Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τοµέας τηλεπικοινωνιών ιπλωµατική Εργασία υναµική διαχείριση χωρητικότητας σε DVB-RCS δορυφορικά συστήµατα Χατζηπαρασκευάς Παναγιώτης, Α.Ε.Μ Επιβλέπουσα: Καθηγ. Φ.-Ν. Παυλίδου Θεσσαλονίκη, Φεβρουάριος 2008

2

3 Περιεχόµενα 1 Περιεχόµενα 1. Εισαγωγή ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Το πρότυπο DVB-RCS Αρχιτεκτονική του δικτύου DVB-RCS Forward link Return link Σχέδιο αίτησης ανάθεσης CF-DAMA ιαφοροποιηµένες υπηρεσίες Αρχιτεκτονική δορυφορικού τερµατικού Υπολογισµός αιτήσεων χωρητικότητας Υπολογισµός απαιτούµενης CRA χωρητικότητας Υπολογισµός απαιτούµενης RBDC χωρητικότητας Υπολογισµός απαιτούµενης VBDC χωρητικότητας ιανοµή της χωρητικότητας του τερµατικού ιεπαφή µε το δίκτυο IP ιεπαφή IP ATM Κέντρο ελέγχου δικτύου - Scheduler Αλγόριθµος ενηµέρωσης της λίστας τερµατικών Προτεινόµενος αλγόριθµος διανοµής χωρητικότητας Αλγόριθµος διανοµής χωρητικότητας αναφοράς Λεπτοµέρειες προσοµοίωσης και αποτελέσµατα Γεννήτριες κίνησης Προσοµοίωση της συνολικής κίνησης σε κάθε τερµατικό Η κατανοµή Pareto Προσοµοίωση εφαρµογών Παραδοχές Προσοµοιώσεις µε aggregate traffic Σενάρια 1 έως 9 για Η= Σενάρια 1 έως 9 για Η= Συγκεντρωτικοί πίνακες και διαγράµµατα ιερεύνηση µετρήσεων που αποκλίνουν Προσοµοιώσεις µε κίνηση εφαρµογών Συµπεράσµατα και προτάσεις για περεταίρω έρευνα Συµπεράσµατα Προτάσεις για περεταίρω έρευνα Παράρτηµα Αναφορές Βιβλιογραφία... 59

4 2

5 1. Εισαγωγή 3 1. Εισαγωγή Η εργασία αυτή εστιάζεται στο υποεπίπεδο ελέγχου προσπέλασης (MAC) του προτύπου DVB-RCS για παροχή υπηρεσιών internet µέσω δορυφόρου, µε έµφαση στον αλγόριθµο δυναµικής διανοµής της χωρητικότητας του καναλιού επιστροφής (return channel). Η εργασία βασίζεται στην αρχιτεκτονική του IP δορυφορικού ευρυζωνικού δικτύου (Broadband Satellite Access - BSA network) που παρουσιάζεται στην αναφορά [2] και στόχος της είναι η κατασκευή ενός δικαιότερου αλγορίθµου διανοµής χωρητικότητας, για την παροχή αµφίδροµων υπηρεσιών πολυµέσων και internet σε όσο το δυνατόν περισσότερους χρήστες. Η τεχνολογία DVB-RCS δίνει τη δυνατότητα παροχής αµφίδροµων ευρυζωνικών υπηρεσιών µετάδοσης φωνής, δεδοµένων, εικόνας και video µέσω δορυφόρου. Το καινοτόµο σύστηµα καναλιών επιστροφής διευκολύνει την αµφίδροµη επικοινωνία υψηλού ρυθµού µετάδοσης δεδοµένων και δίνει πλέον τη δυνατότητα να χρησιµοποιηθεί για γρήγορη πρόσβαση στο διαδίκτυο καθώς και για ανταλλαγή δεδοµένων. Το προφανέστερο πλεονέκτηµά του είναι ότι παρέχει δυνατότητα σύνδεσης σε αποµακρυσµένες περιοχές που στερούνται επίγειας δικτυακής υποδοµής. Επί πλέον η ευρεία κάλυψη περιοχών επιτρέπει επικοινωνία µεγάλων αποστάσεων διαµέσου ενός µονοπατιού (hop), αποφεύγοντας έτσι τις συχνά απρόβλεπτες καθυστερήσεις που προέρχονται από τη δροµολόγηση (routing) και τη συµφόρηση σε επίγεια δίκτυα. Κάποιες εφαρµογές του DVB-RCS, είναι: Υπηρεσίες διανοµής και streaming: Υπηρεσίες πολυδιανοµής (multicast) και µεταφοράς αρχείων πραγµατικού χρόνου, διαδραστική πρόσβαση στο internet: Web browsing, µεταφορά αρχείων, κλπ., επέκταση δικτύου LAN, πρόσβαση σε δίκτυα Intranet, υπηρεσίες συνδιάλεξης: Voiceover-IP, video conferencing. Κάθε εφαρµογή παράγει κίνηση µε ξεχωριστά χαρακτηριστικά και απαιτήσεις, π.χ. εφαρµογές πραγµατικού χρόνου όπως VoIP ή video conferencing απαιτούν µικρή καθυστέρηση και jitter (διακύµανση της καθυστέρησης) ενώ είναι ανεκτικές στην απώλεια πακέτων. Για την εξυπηρέτηση κάθε είδους κίνησης ανάλογα τις απαιτήσεις της εφαρµογής που την παράγει και συνεπώς την παροχή ποιότητας επικοινωνίας (QoS Quality of Service), χρησιµοποιείται η αρχιτεκτονική διαφοροποιηµένων υπηρεσιών DiffServ. Επιπλέον το σύστηµα BSA είναι συµβατό µε τα επίγεια δίκτυα και συσκευές που χρησιµοποιούν το πρωτόκολλο IP. Περισσότερες λεπτοµέρειες για τη λειτουργία του συστήµατος παρατίθενται στα επόµενα κεφάλαια. Ειδικότερα στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται µία συνοπτική αναφορά στο πρότυπο DVB, περιγράφεται η δοµή του δικτύου BSA και η αρχιτεκτονική DiffServ και παρατίθεται ο προτεινόµενος αλγόριθµος διανοµής χωρητικότητας µαζί µε κάποια άλλα στοιχεία της αναφοράς [2] που βελτιώθηκαν. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται κάποιες λεπτοµέρειες της προσοµοίωσης και τα αποτελέσµατα των µετρήσεων, ενώ στο κεφάλαιο 4 τα συµπεράσµατα που προκύπτουν.

6 4

7 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Το πρότυπο DVB-RCS 5 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο (Satellite Interactive network) 2.1. Το πρότυπο DVB-RCS Το Digital Video Broadcast (DVB) [20] είναι ένα σύστηµα συµπίεσης/µετάδοσης σήµατος τηλεόρασης και αποτελεί µία ευρωπαϊκή πρωτοβουλία µε σκοπό την τυποποίηση της ψηφιακής µετάδοσης (digital broadcasting) παγκοσµίως. Τα πρότυπα του DVB αναπτύχθηκαν στα πλαίσια του DVB project, που ξεκίνησε το Τα πρότυπα αυτά δηµοσιεύονται από τον οργανισµό ETSI (European Telecommunications Standards Institute) [19] και εφαρµόζονται σε µία ποικιλία φερόντων δικτύων (bearer networks). Ένα από τα πρώτα πρότυπα που αναπτύχθηκαν ήταν το DVB-S για ψηφιακή µετάδοση video µέσω δορυφόρου (ETS , 1994). Το πρότυπο προορίζονταν για ποµποδέκτες (transponders) στην Ku-band (12-18 GHz), καλύπτοντας µεγάλη ποικιλία bandwidth ή ρυθµών µετάδοσης. Με ένα τυπικό δορυφορικό κανάλι περίπου 35MHz και µέγιστο ρυθµό µετάδοσης περίπου 38Mbps, µια ποικιλία υπηρεσιών τηλεόρασης, ραδιοφώνου και µετάδοσης δεδοµένων µπορεί να καλυφθεί. Το πρότυπο DVB-S προσδιορίζει τη συνεργεία µεταξύ ψηφιακής µετάδοσης και υπηρεσιών internet και καθορίζει µία επιλογή ενός return channel για διαδραστικές υπηρεσίες δεδοµένων (interactive data services). Η επιστρεφόµενη ζεύξη (return link) µπορεί να υλοποιηθεί µε διάφορα µέσα. Η εναλλακτική λύση του δορυφορικού return channel τυποποιήθηκε αργότερα ως πρότυπο DVB-RCS (Return Channel by Satellite). Το DVB-RCS είναι ένα πρότυπο του ETSI [1] για διαδραστικές υπηρεσίες πολυµέσων (interactive multimedia services). Τo DVB-RCS βασίζεται στη χρήση του προτύπου DVB-S για το forward channel ενώ στο return channel χρησιµοποιείται το σχέδιο πρόσβασης MF-TDMA (Multi Frequency Time Division Multiple Access scheme) σε συνδυασµό µε ένα αποτελεσµατικό επίπεδο µεταφοράς. Τo DVB-RCS χρησιµοποιεί δυναµική διανοµή τηλεπικοινωνιακών πόρων και καθορίζει τα είδη των αιτήσεων χωρητικότητας και τις κατηγορίες ποιότητας υπηρεσιών που θα παρουσιαστούν παρακάτω. Το DVB-RCS παρέχει ένα ευρύ φάσµα IP-based διαδραστικών εφαρµογών και υπηρεσιών πολυµέσων. Οι υπηρεσίες που µπορούν να παραδοθούν στον τελικό χρήστη βασίζονται στην επικοινωνία µέσω πρωτοκόλλου Internet Protocol - ΙP (IP over ATM or MPEG). Κάθε δορυφορικό τερµατικό µπορεί να υποστηρίζει ένα εσωτερικό τοπικό δίκτυο (Local Area Network LAN) αποτελούµενο από µία έως 254 συσκευές µε διεπαφή (interface) ΙP. Forward Channel (Από τη GW) Return Channel (Από το τερµατικό) Air interface MPEG2/DVB-S DVB-RCS Multiple Access Scheme TDM MF-TDMA Information rates Έως 45Mbps 144Kbps-4Mbps Modulation QPSK QPSK Concatenated convolution & Turbo codes Coding Reed-Solomon Concatenated convolution & Reed-Solomon Data format IP over MPEG IP over ATM (or MPEG) Πίνακας 2.1 Το σύστηµα DVB-RCS

