενσύρματων συνθηκών. Στην πρώτη σειρά πειραμάτων, το ασύρματο κανάλι δεν φορτώθηκε με κυκλοφορία παρασκηνίου (background traffic), ενώ δεν προστέθηκε και καθυστέρηση στις ζεύξεις μεταξύ των MAG και της LMA. Στο δεύτερο σύνολο μετρήσεων υπήρξε μια σταθερή καθυστέρηση 5 ms μεταξύ των MAG και της LMA, χρησιμοποιώντας το εργαλείο NetEm [78]. Τέλος, κατά την τελευταία σειρά πειραμάτων στο ασύρματο κανάλι προστέθηκε κυκλοφορία παρασκηνίου 25 Mbps, φθάνοντας στην απόδοση κορεσμού του καναλιού g. Στον Πίνακα 9 συνοψίζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Το Σχήμα 36 απεικονίζει τα προαναφερθέντα αποτελέσματα. Όπως γίνεται εμφανές, η κρίσιμη καθυστέρηση σε αυτό το σενάριο είναι η σύνδεση με το νέο σημείο πρόσβασης, ενώ οι διαδικασίες του PMIP έχουν σημαντικά μικρότερο μερίδιο στη συνολική καθυστέρηση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η σηματοδοσία του PMIP λαμβάνει χώρα στην πλευρά του δικτύου, χωρίς να περιλαμβάνει το κινητό κόμβο. Για να κατανοήσουμε καλύτερα την καθυστέρηση στο στρώμα ζεύξης, παρακολουθήσαμε την επιμέρους σηματοδοσία χρησιμοποιώντας το εργαλείο Wireshark [79]. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η καθυστέρηση σηματοδοσίας για τη νέα σύνδεση με το σημείο πρόσβασης είναι, κατά μέσο όρο, κάτω των 70 ms (ανίχνευση, έλεγχος ταυτότητας και σύνδεσης), ενώ το υπόλοιπο μέρος της καθυστέρησης είναι ο χρόνος που χρειάζεται από την ασύρματη διεπαφή για να μεταβεί στη νέα συχνότητα. Σημειώνεται ότι μόνο η συχνότητα του νέου σημείου πρόσβασης ανιχνεύθηκε καθώς αυτές οι πληροφορίες είναι διαθέσιμες στον κινητό κόμβο μέσω του MIH. 92

110 Σχήμα 37: Σηματοδοσία Κατακόρυφης Μεταπομπής Συγκρίνοντας την πρώτη σειρά πειραμάτων με την δεύτερη, όπου η ενσύρματη καθυστέρηση αυξάνεται από 0,3 ms σε 5 ms, παρατηρείται η αναμενόμενη αύξηση των διαδικασιών του PMIP κατά 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου ενώ παρατηρείται η ίδια καθυστέρηση για το στρώμα ζεύξης. Τέλος, συγκρίνοντας τη δεύτερη περίπτωση με την τρίτη, όπου στο ασύρματο μέσο προστέθηκε κυκλοφορία παρασκηνίου 25 Mbps, παρατηρείται αύξηση σε όλες τις επιμέρους καθυστερήσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή επηρεάζεται επίσης και η σηματοδοσία του πρωτοκόλλου DHCP. Ωστόσο, ακόμη και σε αυτή την ακραία περίπτωση ενός κορεσμένου ασύρματου καναλιού, η συνολική καθυστέρηση παραμένει κοντά στα 500 ms Κατακόρυφη Μεταπομπή Στο Σχήμα 37 παρουσιάζεται η ανταλλαγή μηνυμάτων για την περίπτωση της κατακόρυφης μεταπομπής μεταξύ ενός σημείου πρόσβασης τεχνολογίας g και ενός σταθμού βάσης τέταρτης γενιάς, enodeb, το φυσικό στρώμα του οποίου προσομοιώνεται από μια ζεύξη Ethernet. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, ο κινητός κόμβος προσεγγίζει το σημείο πρόσβασης τεχνολογίας WiFi με αποτέλεσμα τη συνεχώς αυξανόμενη στάθμη του λαμβανομένου σήματος. Ταυτόχρονα, βρίσκεται συνδεδεμένος με το σταθμό βάσης enobeβ. Σε αντίθεση με την προηγούμενη περίπτωση, ο κινητός κόμβος έχει πλέον τη δυνατότητα επιλογής ανάμεσα σε δυο διαφορετικές τεχνολογίες δικτύων. Η επιλογή για σύνδεση με το WiFi και όχι με το enodeb λαμβάνεται μέσω της σηματοδοσίας του MIH και της αξιολόγησης των υποψήφιων δικτύων. Για το λόγο αυτό, έχει υλοποιηθεί στον εξυπηρετητή MIH, το QoE μοντέλο μηχανικής μάθησης που παρουσιάστηκε στο Κεφάλαιο 5. Οι διάφορες δικτυακές μονάδες ενημερώνουν τον εξυπηρετητή για την τιμή των δικτυακών μετρικών, ενώ το MAP τον ενημερώνει για την τιμή των μετρικών του στρώματος εφαρμογής. Συνεπώς, ο εξυπηρετητής MIH έχει διαθέσιμες όλες τις παραμέτρους που χρειάζεται για να τροφοδοτήσει το δένδρο αποφάσεων, το οποίο του επιστρέφει το καλύτερο δίκτυο για τον συγκεκριμένο χρήστη. 93