ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΑΚΟΥΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΗΧΗΤΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΑΚΟΥΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΙΑ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΗΧΗΤΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΥ Κ. ΤΑΤΛΑ ΔΙΠΛ. ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ: 180 ΠΑΤΡΑ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2006

Στους γονείς μου

Περίληψη Στη Διδακτορική Διατριβή αναλύονται ζητήματα που αφορούν την ασύρματη μετάδοση καθώς και την απευθείας εκπομπή ψηφιακών ηχητικών σημάτων με σκοπό την βελτιστοποίηση των τεχνικών αυτών. Ως προς τo σκέλος της ασύρματης μετάδοσης, η διατριβή εστιάστηκε σε δίκτυο WLAN με υποστήριξη QoS. Για την μελέτη του συστήματος διεξήχθησαν δοκιμές χρησιμοποιώντας πρωτότυπη πλατφόρμα που επιτρέπει την μετατροπή ηχητικών ροών για την εισαγωγή τους και εξαγωγή τους σε εφαρμογή εξομοίωσης δικτύου ώστε να αξιολογηθεί η πιστότητα ηχητικής αναπαραγωγής. Η ανάλυση του συστήματος οδήγησε στην ανάπτυξη πρωτότυπης τεχνικής για τον συγχρονισμό διακριτών καναλιών αναπαραγωγής, που μπορεί να εφαρμοστεί με χρήση τυπικού υλικού WLAN καθώς και πρωτότυπου αλγορίθμου για την συγκάλυψη ακουστών παραμορφώσεων που ενδεχομένως εισάγονται κατά τη μετάδοση. Επίσης, στη διατριβή εισάγονται αποτελέσματα με νέες μεθόδους που σχετίζονται με τη μελέτη Μοναδιαίων Συστοιχιών Ψηφιακής Εκπομπής που οδηγούνται από σήμα Σίγμα-Δέλτα ενός ψηφίου, όπως στο πρότυπο DSD. Η προσέγγιση βασίζεται σε πρωτότυπο αλγόριθμο αντιστοίχησης ροής ενός ψηφίου σε στοιχεία ακουστικής εκπομπής και παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα, ως προς την επιτυγχανόμενη πιστότητα και κατευθυντικότητα, όσο και στην δυνατότητα υλοποίησης. Ο σχεδιασμός και η λειτουργία πρωτοτύπου ψηφιακού ηχείου Σίγμα-Δέλτα τεκμηριώνουν τη θεωρητική ανάλυση ενώ οι μετρήσεις που ελήφθησαν από την κατασκευή βρίσκονται σε αντιστοιχία με τις αναμενόμενες από αντίστοιχες εξομοιώσεις, αλλά διάφοροι πρακτικοί περιορισμοί οδηγούν σε ηχητική πιστότητα κατώτερη της αναμενόμενης. Abstract The dissertation analyzes issues concerning the wireless transmission and the direct emission of digital audio signals, in order to optimize these techniques. Regarding the wireless transmission, the dissertation focuses on the WLAN family of networks, supporting QoS. In order to study the system, trials were

conducted using a novel platform that allows the conversion of audio streams for them to be imported an exported from a network simulation application, facilitating the final audio playback fidelity estimation. The above analysis led to the development of a prototype technique for the synchronization of discreet reproduction channels that can be implemented using typical WLAN hardware, as well as a prototype algorithm for concealing audible distortion that might be added during the transmission. Moreover, results using new methods relating to the study of Unary Digital Transmission Arrays driven by one-bit Delta-Sigma signals, as in the DSD standard, are introduced in the dissertation. The approach is based on a prototype algorithm for mapping a one-bit stream to the acoustic transmission elements and exhibits important advantages, namely increased fidelity and improved directivity, as well as ease of implementation. The design and operation of the prototype digital Delta-Sigma speaker substantiates the theoretical analysis, while the measurements obtained from the device are in accordance with what expected from respective simulations. However, various practical limitations lead to lower than expected acoustic fidelity.