8 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Αρχιτεκτονική του δικτύου DVB-RCS Αρχιτεκτονική του δικτύου DVB-RCS Σχήµα 2.1. Μοντέλο αναφοράς του δικτύου DVB-RCS Σχήµα 2.2. DVB Gateway Στο σχήµα 2.1 φαίνεται η γενική φυσική αρχιτεκτονική του δικτύου DVB-RCS που προσοµοιώθηκε. Για την αποφυγή σύγχυσης ορίζεται σαν downstream η κατεύθυνση της κίνησης που ρέει από τα δορυφορικά τερµατικά (RCSTs) προς τις gateways και σαν upstream η κατεύθυνση από τις gateways προς τα τερµατικά. Οι όροι upstream και downstream αναφέρονται και ως forward link (πρόσθια ζεύξη) και return link

9 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Αρχιτεκτονική του δικτύου DVB-RCS 7 (επιστρεφόµενη ζεύξη) αντίστοιχα. Όµοια συναντάµε και τους όρους forward channel και return channel. Στην εργασία αυτή θα ασχοληθούµε µε το return channel και συγκεκριµένα µε τη διανοµή της χωρητικότητάς του στα τερµατικά. Στη συνέχεια γίνεται µία συνοπτική περιγραφή της λειτουργίας κάθε κόµβου του συστήµατος: Feeder Gateway (Feeder GW) Εκπέµπει σύµφωνα µε το πρότυπο το DVB-S την κίνηση από το επίγειο δίκτυο προς τα τερµατικά. Πύλη κυκλοφορίας (Traffic Gateway - TG) Λαµβάνει τα σήµατα επιστροφής των τερµατικών και τα προωθεί στο επίγειο δίκτυο. Η Feeder Gateway και Traffic Gateway µπορούν να ενσωµατωθούν σε ένα µόνο κόµβο (DVB Gateway) όπως φαίνεται στο σχήµα 2.2. Κέντρο ελέγχου δικτύου NCC (Network control center) Επιβλέπει το δίκτυο και πραγµατοποιεί λειτουργίες ελέγχου και επιτήρησης. Εκπέµπει σήµατα χρονισµού και ελέγχου, λαµβάνει και αντιδρά σε µηνύµατα του υποεπιπέδου ελέγχου προσπέλασης µέσων (MAC messages) που αποστέλλονται από τα τερµατικά και παραχωρεί ή αρνείται την πρόσβαση στο σύστηµα σύµφωνα µε ένα σύνολο κανόνων. H διαχείριση της χωρητικότητας του return link και ο καθορισµός των χρονικών διαστηµάτων και συχνοτήτων που θα εκπέµψει κάθε τερµατικό γίνεται από τον scheduler. Ο τελευταίος µπορεί να βρίσκεται εγκατεστηµένος σε ένα σταθµό εδάφους ή να είναι ενσωµατωµένος στο δορυφόρο (On board Processing - OBP). ορυφορικά τερµατικά (RCST Return Channel Satellite Terminal) Αυτά µπορεί να βρίσκονται σε κτίρια κατοικιών, επιχειρήσεων ή πανεπιστηµίων και επιτρέπουν στους χρήστες του συστήµατος BSA να έχουν πρόσβαση µέσω της δορυφορικής σύνδεσης σε υπηρεσίες παρόχων του επίγειου δικτύου. Στα τερµατικά µπορούν να συνδεθούν πολλά PC µέσω ενός δικτύου LAN και ενός Point-Of- Presence (POP) router. Τα τερµατικά λαµβάνουν την DVB-S κίνηση που στέλνει η Feeder gateway και προωθούν στο return link την κίνηση που λαµβάνουν από τον εξοπλισµό στον οποίο είναι συνδεδεµένα. Τα τερµατικά πριν στείλουν κίνηση στο return link αιτούνται χωρητικότητα (BoD Bandwidth on Demand) στο NCC το οποίο µε τη σειρά του απαντά µε ένα µήνυµα που ονοµάζεται Terminal Burst Type Plan (TBTP) και καθορίζει σε ποια χρονικά διαστήµατα µπορεί να εκπέµψει κάθε τερµατικό στο return channel. Η διαδικασία αυτή ονοµάζεται δυναµική ανάθεση χωρητικότητας (Dynamic Capacity Allocation DCA) και θα περιγραφεί αναλυτικά παρακάτω. Τέλος τα τερµατικά είναι υπεύθυνα για την εφαρµογή των µηχανισµών DiffServ που εξασφαλίζουν αποτελεσµατική µετάδοση των πακέτων ανάλογα µε τις απαιτήσεις της κίνησης που µεταφέρουν, για την παροχή ποιότητας επικοινωνίας στους χρήστες Forward Link Το forward link µεταφέρει τα σήµατα ελέγχου και συγχρονισµού από το NCC και την κίνηση των χρηστών προς τα τερµατικά. Η σηµατοδοσία από το NCC προς τα τερµατικά, που απαιτείται για να λειτουργήσει το return link, καλείται forward link

10 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Αρχιτεκτονική του δικτύου DVB-RCS 8 signaling. Τόσο η κίνηση των χρηστών όσο και η forward link signaling µπορούν να µεταφερθούν µέσω διαφορετικών σηµάτων. Η χωρητικότητα του forward link από την GW του παρόχου υπηρεσιών προς τα τερµατικά µεταβάλλεται σχετικά αργά µε το χρόνο επειδή η συνολική κίνηση από τη GW είναι οµαλή. Έτσι µία περισσότερο στατική διανοµή της χωρητικότητας όπως η TDM αρκεί για αποτελεσµατική αξιοποίηση της χωρητικότητας του forward link Return Link Η καρδιά του συστήµατος DVB-RCS είναι το σχέδιο πολλαπλής πρόσβασης MF- TDMA που παρέχει µέγιστη αξιοποίηση του εύρους ζώνης σε ένα περιβάλλον µε πολλούς χρήστες. Το σχέδιο MF-TDMA επιτρέπει σε µία οµάδα τερµατικών να επικοινωνεί µε τη gateway χρησιµοποιώντας ένα σύνολο συχνοτήτων (carrier frequencies) καθεµιά από τις οποίες χωρίζεται σε θυρίδες χρόνου (time slots). Ο scheduler αναθέτει σε κάθε ενεργό τερµατικό µία σειρά από ριπές (bursts). Κάθε ριπή αποτελείται από έναν αριθµό διαδοχικών slots και καθορίζεται από µία συχνότητα, ένα εύρος ζώνης, τη χρονική στιγµή έναρξης και τη διάρκειά της. Υπάρχουν δύο είδη MF-TDMA: Το fixed slot MF-TDMA και το dynamic slot MF- TDMA. Στο fixed slot MF-TDMA, το οποίο και χρησιµοποιήθηκε στην προσοµοίωση που υλοποιήθηκε, το εύρος ζώνης και η διάρκεια διαδοχικών χρονικών θυρίδων είναι σταθερά όπως φαίνεται και στο σχήµα 2.3. Αντίθετα το dynamic slot MF-TDMA χρησιµοποιεί επιπλέον ευελιξία των τερµατικών για να µεταβάλλει το εύρος ζώνης και τη διάρκεια διαδοχικών χρονικών θυρίδων που αναθέτονται στα τερµατικά. Το πλεονέκτηµα ενός πιο ευέλικτου τερµατικού είναι καλύτερη προσαρµογή στις ευρέως µεταβαλλόµενες απαιτήσεις µετάδοσης των εφαρµογών πολυµέσων. Fixed-slot MF-TDMA Σχήµα 2.3 Dynamic-slot MF-TDMA Η χωρητικότητα του return link χωρίζεται σε frames (σχήµα 2.4). Στην προσοµοίωση που υλοποιήθηκε, κάθε frame έχει διάρκεια 26.5ms και αποτελείται από 8 carriers µε 32 slots το καθένα (256 slots/frame). Σε κάθε slot, που διαρκεί 26.5/32 = ms, µπορεί να µεταδοθεί ένα ATM cell µε µέγεθος 53 bytes. Έτσι η χωρητικότητα κάθε 53 8 carrier είναι ίση µε = 512Kbps. Εφόσον ένα τερµατικό µπορεί να εκπέµψει µόνο σε ένα carrier κάθε φορά, τα 512Kbps είναι ο µέγιστος ρυθµός µετάδοσης του τερµατικού. Συνολικά η χωρητικότητα του συστήµατος είναι 8 512Kbps = 4Mbps. Η

11 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Αρχιτεκτονική του δικτύου DVB-RCS 9 ανάθεση χωρητικότητας στα τερµατικά γίνεται περιοδικά, µε την αποστολή του πίνακα TBTP από το NCC. Σχήµα 2.4. Σύνθεση ενός MF TDMA frame Υπάρχου 4 είδη συρµών δεδοµένων (bursts) που µπορεί να εκπέµψει ένα τερµατικό στο return link : Traffic bursts (TRF). Χρησιµοποιούνται για τη µεταφορά της ωφέλιµης κίνησης και µεταφέρουν όπως προαναφέρθηκε: i. ATM cells (53bytes), τα οποία και χρησιµοποιήθηκαν στην εργασία αυτή. ii. MPEG packets (188bytes), µε τα οποία δε θα ασχοληθούµε. Common signaling channel (CSC bursts) Χρησιµοποιούνται από τα τερµατικά για την αναγνώριση της ταυτότητάς τους (RCST id) από το NCC κατά τη διάρκεια της εγγραφής (log-on) τους στο σύστηµα. Acquisition (ACQ bursts) Οι ACQ bursts χρησιµοποιούνται για την επίτευξη συγχρονισµού πριν το τερµατικό καταστεί λειτουργικό, δηλαδή κατά τη διαδικασία του log-on. Synchronization (SYNC bursts) Οι SYNC bursts χρησιµοποιούνται από τα τερµατικά για τη διατήρηση του συγχρονισµού µε το κεντρικό ρολόι του δικτύου (NCR Network Clock Reference) και την αποστολή πληροφοριών ελέγχου στο σύστηµα. Μέσω SYNC bursts γίνεται η αποστολή αιτήσεων χωρητικότητας στο NCC Σχέδιο αίτησης ανάθεσης CF-DAMA Όπως προαναφέρθηκε το NCC αναθέτει δυναµικά χωρητικότητα στα τερµατικά για την εκποµπή κίνησης στο return channel. Η διαδικασία αυτή πραγµατοποιείται σύµφωνα µε το σχέδιο αίτησης ανάθεσης CF-DAMA (Combined Free/Demand Assignment Multiple Access). Το σχέδιο αυτό, προβλέπει την αποστολή αιτήσεων χωρητικότητας από τα τερµατικά και έπειτα, ανάθεση της αιτούµενης χωρητικότητας από το NCC (Demand Assignment). Εφόσον έχουν ικανοποιηθεί οι αιτήσεις των τερµατικών, η

12 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Αρχιτεκτονική του δικτύου DVB-RCS 10 χωρητικότητα που περισσεύει διανέµεται ελεύθερα σε αυτά (Free Assignment). Η διαδικασία διανοµής χωρητικότητας υποστηρίζει 5 κατηγορίες αιτήσεων χωρητικότητας: Continuous Rate Assignment (CRA) Η CRA είναι χωρητικότητα ρυθµού (rate capacity) που παρέχεται ακέραιη και για όλα τα frames που απαιτείται. Στην περίπτωση της CRA, το NCC αναθέτει στο τερµατικό ένα σταθερό αριθµό slots για κάθε frame καθόλη τη διάρκεια της σύνδεσης. Ο αριθµός των CRA slots σε κάθε frame διαπραγµατεύεται στην αρχή της διαδικασίας σύνδεσης του τερµατικού. Rate Based Dynamic Capacity (RBDC) Η RBDC είναι και αυτή χωρητικότητα ρυθµού που απαιτείται δυναµικά από το τερµατικό. Η χωρητικότητα RBDC παρέχεται σαν απάντηση σε ρητές αιτήσεις που στέλνουν τα τερµατικά προς το NCC και εκφράζονται σε πολλαπλάσια ενός συγκεκριµένου ρυθµού µετάδοσης που ορίζεται από το τελευταίο. Οι αιτήσεις αυτές είναι απόλυτες, δηλαδή αντιστοιχούν στο µέγιστο ρυθµό µετάδοσης που απαιτείται τη δεδοµένη χρονική στιγµή. Κάθε νέα αίτηση παραµένει ενεργή για ένα συγκεκριµένο αριθµό από frames και µετά γίνεται 0 εφόσον το NCC δε λάβει νέες αιτήσεις από το ίδιο τερµατικό. Επιπλέον µία νέα αίτηση ακυρώνει όλες τις προηγούµενες RBDC αιτήσεις από το ίδιο τερµατικό και υπόκειται σε ένα µέγιστο όριο ρυθµού µετάδοσης που διαπραγµατεύεται στην αρχή της σύνδεσης (Maximum RBDC). Σε περίπτωση που το τερµατικό ζητήσει περισσότερη χωρητικότητα, ο αλγόριθµος κατανοµής διαχειρίζεται την επιπλέον χωρητικότητα σαν VBDC αίτηση. Volume Based Dynamic Capacity (VBDC) Η χωρητικότητα VBDC είναι χωρητικότητα όγκου που απαιτείται δυναµικά από το τερµατικό και αναφέρεται σε αριθµό slots. Η VBDC χωρητικότητα παρέχεται σε απάντηση ρητών αιτήσεων από τα τερµατικά προς στο NCC, οι οποίες δρουν αθροιστικά, δηλαδή ο αριθµός των slots που ζητείται σε µία αίτηση προστίθεται στο συνολικό αριθµό slots που έχουν ζητηθεί από το ίδιο τερµατικό. Το συσσωρεµένο σύνολο slots κάθε τερµατικού µειώνεται κατά τον αριθµό των VBDC slots που του ανατίθεται σε κάθε frame. Το NCC δεν αναθέτει περισσότερη χωρητικότητα από τη ζητούµενη. AVBDC (Absolute Volume Based Dynamic capacity) Η AVBDC είναι χωρητικότητα όγκου που απαιτείται δυναµικά από τα τερµατικά. Η χωρητικότητα αυτή παρέχεται σε απάντηση ρητών αιτήσεων από τα τερµατικά προς το NCC. Οι αιτήσεις αυτές είναι απόλυτες δηλαδή µία νέα αίτηση αντικαθιστά τις προηγούµενες που έγιναν από το ίδιο τερµατικό. Η χωρητικότητα AVBDC χρησιµοποιείται στη θέση της VBDC όταν το τερµατικό αντιλαµβάνεται ότι η αίτηση VBDC ενδέχεται να χαθεί. Στην παρούσα εργασία δε χρησιµοποιήθηκαν οι αιτήσεις AVBDC επειδή υποθέτουµε ότι οι αιτήσεις χωρητικότητας δε χάνονται ποτέ. FCA (Free Capacity Assignment) Η FCA είναι χωρητικότητα όγκου που ανατίθεται στα τερµατικά και αποτελεί χωρητικότητα που υπό άλλες συνθήκες θα έµενε αναξιοποίητη. Η ανάθεσή της

13 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο ιαφοροποιηµένες υπηρεσίες 11 γίνεται αυτόµατα και δεν περιλαµβάνει καµία σηµατοδοσία από τα τερµατικά προς το NCC. Είναι δυνατόν το NCC να αναστείλει την ανάθεση FCA χωρητικότητας σε κάποιο τερµατικό. Η κίνηση που φτάνει στα τερµατικά εξυπηρετείται, ανάλογα µε τις απαιτήσεις της, µε κάποια από τις παραπάνω κατηγορίες χωρητικότητας. Η διαδικασία αυτή, της αντιστοίχησης (mapping) της κίνησης σε κατηγορίες χωρητικότητας, περιγράφεται στην επόµενη παράγραφο ιαφοροποιηµένες υπηρεσίες (Differentiated Services - DiffServ) Η αρχιτεκτονική διαφοροποιηµένων υπηρεσιών αναπτύχθηκε για την αντιµετώπιση των προβληµάτων πολυπλοκότητας που αντιµετώπιζε η αρχιτεκτονική ολοκληρωµένων υπηρεσιών (Integrated Services - IntServ) µε σκοπό την εξασφάλιση ποιότητας επικοινωνίας σε επίπεδο IP. Αντίθετα µε την IntServ, η αρχιτεκτονική DiffServ δε στηρίζεται σε δέσµευση πόρων για την εξυπηρέτηση κίνησης κατά ροές (per flow), αλλά σε τάξεις υπηρεσιών (Class of Service - CoS), όπου κάθε τάξη έχει διαφορετική προτεραιότητα, κάνοντάς την περισσότερο προσιτή σε µεγάλα δίκτυα. Ειδικότερα η αρχιτεκτονική DiffServ προβλέπει διαφορετικές συµπεριφορές προώθησης της κίνησης ανάλογα µε την τάξη του κάθε συνόλου ροών που πρέπει να µεταδοθεί, οι οποίες καλούνται per-hop behaviors (PHBs). Η τάξη της ροής καθορίζεται από το πεδίο DiffServ Code Point (DSCP field) που βρίσκεται στην κεφαλίδα των πακέτων IP. Παρόλο που η αρχιτεκτονική DiffServ δεν είναι από µόνη της end-to-end, είναι δυνατό να παρέχει end-to-end ποιότητα υπηρεσιών υλοποιώντας τις DiffServ PHBs σε όλους τους κόµβους του δικτύου. Οι διαφοροποιηµένες υπηρεσίες που παρέχονται σε έναν πελάτη από έναν παροχέα υπηρεσιών καθορίζονται µε βάση τη συµφωνία επιπέδου υπηρεσίας (Service Level Agreement - SLA) που διαπραγµατεύθηκε ανάµεσά τους. Ένα σηµαντικό στοιχείο της SLA, είναι η Traffic Conditioning Agreement TCA που καθορίζει τα αποδεκτά προφίλ κίνησης, τους κανόνες κατηγοριοποίησής της, τη σήµανση και τις πολιτικές απόρριψης πακέτων. Με βάση την TCA κάθε πακέτο που αποστέλλεται από τους χρήστες ταξινοµείται σε κάποια τάξη υπηρεσίας και επισηµαίνεται µε το αντίστοιχο DSCP. Στη συνέχεια η κίνηση τροποποιείται έτσι ώστε να επιβάλλονται οι κανόνες που προκαθορίστηκαν από την SLA για κάθε υπηρεσία (traffic conditioning). Η διαδικασία αυτή έχει σαν αποτέλεσµα κάποια πακέτα να επισηµαίνονται, κάποια να καθυστερούν και κάποια άλλα να απορρίπτονται. Οι ακραίοι κόµβοι σε ένα σύστηµα µε αρχιτεκτονική DiffServ πραγµατοποιούν την ταξινόµηση της κίνησης και το traffic conditioning. Οι εσωτερικοί κόµβοι απλώς προωθούν τα πακέτα σύµφωνα µε τις απαιτήσεις της PHB που περιγράφεται στο πεδίο DSCP κάθε πακέτου. Η µεγαλύτερη δυσκολία στην υποστήριξη της αρχιτεκτονικής DiffServ σε ένα σύστηµα BSA είναι ότι η πρόσβαση των τερµατικών στο return link, ελέγχεται από πρωτόκολλα MAC έτσι ώστε η χωρητικότητα του καναλιού επιστροφής, που βλέπει κάθε τερµατικό, είναι µεταβλητή. Αυτό δυσκολεύει την ικανοποίηση των απαιτήσεων για κάθε DiffServ PHB σε σχέση µε τα επίγεια δίκτυα όπου η χωρητικότητα του καναλιού επιστροφής είναι σταθερή. Όπως σταθερή είναι και η χωρητικότητα που βλέπει κάθε gateway στο forward link του συστήµατος BSA. Εποµένως σε ένα διαδραστικό δορυφορικό δίκτυο οι αιτήσεις χωρητικότητας, η δυναµική ανάθεση χωρητικότητας

14 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο ιαφοροποιηµένες υπηρεσίες 12 (DCA) και οι στρατηγικές αναµονής (traffic queuing strategies) πρέπει να επιλεχθούν προσεκτικά έτσι ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των PHBs. Στο forward link, εφόσον η χωρητικότητα που βλέπει κάθε gateway είναι σταθερή, µπορούν να εφαρµοστούν τυποποιηµένοι µηχανισµοί DiffServ που αναπτύχθηκαν για χρήση σε επίγεια δίκτυα. Οι δύο βασικότεροι κόµβοι του συστήµατος BSA για την υποστήριξη της αρχιτεκτονικής DiffServ στο return link είναι τα τερµατικά και το κέντρο ελέγχου δικτύου (NCC). Ακολουθεί µία σύντοµη περιγραφή των υπαρχόντων PHBs: Εσπευσµένη προώθηση (Expedited forwarding EF PHB) Η PHB αυτή, καθορίζει ότι ο ρυθµός αναχώρησης των πακέτων από έναν κόµβο DiffServ πρέπει να ισούται ή να υπερβαίνει ένα ρυθµό µετάδοσης, που µπορεί να ρυθµιστεί ανεξάρτητα από την υπόλοιπη κίνηση που διακινείται µέσω του κόµβου. Η EF κίνηση µπορεί προσωρινά να αναστείλει τη µετάδοση της υπόλοιπης κίνησης εφόσον απαιτείται η ικανοποίηση των προδιαγραφών. Η EF PHB κανονικά χρησιµοποιείται µαζί µε το traffic conditioning) για να παρέχει υπηρεσίες low-loss, low-latency και low-jitter. O όρος jitter αναφέρεται στη διακύµανση της καθυστέρησης των πακέτων ενώ ο όρος latency αναφέρεται στο χρόνο που µεσολαβεί µεταξύ της αποστολής της πακέτου και της λήψης του από τον κόµβο προορισµού (one way latency). Εξασφαλισµένη προώθηση (Assured forwarding - AF PHB group) Πρόκειται για ένα σύνολο από PHBs που αποτελείται από τέσσερις τάξεις: AF1, AF2, AF3, AF4. Η κίνηση κάθε τάξης µεταδίδεται ανεξάρτητα και λαµβάνει ένα ελάχιστο ποσοστό πόρων του καναλιού (forwarding resources, µνήµη προσωρινής αποθήκευσης και εύρος ζώνης). Επιπλέον µέσα σε κάθε AF τάξη καθορίζονται τρία επίπεδα προτεραιότητας απόρριψης (drop precedence levels, πίνακας 2.2). Το σύνολο AF PHB προορίζεται για την µετάδοση κίνησης που υπόκειται σε TCA (TCAcompliant traffic) µε πολύ µικρή πιθανότητα απόρριψης. Κίνηση που δεν υπόκειται σε TCA µπορεί να µεταδίδεται µε µεγαλύτερη πιθανότητα απώλειας πακέτων. Περιορισµοί που αφορούν την καθυστέρηση και το jitter δεν καθορίζονται. Αν αυτό δηµιουργεί αµφιβολίες κατά την ταξινόµηση κάποιου είδους κίνησης µε απαιτήσεις, τότε θα πρέπει να χρησιµοποιηθεί η EF PHB. Default PHB (DE) Είναι αντίστοιχη µιας υπηρεσίας best effort. Class 1 Class 2 Class 3 Class 4 Χαµηλή Προτεραιότητα AF11 AF21 AF31 AF41 Μεσαία Προτεραιότητα AF12 AF22 AF32 AF42 Υψηλή Προτεραιότητα AF13 AF23 AF33 AF43 Πίνακας 2.2

15 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Αρχιτεκτονική δορυφορικού τερµατικού Αρχιτεκτονική δορυφορικού τερµατικού Τα τερµατικά είναι υπεύθυνα για την υλοποίηση και την εφαρµογή των µηχανισµών που εξασφαλίζουν ποιότητα υπηρεσιών. Την ευθύνη αυτή αναλαµβάνουν επειδή αυτά έχουν τις πιο πρόσφατες πληροφορίες σχετικά µε τις τρέχουσες συνθήκες κίνησης και µπορούν έτσι να λάβουν αποτελεσµατικότερα αποφάσεις που αφορούν την ποιότητα υπηρεσιών. Οι λειτουργίες που πρέπει να εκτελούν τα τερµατικά όσων αφορά την αρχιτεκτονική DiffServ, είναι η κατηγοριοποίηση της κίνησης (traffic classification) και το traffic conditioning. Η αρχιτεκτονική του τερµατικού που υλοποιήθηκε στην προσοµοίωση, είναι αυτή που παρατίθεται στην αναφορά [2] και φαίνεται στο σχήµα 2.5. Ακολουθεί µία σύντοµη περιγραφή των λειτουργικών µονάδων που την απαρτίζουν. Σχήµα 2.5. Μηχανισµοί DCA και Diffserv στο τερµατικό Traffic Selector Το µπλοκ αυτό πραγµατοποιεί την κατηγοριοποίηση της κίνησης και την τροποποίησή της έτσι ώστε να επιβάλλονται οι κανόνες που προκαθορίστηκαν από την SLA για κάθε υπηρεσία (traffic conditioning). Ο traffic selector δέχεται τα IP πακέτα των χρηστών και τα κατηγοριοποιεί στις κλάσεις υπηρεσίας (CoS - EF, AF1,, AF4, DE) που ορίζονται στην αρχιτεκτονική DiffServ. Η κατηγοριοποίηση βασίζεται σε κανόνες που ορίζονται στην TCA που διαπραγµατεύτηκε ο χρήστης. Μετά την κατηγοριοποίηση κάθε πακέτο σηµαδεύεται µε το πεδίο DSCP που αντιστοιχεί στην CoS που επιλέχθηκε. Εναλλακτικά η κατηγοριοποίηση και η

16 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Αρχιτεκτονική δορυφορικού τερµατικού 14 σήµανση των πακέτων, θα µπορούσε να γίνεται εντός του δικτύου του χρήστη. Στην περίπτωση αυτή ο Traffic Selector δε χρειάζεται να πραγµατοποιεί αυτές τις λειτουργίες. Έπειτα η κίνηση για σε κάθε κλάση µετράται για να καθοριστεί εάν συµµορφώνεται µε τις προδιαγραφές που τέθηκαν στην TCA. Αν ναι, η κίνηση εισέρχεται στην κατάλληλη IP-queue (υπάρχει ένας buffer για κάθε κλάση). Αν όµως η κίνηση δεν είναι συµβατική µε τις προδιαγραφές, µπορεί να τοποθετείται σε κάποια άλλη CoS (π.χ. DE), να τροποποιείται ή να απορρίπτεται έτσι ώστε να ενισχυθεί η συµµόρφωση µε την TCA. Εάν ο χρήστης θέλει να µεταδώσει κίνηση που θα παραβίαζε την TCA, τότε θα µπορούσε να διαπραγµατευθεί την TCA έτσι ώστε να προσαρµοστεί στις απαιτήσεις της κίνησης. Για παράδειγµα, το τερµατικό θα µπορούσε να διαπραγµατευθεί περισσότερη CRA χωρητικότητα ή µεγαλύτερη µέγιστη RBDC χωρητικότητα µε το NCC (γεγονός που σηµαίνει υψηλότερο κόστος για το χρήστη). Η διαπραγµάτευση της TCA εξαρτάται από την τοπική πολιτική στο δίκτυο του χρήστη. IP Queues Οι ουρές IP διατηρούν τα πακέτα που έρχονται από τον traffic selector. Υπάρχει µία για κάθε CoS. Στην προσοµοίωση, υλοποιήθηκε µία µόνο ουρά AF, εφόσον η AF κίνηση, για λόγους απλότητας, δεν κατηγοριοποιήθηκε σε περεταίρω επίπεδα. IP Queue Manager ιασπά τα πακέτα που προέρχονται από τις IP queues σε κελιά (ΑΤΜ cells) σταθερού µεγέθους που είναι ένα format κατάλληλο για την µετάδοση στο uplink και τα τοποθετεί στις ουρές του επιπέδου MAC (MAC queues). Στην προσοµοίωση που υλοποιήθηκε, χρησιµοποιήθηκε η priority queue discipline σύµφωνα µε την οποία όταν το κανάλι είναι αδρανές, πρώτα εκπέµπει η ουρά µε τη µεγαλύτερη προτεραιότητα και εφόσον αυτή αδειάσει, εκπέµπει η ουρά µε την αµέσως µικρότερη προτεραιότητα Κ.Ο.Κ.. MAC Queues ιατηρούν τα cells µέχρι την εκποµπή τους στο uplink. MAC Management Το µπλοκ αυτό είναι υπεύθυνο για τον υπολογισµό των αιτήσεων χωρητικότητας και την διανοµή της χωρητικότητας που ανατέθηκε στο τερµατικό µεταξύ των MAC queues. O λόγος της επιλογής µίας AF queue αντί για τέσσερις είναι για την απλοποίηση του υπολογισµού των αιτήσεων χωρητικότητας και της διανοµής της. Predictor Μεταξύ της αποστολής µιας αίτησης χωρητικότητας από ένα τερµατικό και της ανάθεσης της ζητούµενης χωρητικότητας από το NCC, µεσολαβεί ένα σχετικά µεγάλο χρονικό διάστηµα (scheduling lag ~260ms για OBP). Όταν η κίνηση είναι εκρηκτική (bursty), στο διάστηµα αυτό, είναι πιθανό να έρθει ένας µεγάλος όγκος δεδοµένων ο οποίος να µη µπορεί να εξυπηρετηθεί από τη χωρητικότητα που θα ανατεθεί. Για να αποφευχθεί συµφόρηση και καθυστέρηση της κίνησης σε τέτοιες περιπτώσεις, ο predictor λαµβάνει µετρήσεις της κίνησης που έχει λάβει πρόσφατα

17 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Υπολογισµός αιτήσεων χωρητικότητας 15 το τερµατικό και µε τη βοήθεια ενός αλγορίθµου πρόβλεψης, εκτιµά τις ανάγκες του σε χωρητικότητα για χρόνο ίσο µε το scheduling lag που ακολουθεί µία αίτηση. Στην προσοµοίωση δεν υλοποιήθηκε κάποιος αλγόριθµος πρόβλεψης. Αντ αυτού, χρησιµοποιήθηκε µία απλή µέθοδος εκτίµησης της χωρητικότητας που θα χρειαστεί το τερµατικό η οποία περιγράφεται στην παράγραφο Υπολογισµός αιτήσεων χωρητικότητας Μία από τις λειτουργίες της µονάδας MAC Management των τερµατικών είναι ο υπολογισµός των αιτήσεων χωρητικότητας. Για να γίνει αυτό απαιτείται µία αντιστοίχηση (mapping) ανάµεσα στις DiffServ PHBs και στις κατηγορίες χωρητικότητας του DVB-RCS που περιγράφηκαν παραπάνω. Τα χαρακτηριστικά αυτών των κατηγοριών πρέπει να ληφθούν υπόψη για τη δηµιουργία µίας αντιστοίχησης που ικανοποιεί τις απαιτήσεις των PHBs. Η EF PHB απαιτεί εγγύηση εύρους ζώνης (bandwidth guarantee) και συνήθως χρησιµοποιείται για την παροχή low-loss, low-latency και low-jitter υπηρεσιών. Η EF κίνηση τείνει να είναι οµαλή. Η CRA αποτελεί µία καλή αντιστοίχηση γι αυτές τις απαιτήσεις. RBDC χωρητικότητα µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν συµπλήρωµα στη CRA αλλά δε θα πρέπει να χρησιµοποιείται από µόνη της αφού η καθυστέρηση αίτησης - ανάθεσης χωρητικότητας (scheduling lag) παραβιάζει τον περιορισµό low-latency. Ο λόγος για τη χρήση της RBDC σαν συµπλήρωµα στη CRA είναι γιατί η πρώτη στοιχίζει λιγότερο. Οι χρήστες µπορεί να αποδεχτούν την καθυστέρηση και το jitter που συνεπάγεται η χρήση της RBDC προς όφελος του κόστους της υπηρεσίας. Το group των AF PHBs, επίσης απαιτεί εγγύηση εύρους ζώνης χωρίς περιορισµούς καθυστέρησης και jitter. Η RBDC αποτελεί µία καλή αντιστοίχηση γι αυτές τις απαιτήσεις: Παρέχει εγγύηση εύρους ζώνης και µπορεί αποτελεσµατικά να χειριστεί bursty κίνηση, επειδή ανατίθεται δυναµικά. Η VBDC µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν συµπλήρωµα της RBDC για την κίνηση AF. Εφόσον όµως δεν παρέχει εγγύηση εύρους ζώνης, υπάρχει για ακόµα µία φορά συµβιβασµός µεταξύ ποιότητας υπηρεσίας και κόστους. Η DE PHB δεν έχει καθόλου απαιτήσεις και αντιστοιχεί στην κίνηση Best effort (BE). Παρόλα αυτά δε θα πρέπει να αντιστοιχίζεται αποκλειστικά σε FCA χωρητικότητα, για την αποφυγή έλλειψης πόρων (starving) σε καταστάσεις όπου το φορτίο του δικτύου αποκλείει την FCA. Εξαιτίας αυτής της πιθανότητας έλλειψης πόρων, το πρότυπο DVB- RCS καθορίζει ότι καµία κλάση κίνησης δε θα αντιστοιχίζεται σε FCA. Συνεπώς η DE κίνηση θα πρέπει να αντιστοιχίζεται σε VBDC χωρητικότητα µε ένα µέρος της πιθανόν να καλύπτεται από την FCA. Η αντιστοίχηση των DiffServ PHBs µε τους τύπους χωρητικότητας που χρησιµοποιήθηκε στην προσοµοίωση φαίνεται στον πίνακα 2.3. Όλες οι αιτήσεις γίνονται σε slots/frame για πρακτικούς λόγους. CRA RBDC VBDC FCA EF 80% 20% AF 70% 30% DE 80% 20% Πίνακας 2.3

18 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Υπολογισµός αιτήσεων χωρητικότητας Υπολογισµός απαιτούµενης CRA χωρητικότητας Η χωρητικότητα CRA είναι σταθερή για κάθε τερµατικό και καθορίζεται µε βάση την EF κίνηση που προβλέπει κάθε σενάριο προσοµοίωσης. Η σχέση 2.1 δίνει τον αριθµό των slots που πρέπει να ανατίθενται στο τερµατικό, σε κάθε frame, για την εξυπηρέτηση του 80% της κίνησης EF. Το υπόλοιπο 20% θα εξηπηρετηθεί από χωρητικότητα RBDC. C EF CRA req = 0.8 frame_duration cell_size (2.1) Όπου: cell_size = 53 bytes: Μέγεθος των ATM cells. frame_duration = sec: ιάρκεια του frame. C EF : Η αναµενόµενη κίνηση EF σε Bytes/sec Το πηλίκο C EF /cell_size ισούται µε την αιτούµενη χωρητικότητα EF σε slots/sec. Το 0.8 περιορίζει την απαιτούµενη χωρητικότητα CRA στο 80% της EF κίνησης όπως ορίζεται στον πίνακα Υπολογισµός απαιτούµενης RBDC χωρητικότητας Η ζητούµενη χωρητικότητα για την εξυπηρέτηση της κίνησης AF εκτιµάται από τη σχέση: AF _ queue size t C t = R t + AF () () AF _ ( ) (2.2) T s Όπου R AF (t) είναι o µέσος ρυθµός της κίνησης AF που φτάνει στο τερµατικό και AF_queue_size(t) είναι το µέγεθος της AF MAC queue σε cells τη χρονική στιγµή t. 1/T s είναι ένας αναλογικός παράγοντας. Στην προσοµοίωση το T s τίθεται ίσο µε την περίοδο αποστολής αιτήσεων χωρητικότητας. Η λογική της σχέσης 2.2 είναι ότι η ζητούµενη χωρητικότητα AF ισούται µε το µέσο ρυθµό αφίξεων πακέτων AF στο τερµατικό µέχρι στιγµής, συν τη χωρητικότητα που απαιτείται για να αδειάσει η AF MAC queue σε χρόνο T s. Οι ζητούµενες RBDC slots µε βάση τον πίνακα 2.3 θα είναι: 0.7CAF + 0.2CEF RBDCreq = frame _ duration cell _ size. (2.3) Η C AF λαµβάνεται από τη σχέση 2.2. Η σχέση 2.3 δίνει τα ζητούµενα RBDC slots ανά frame. Το υπόλοιπο 30% της C AF (t) θα ζητηθεί µε τη µορφή VBDC χωρητικότητας όπως προαναφέρθηκε στην περιγραφή του υπολογισµού των αιτήσεων VBDC.

19 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Υπολογισµός αιτήσεων χωρητικότητας Υπολογισµός απαιτούµενης VBDC χωρητικότητας Οι VBDC αιτήσεις υπολογίζονται ως εξής: VBDC = 0.3 C cap _ assign _ period ( DE _ queue _ size prev _ DE _ queue _ size) req AF αν DE _ queue _ size > prev _ DE _ queue _ size VBDC = 0.3 C cap _ assign _ period αν req AF DE _ queue _ size prev _ DE _ queue _ size C AF η συνολική απαιτούµενη AF χωρητικότητα σε slots/frame που υπολογίζεται από τη σχέση (2.2) cap_assign_period, η περίοδος ανάθεσης χωρητικότητας σε frames. DE_queue_size, το τρέχον µέγεθος της DE MAC queue του τερµατικού σε cells. prev_de_queue_size, το µέγεθος της DE MAC queue του τερµατικού σε cells, κατά την αµέσως προηγούµενη αίτηση χωρητικότητας. Η λογική αυτής της µεθόδου υπολογισµού είναι η εξής: Η απαιτούµενη χωρητικότητα VBDC ισούται µε τον αριθµό των cells που έφτασαν στο διάστηµα από την αποστολή της τελευταίας αίτησης, συν τα slots που χρειάζονται για την κάλυψη του 30% της απαιτούµενης AF χωρητικότητας για διάστηµα ίσο µε cap_assign_period. Για παράδειγµα εάν σε ένα τερµατικό έχουµε 8KBps AF κίνηση και 50 νέα cells στην DE MAC queue, ενώ το NCC αναθέτει χωρητικότητα κάθε 4 frames (cap_assign_period = 4), τότε η VBDC χωρητικότητα που θα ζητηθεί είναι: = slots 53 Το µειονέκτηµα αυτής της µεθόδου είναι ότι η ζητούµενη χωρητικότητα αντιστοιχεί στις απαιτήσεις του τερµατικού τη στιγµή που έκανε την αίτηση. Εάν στο διάστηµα που απαιτείται (allocation delay ~610ms) για να ανατεθεί η ζητούµενη χωρητικότητα εµφανιστεί µία έντονη ριπή κίνησης, τότε θα προκληθεί συνωστισµός και η νέα κίνηση θα εξυπηρετηθεί µε καθυστέρηση σε κάποια επόµενη ανάθεση χωρητικότητας ιανοµή της χωρητικότητας του τερµατικού Όπως προαναφέρθηκε, τα τερµατικά µαθαίνουν σε ποια χρονικά διαστήµατα µπορούν να εκπέµψουν στα frames του return channel, από το TBTP που αποστέλλει περιοδικά το NCC. Για τη µείωση των πληροφοριών σηµατοδοσίας (overhead signaling) το τερµατικό δεν ενηµερώνεται για το είδος κίνησης που θα στείλει σε κάθε slot. Το µπλοκ MAC Management του τερµατικού, είναι υπεύθυνο για την διανοµή της χωρητικότητας µεταξύ των MAC queues. Αυτό επιτυγχάνεται µέσω ενός σχεδίου προτεραιότητας priority queue: Η EF queue λαµβάνει τη µεγαλύτερη προτεραιότητα και είναι αυτή που θα αδειάσει πρώτη, στη συνέχεια η AF queue και τελευταία η DE. Όταν µία ουρά υψηλότερης προτεραιότητας είναι άδεια τότε αποσπώνται cells από την αµέσως

20 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο ιεπαφή µε το δίκτυο IP 18 επόµενη ουρά, εφόσον δεν είναι άδεια. Έτσι δε χάνεται χωρητικότητα όταν το τερµατικό έχει κίνηση προς εκποµπή. Σχήµα 2.6. Στοίβα πρωτοκόλλων για κίνηση χρήστη 2.7. ιεπαφή µε το δίκτυο IP. Το σύστηµα BSA επικοινωνεί µε τα εξωτερικά δίκτυα σε δύο σηµεία: Τα τερµατικά και τις gateways. Εάν το επίπεδο MAC του δορυφόρου βασίζεται στα πρότυπα DVB-S και DVB-RCS, οι απαιτούµενες διεπαφές είναι IP-MPEG2-TS (MPEG2 Transport Stream) για το forward link και IP-ATM (ή IP - MPEG2-TS) για το return link. Ένα τερµατικό αναµένεται να εξυπηρετεί τις ανάγκες πολλών χρηστών σε µια δεδοµένη τοποθεσία. Συνεπώς, πέρα από τη συλλειτουργία µε πρωτόκολλα IP (IP-based protocols), το τερµατικό πρέπει να είναι συµβατό και µε πρωτόκολλα LAN, κυρίως την οικογένεια IEEE (Ethernet). ύο σενάρια εξετάζονται (οι όροι layer-2 και layer-3 αναφέρονται στα επίπεδα 2 και 3 του µοντέλου αναφοράς OSI): Layer-3 (Network) Connection: Το τερµατικό µπορεί να συνδεθεί µε ένα τοπικό δροµολογητή (router). Στην περίπτωση αυτή, ο δροµολογητής πραγµατοποιεί όλες τις αναγκαίες λειτουργίες δροµολόγησης του τοπικού δικτύου και πιθανόν ταξινόµηση και ρύθµιση (conditioning) της κίνησης για την αρχιτεκτονική DiffServ. Το τερµατικό απλώς λαµβάνει την κίνηση που προορίζεται εκτός του τοπικού δικτύου. Layer-2 (Data Link) Connection: Το τερµατικό µπορεί να περιέχει ενσωµατωµένο router. Στην περίπτωση αυτή το τερµατικό συνδέεται µε µία τυπική συσκευή Layer- 2 LAN Concentration όπως ένα hub ή switch. Έτσι το τερµατικό πρέπει να εξετάσει την IP κεφαλίδα κάθε πακέτου που διασχίζει το δίκτυο για να καθορίσει εάν ένα πακέτο προορίζεται για κάποια εξωτερική τοποθεσία. Τα τοπικά δίκτυα των περισσότερων επιχειρήσεων και οργανισµών περιέχουν ήδη routers, οπότε το πρώτο σενάριο είναι πιο πιθανό. Παρόλο όµως που ένας τοπικός router πραγµατοποιεί traffic classification και traffic conditioning, το τερµατικό πρέπει να επαναλάβει αυτές τις λειτουργίες για να για να ενισχύσει τη συµβατότητα µε τη

21 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο ιεπαφή µε το δίκτυο IP 19 διαπραγµατευόµενη TCA. Εφόσον τα τερµατικά που είναι συµβατά µε την αρχιτεκτονική DiffServ πρέπει ούτως ή άλλως να διεξάγουν αυτές της λειτουργίες του layer-3, η πιο αποτελεσµατική από άποψη κόστους λύση για παρόχους δορυφορικών υπηρεσιών, είναι τερµατικά µε ενσωµατωµένο router ο οποίος θα µπορεί να απενεργοποιείται. Αυτή η λύση δίνει στους διαχειριστές τοπικών δικτύων (LAN administrators) µέγιστη ευελιξία στην ενσωµάτωση των τερµατικών στο δίκτυό τους ιεπαφή IP ATM Για τη µεταφορά της κίνησης των τερµατικών στο return link, όπως είδαµε, χρησιµοποιείται το µοντέλο ATM (Asynchronous Transfer mode). Στο σχήµα 2.6, όπου φαίνεται η στοίβα πρωτοκόλλων από την πλευρά του τερµατικού, διακρίνουµε το επίπεδο ATM το οποίο ασχολείται µε τα κελιά και τη µεταφορά τους. Επειδή οι περισσότερες εφαρµογές δε δουλεύουν απευθείας µε κελιά, πάνω από το επίπεδο ATM έχει οριστεί ένα επίπεδο που επιτρέπει στους χρήστες να στέλνουν πακέτα µεγαλύτερα από ένα κελί. Η διασύνδεση του ATM τεµαχίζει τα πακέτα αυτά, µεταδίδει αυτόνοµα κελιά και ανασυναρµολογεί τα πακέτα στο άλλο άκρο. Το επίπεδο αυτό είναι το επίπεδο προσαρµογής ATM (ATM Adaptation Layer - AAL). Στο πρότυπο του ETSI [1] ορίζεται ότι για τη διασύνδεση των επιπέδων IP και ATM χρησιµοποιείται η έκδοση AAL5 [10] που υποστηρίζει ενθυλάκωση παλλαπλών πρωτοκόλλων (Multiprotocol Encapsulation over ATM Adaptation Layer 5 [9]). Το AAL5 χρησιµοποιείται για την αποστολή πακέτων µεταβλητού µήκους µέχρι bytes µέσω ενός δικτύου ATM. Το AAL5 τοποθετεί τις πληροφορίες ελέγχου σε µία απόληξη (trailer) µήκους 8 bytes στο τέλος του πακέτου. Στη συνέχεια κάθε πακέτο AAL5 (AAL5 datagram) διαιρείται σε έναν ακαίρεο αριθµό από ATM cells τα οποία ενώνονται και δίνουν το αρχικό πακέτο που θα παραδοθεί στον προορισµό του. Ακολουθεί µία περιγραφή των ATM datagrams. Trailer 8 bytes PDU payload Pad UU CPI Length CRC bytes 0-47 bytes 1 byte 1 byte 2 bytes 4 bytes Πίνακας 2.4. AAL5 Datagram Το πεδίο payload περιέχει πληροφορίες χρήστη µέχρι bytes. Το πεδίο PAD επεκτείνει το πεδίο PDU έτσι ώστε το AAL5 Datagram να χωράει ακριβώς σε ακέραιο αριθµό ATM cells. Το payload (48 bytes) του τελευταίου cell περιέχει το Trailer δεξιά στοιχισµένο. Τα υπόλοιπα πεδία στο Trailer αποτελούν πληροφορίες σήµανσης και ελέγχου σταθερού µήκους και δε θα περιγραφούν αναλυτικά. Στο σχήµα 2.7 φαίνεται ο κατακερµατισµός ενός πακέτου IP σε ΑΤΜ cells. Ένα τέτοιο πακέτο µπορεί να χρειαστεί περισσότερα από ένα frames για τη µετάδοσή του. Το µέγεθος κάθε ATM cell είναι 53 bytes εκ των οποίων τα 48 αφορούν το ωφέλιµο φορτίο (payload) και τα υπόλοιπα 5 την κεφαλίδα (header).

22 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Κέντρο ελέγχου δικτύου - Scheduler 20 Σχήµα 2.7. ιάσπαση IP πακέτου σε κελιά ATM σταθερού µήκους 2.8. Κέντρο ελέγχου δικτύου - Scheduler Ο scheduler χρησιµοποιεί το σχέδιο Combined Free/Demand Assignment Multiple access (CFDAMA scheme) για την ανάθεση χωρητικότητας στα τερµατικά µε βάση τις αιτήσεις που του στέλνουν. Όσοι ελεύθεροι πόροι αποµένουν µετά από την ικανοποίηση όλων των αιτήσεων των τερµατικών, µοιράζονται σε αυτά. Η λειτουργία του scheduler βασίζεται στις κατηγορίες χωρητικότητας (capacity categories) που περιγράφηκαν παραπάνω. Οι κατηγορίες CRA και RBDC παρέχουν εγγύηση χωρητικότητας (capacity guarantee). Για να υποστηριχθούν αυτές οι εγγυήσεις, ο scheduler πρέπει να εξασφαλίζει ώστε το σύνολο όλης της εγγυηµένης χωρητικότητας σε κάθε frame του uplink, να είναι µικρότερη ή ίση της συνολικής χωρητικότητας του frame. Η αρχή αυτή εκφράζεται από την παρακάτω σχέση: CRA + Maximum _ RBDC Total _ uplink _ capacity (2.4) Ο scheduler διατηρεί µία λίστα µε πληροφορίες για κάθε τερµατικό (UT list) που είναι συνδεδεµένο µε το δίκτυο BSA. Κάθε εγγραφή της λίστας περιλαµβάνει στοιχεία όπως το id του τερµατικού, ο αριθµός των CRA, RBDC και VBDC slots που πρέπει να του ανατεθούν στην επόµενη διανοµή χωρητικότητας, το χρονόµετρο που καθορίζει εάν

23 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Κέντρο ελέγχου δικτύου - Scheduler 21 η τρέχουσα αίτηση RBDC χωρητικότητας έχει λήξει και ο βαθµός ικανοποίησης της ζητούµενης χωρητικότητας κατά την πιο πρόσφατη διανοµή. Ο scheduler χρησιµοποιεί δύο αλγορίθµους. Ο πρώτος είναι υπεύθυνος για την ενηµέρωση της UT list (σαν αποτέλεσµα νέων αιτήσεων χωρητικότητας ή αλλαγών στην ήδη διανεµηνένη CRA ή µέγιστη RBDC χωρητικότητα). Ο αλγόριθµος αυτός υλοποιήθηκε ακριβώς όπως παρουσιάζεται στην αναφορά [2]. Ο δεύτερος αλγόριθµος είναι υπεύθυνος για την ανάθεση της χωρητικότητας µε βάση τις αιτήσεις που ελήφθησαν από τα τερµατικά. Ο αλγόριθµος αυτός αποτελεί το αντικείµενο µελέτης της εργασίας αυτής και κατασκευάστηκε µε βάση τον αντίστοιχο αλγόριθµο της αναφοράς [2] ακολουθώντας ένα περισσότερο δίκαιο σχέδιο ανάθεσης χωρητικότητας. Οι δύο αυτοί αλγόριθµοι, που καλούνται σε κάθε ανάθεση χωρητικότητας, παρουσιάζονται παρακάτω µε τη µορφή ψευδοκώδικα Αλγόριθµος ενηµέρωσης της λίστας τερµατικών Το NCC διαθέτει µία ουρά (incoming request queue) στην οποία διατηρούνται οι αιτήσεις των τερµατικών. Για κάθε τερµατικό οι πιο πρόσφατες αιτήσεις υπερισχύουν των παλιών µε βάση τις ιδιότητες κάθε κατηγορίας χωρητικότητας που περιγράφηκε στην παράγραφο Ακολουθεί ο ψευδοκώδικας του αλγορίθµου: Για κάθε αίτηση της ουράς αιτήσεων Πάρε την επόµενη αίτηση χωρητικότητας και δάβασε το id του τερµατικού που την έστειλε Εάν(για αυτό το id δεν υπάρχει εγγραφή στη λίστα των τερµατικών) Κατασκεύασε µια νέα εγγραφή και αρχικοποίησέ την ιαφορετικά Βρες την εγγραφή του τερµατικού στη λίστα Εάν(η ζητούµενη RBDC χωρητικότητα είναι διάφορη του µηδενός) Θέσε το χρονόµετρο ισχύος της αίτησης RBDC γι αυτό το τερµατικό ίσο µε τη διάρκεια ισχύος της αίτησης. Εάν(ζητούµενη RBDC χωρητικότητα Μέγιστη RBDC) Αντικατέστησε την προηγούµενη ζητούµενη χωρητικότητα µε τη νέα ιαφορετικά Αντικατέστησε την προηγούµενη ζητούµενη χωρητικότητα µε τη µέγιστη που µπορεί να ανατεθεί. Πρόσθεσε την επιπλέον χωρητικότητα στη συσσωρευµένη VBDC χωρητικότητα του τερµατικού αυτού Εάν (η ζητούµενη VBDC χωρητικότητα είναι διάφορη του µηδενός) Πρόσθεσε τη ζητούµενη χωρητικότητα στη συσσωρευµένη VBDC χωρητικότητα του τερµατικού αυτού ιέγραψε την τρέχουσα αίτηση από την ουρά των αιτήσεων (εφόσον η λίστα πληροφοριών των τερµατικών έχει ανανεωθεί)

24 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Κέντρο ελέγχου δικτύου - Scheduler Προτεινόµενος αλγόριθµος διανοµής χωρητικότητας Ο αλγόριθµός που παρατίθεται στην αναφορά [2] διασφαλίζει την παροχή CRA και RBDC χωρητικότητας στα τερµατικά ικανοποιώντας τη σχέση 2.4. Η διαθέσιµη VBDC και FCA χωρητικότητα διανέµεται σύµφωνα µε την τεχνική round-robin. Αυτό σηµαίνει ότι η επόµενη ανάθεση θα ξεκινήσει από το τερµατικό στο οποίο σταµάτησε η προηγούµενη, µε αποτέλεσµα τα τερµατικά να λαµβάνουν χωρητικότητα µε βάση τη θέση καταχώρησής τους στην UT list. Η σειρά κατά την οποία θα λάβει χωρητικότητα ένα τερµατικό παίζει σηµαντικό ρόλο, αφού αυτά που λαµβάνουν τελευταία, παίρνουν ότι περισσεύει από τα υπόλοιπα. Η VBDC χωρητικότητα, που παρέχεται µε αυτό τον τρόπο, είναι σηµαντικό να διανέµεται δίκαια αφού οι αιτήσεις VBDC δεν υπόκεινται σε περιορισµούς. Επιπλέον αποτελεί συµπλήρωµα της RBDC χωρητικότητας αφού, σύµφωνα µε τον πίνακα 2.3, ένα µέρος της AF κίνησης εξυπηρετείται από VBDC slots. Στο προτεινόµενο σχέδιο η σειρά µε την οποία θα λάβει VBDC χωρητικότητα ένα τερµατικό καθορίζεται από το βαθµό ικανοποίησης των VBDC αιτήσεων του κατά την αµέσως προηγούµενη ανάθεση. Αυτό επιτυγχάνεται ταξινοµώντας κάθε φορά τη UT list vbdc _ slots _ assigned ( i) σύµφωνα µε το πηλίκο, όπου total_slots_requested(i), ο total _ slots _ requested () i συνολικός αριθµός slots που ζητήθηκε από το τερµατικό i και vbdc_slots_assigned(i), ο αριθµός των VBDC slots που ανατέθηκαν στο τερµατικό i, στην προηγούµενη διανοµή χωρητικότητας. Έτσι ένα τερµατικό µε µικρό βαθµό εξυπηρέτησης θα λάβει πρώτο χωρητικότητα στην επόµενη ανάθεση ενώ τερµατικά µε µεγάλους βαθµούς εξυπηρέτησης θα λάβουν τη χωρητικότητα που θα αποµείνει. Ακολουθεί ο ψευδοκώδικας του προτεινόµενου αλγορίθµου ο οποίος περιλαµβάνει τη διαδικασία ανάθεσης των RBDC, VBDC και FCA slots στα τερµατικά. Η CRA χωρητικότητα είναι σταθερή για κάθε τερµατικό και καθορίζεται στην αρχή της προσοµοίωσης ενώ η FCA διανέµεται ισότιµα σε κάθε τερµατικό. Τέλος όλα τα slots που ανατίθενται σε κάθε τερµατικό βρίσκονται στο ίδιο carrier κατά τη διάρκεια ενός frame έτσι ώστε να αποφεύγονται χρονοβόρες αλλαγές συχνότητας (frequency hoping).

25 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Κέντρο ελέγχου δικτύου - Scheduler 23 // Ανάθεση CRA και RBDC χωρητικότητας Ταξινόµισε τη UT list κατά αύξοντα βαθµό εξυπηρέτησης Για κάθε εγγραφή της UT list Πήγαινε στο carrier µε τα περισσότερα ελεύθερα slots. Ανάθεσε στο τερµατικό τόσα CRA slots όσα ορίζονται στην τρέχουσα εγγραφή. Εάν η αίτηση RBDC της τρέχουσας εγγραφής δεν έχει λήξει Ανάθεσε RBDC slots στο τερµατικό της τρέχουσας εγγραφής µέχρι να ικανοποιηθεί ο αριθµός RBDC slots που προβλέπεται από την τρέχουσα εγγραφή. Εάν η αίτηση RBDC της τρέχουσας εγγραφής έχει λήξει Επανάφερε το χρονόµετρο λήξης αιτήσεων RBDC στην αρχική τιµή του. Μείωσε το χρονόµετρο λήξης αιτήσεων RBDC κατά µία περίοδο ανάθεσης // Ανάθεση VBDC χωρητικότητας Για κάθε εγγραφή της UT list Εάν στο τερµατικό της τρέχουσας εγγραφής έχουν ήδη ανατεθεί RBDC slots Πήγαινε στο carrier που περιέχει αυτά τα slots ιαφορετικά Πήγαινε στο carrier µε τα περισσότερα ελεύθερα slots. Ανάθεσε VBDC slots στο τερµατικό της τρέχουσας εγγραφής µέχρι να ικανοποιηθεί ο ζητούµενος αριθµός VBDC slots ή να γεµίσει το carrier. vbdc _ slots _ assigned Ενηµέρωσε το βαθµό εξυπηρέτησης,, για το total _ slots _ requested τερµατικό της τρέχουσας εγγραφής µε βάση τον αριθµό VBDC slots που µόλις ανατέθηκαν στο τερµατικό. // Ανάθεση FCA χωρητικότητας Εάν υπάρχουν τερµατικά στα οποία δεν έχουν ανατεθεί καθόλου RBDC ή VBDC slots. Για κάθε τερµατικό στο οποίο δεν έχει ανατεθεί κανένα slot Πήγαινε σε ένα carrier µε ελεύθερα slots. Ανάθεσε ένα slot αυτού του carrier στο τερµατικό. Έτσι σε κάθε τερµατικό έχει ανατεθεί τουλάχιστον ένα slot. Για κάθε carrier Βρες τα τερµατικά που θα εκπέµψουν στο τρέχον carrier και ανάθεσε εξίσου σε αυτά, τα ελεύθερα slots του carrier.

26 2. ιαδραστικό δορυφορικό δίκτυο Κέντρο ελέγχου δικτύου - Scheduler Αλγόριθµος διανοµής χωρητικότητας αναφοράς Συνολικός αριθµός ζητούµενων VBDC slots = 0 // Ανάθεση CRA και RBDC χωρητικότητας Για κάθε τερµατικό στη UT list Ανάθεσε τα CRA slots που δικαιούται το τερµατικό Εάν η αίτηση RBDC της τρέχουσας εγγραφής δεν έχει λήξει Ανάθεσε τη ζητούµενη RBDC χωρητικότητα Μείωσε το χρονόµετρο λήξης αιτήσεων RBDC κατά µία περίοδο ανάθεσης Πρόσθεσε τα συσσωρεµένα ζητούµενα VBDC slots του τερµατικού στο συνολικό µετρητή ζητούµενων VBDC slots Εάν ο συνολικός αριθµός ζητούµενων VBDC slots είναι µικρότερος του αριθµού των slots που αποµένουν ιαθέσιµα FCA slots = slots που αποµένουν - συνολικός αριθµός ζητούµενων VBDC slots ιαφορετικά ιαθέσιµα FCA slots = 0 Όσο υπάρχουν ελεύθερα slots Πάρε το επόµενο τερµατικό από τη UT list Ανάθεσε στο τερµατικό αυτό VBDC slots µέχρι τον αριθµό που ζητείται Μείωσε τον αριθµό των συσσωρεµένων ζητούµενων VBDC slots κατά τον αριθµό των slots που µόλις ανατέθηκαν Εάν ιαθέσιµα FCA slots > 0 Όσο υπάρχουν ελεύθερα slots Πάρε το επόµενο τερµατικό από τη UT list Ανάθεσε 1 FCA slot στο τρέχον τερµατικό Μείωσε κατά ένα τα διαθέσιµα FCA slots

27 3. Λεπτοµέρειες προσοµοίωσης και αποτελέσµατα Γεννήτριες κίνησης Λεπτοµέρειες προσοµοίωσης και αποτελέσµατα Σχήµα 3.1. ιάγραµµα του δικτύου που προσοµοιώθηκε To σύστηµα που προσοµοιώθηκε (σχήµα 3.1) αποτελείται από ένα κέντρο ελέγχου δικτύου (NCC), που βρίσκεται στο δορυφόρο, µία traffic gateway και έναν πληθυσµό τερµατικών σε καθένα από τα οποία συνδέονται µικρά δίκτυα LAN. Τα µικρά δίκτυα παράγουν κίνηση την οποία τα τερµατικά εκπέµπουν στη gateway µε βάση τη χωρητικότητα που τους ανατίθεται από το NCC Γεννήτριες κίνησης Για τη σύγκριση του προτεινόµενου αλγορίθµου µε αυτόν της αναφοράς [2], σαν γεννήτριες κίνησης στο δίκτυο θεωρήθηκαν µικρά τοπικά δίκτυα LAN, που αποτελούνται από ένα σύνολο χρηστών IP. Κάθε τοπικό δίκτυο έχει έναν αριθµό συσκευών και συνδέεται µε το δορυφορικό τερµατικό µέσω ενός router και ενός καναλιού Ethernet χωρητικότητας 10Mbps. Για την προσοµοίωση της συνολικής κίνησης (aggregate traffic) που παράγει, χρησιµοποιούµε µία πηγή δύο καταστάσεων ON-OFF (ON-OFF source). Στην κατάσταση ON η πηγή παράγει κίνηση µε σταθερό ρυθµό 10Mbps. Οι µέσοι χρόνοι των καταστάσεων ΟΝ και OFF, αντιπροσωπεύουν τη συνολική δραστηριότητα των χρηστών σε κάθε τοπικό δίκτυο. Η πηγή ON-OFF περιγράφεται αναλυτικά στην παράγραφο Επιπλέον, εξετάζουµε τις επιδόσεις των δύο αλγορίθµων σε επίπεδο εφαρµογών. Τα µοντέλα κίνησης που χρησιµοποιήθηκαν για κάθε εφαρµογή περιγράφονται στην παράγραφο

28 3. Λεπτοµέρειες προσοµοίωσης και αποτελέσµατα Γεννήτριες κίνησης Προσοµοίωση της συνολικής κίνησης σε κάθε τερµατικό Πρόσφατες µελέτες έδειξαν ότι η συνολική κίνηση που διακινείται σε ευρυζωνικά δίκτυα εµφανίζει τις ιδιότητες Long Range Dependence (LRD) και Self-Similarity. Παραδείγµατα Self-Similar και LRD κίνησης αποτελούν η κίνηση TCP, Ethernet, FTP, η κίνηση που παράγεται από εφαρµογές VBR (Variable Bit Rate) video streaming και εφαρµογές πολυµέσων. Η ιδιότητα Self-similarity [13] ονοµάζεται και σύνδροµο άπειρης διασποράς (infinite variance syndrome) και προσδίδει χαρακτηριστικά όµοια µε αυτά των fractals. Μία διαδικασία χαρακτηρίζεται Self-Similar όταν δε διακρίνεται από κλιµακωµένες εκδοχές της που υπολογίζονται από το µέσο όρο των δειγµάτων της αρχικής διαδικασίας, τα οποία ανήκουν σε διάφορες χρονικές κλίµακες. Στην πράξη αυτό σηµαίνει ότι η κίνηση είναι εκρηκτική σε ένα µεγάλο εύρος από χρονικές κλίµακες παρατήρησης. Μία µαθηµατική περιγραφή της Self-Similarity είναι η εξής: Έστω µία διαδικασία ( =1, 2,... ) Π.χ. για m=4 όπως φαίνεται παρακάτω: 1 4 Xi i και µία άλλη ( m X ) j = ( X jm-m+1 + X jm-m X jm ) 4 4 X = ( X + X + X + X ), = ( ) m X 1 2 X5 X6 X7 X 8, 4. ( ) 1 m H Η διαδικασία X i λέγεται Self-Similar εάν X j m X i Το σύµβολο dis δηλώνει ισότητα στην κατανοµή (αυτό δε σηµαίνει κατ ανάγκη επανάληψη ακριβώς της ίδιας εικόνας). Επιπλέον η οµοιότητα ανάµεσα στην κατανοµή ( m) της X j και την κατανοµή της X i, φθίνει µε βάση έναν εκθετικό νόµο (power law), H 1 m 2H 2 δηλαδή τον παράγοντα m. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα: Var X = j m Var X i, όπου Var (). είναι η διασπορά της διαδικασίας. Το m είναι ένας παράγοντας που καθορίζει την κλίµακα παρατήρησης ενώ το H είναι η παράµετρος Hurst (Hurst ( m) parameter). Στην περίπτωση όπου H = 1 οι διαδικασίες X i και X j έχουν την ίδια κατανοµή χωρίς καµία εξασθένιση. Η παράµετρος Hurst αποτελεί µέτρο της εκρηκτικότητας (burstιness) µιας διαδικασίας. Όταν 0.5 < H < 1, η κίνηση χαρακτηρίζεται Long Range Dependent (LRD) και παρουσιάζει αρκετά µεγάλες ριπές κατά τις οποίες η δραστηριότητα είναι υψηλότερη από τη µέση. Όσο µεγαλύτερη είναι η H, τόσο περισσότερο Self-Similar είναι η κίνηση. dis ( ) ( ) ( ) Όταν 0< H < 0.5 η κίνηση χαρακτηρίζεται Short Range Dependent (SRD). Για την παραγωγή Self-Similar κίνησης χρησιµοποιούµε την υπέρθεση πολλών ON- OFF πηγών, µε τα χρονικά διαστήµατα Τ ΟΝ και T OFF κατανεµηµένα κατά Pareto (Pareto