Πρόλογος Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στην Ομάδα Τεχνολογίας Ήχου και Ακουστικής του Εργαστηρίου Ενσύρματης Τηλεπικοινωνίας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Πατρών από τον Οκτώβριο 2001 έως τον Οκτώβριο 2006. Το θέμα πρότεινε ο Αναπληρωτής καθηγητής κ. Ιωάννης Μουρτζόπουλος, ο οποίος προήδρευσε της Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής, μέλη της οποίας ήταν ο Καθηγητής κ. Ν. Φακωτάκης και ο Επ. Καθηγητής κ. Σ. Δενάζης. Η καθοδήγηση και η καθημερινή συνεργασία με τον κ. Μουρτζόπουλο σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής ήταν καθοριστική για την ολοκλήρωση της εργασίας αλλά το σημαντικότερο για τη μελλοντική πορεία μου ως μηχανικός και ερευνητής. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω και στους κ. Φακωτάκη και Δενάζη για τις ουσιαστικές και εύστοχες παρατηρήσεις τους κατά τη συγγραφή της διατριβής. Την επταμελή εξεταστική επιτροπή συγκρότησαν τα μέλη της ανωτέρω Συμβουλευτικής Επιτροπής κι επιπλέον οι Καθηγητής Σ. Κουμπιάς, Καθηγητής Ο. Κουφοπαύλου, Καθηγητής Θ. Στουραϊτης και ο Αν. Καθηγητής Γ. Παπανικολάου. Τους ευχαριστώ όλους για το ενδιαφέρον τους και τις υποδείξεις τους που θα συμβάλουν της συνέχιση του επιστημονικού μου έργου. Στο σημείο αυτό θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον Δρ. Ανδρέα Φλώρο για την μακροχρόνια και ουσιαστική συνεργασία που είχαμε σε όλα τα χρόνια εξέλιξης της διατριβής καθώς και τους συναδέλφους μου ερευνητές στο εργαστήριο, Θωμά Ζαρούχα, Φώτη Κοντομίχο, Θεόδωρο Αλτάνη και Αλέξανδρο Τσιλφίδη. Ιδιαίτερα θα

ήθελα να σταθώ στην διαρκή υποστήριξη επί επιστημονικών και μη ζητημάτων, του στενού μου φίλου και συνεργάτη Δρ. Παναγιώτη Χατζηαντωνίου. Τέλος, είναι αδύνατο να ευχαριστήσω στα πλαίσια γραπτού κειμένου, τους δικούς μου, αγαπημένους ανθρώπους που στάθηκαν πλάι μου όποτε τους χρειάστηκα. Θεωρώ ότι η διαρκής συμπαράστασή τους ήταν ο σημαντικότερος παράγοντας για την επιτυχή ολοκλήρωση αυτής της διατριβής.

Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1 1.1 Ψηφιακή ασύρματη μετάδοση ηχητικών σημάτων 3 1.2 Απευθείας ψηφιακή αναπαραγωγής ηχητικών σημάτων 4 1.3 Πρωτότυπη συμβολή της εργασίας 8 1.4 Παρουσίαση και δομή της εργασίας 9 Κεφάλαιο 2: Ψηφιακή Ασύρματη Μετάδοση και Αναπαραγωγή Ηχητικών Σημάτων μέσω του πρωτοκόλλου Bluetooth 11 2.1 Εισαγωγή 11 2.2 Η τεχνολογία Bluetooth 13 2.3 Ηχητικές Εφαρμογές Bluetooth 15 2.3.1 Ηχητικές εφαρμογές μετάδοσης από σημείο-σε-σημείο μέσω Βluetooth 17 2.3.2 Ηχητικές εφαρμογές μετάδοσης από σημείο-σε-πολλαπλά σημεία μέσω Βluetooth 18 2.4 Σχεδιασμός εφαρμογών ασύρματης μετάδοσης ήχου 20 2.4.1 Τοπολογία συσκευής αναπαραγωγής/ηχείου (player/speaker) 20 2.4.2 Τοπολογία εξυπηρετητή/καταναλωτή (server/client) 21 2.5 Υλοποίηση και έλεγχος 26 2.5.1 Υλοποίηση των εφαρμογών 27 2.5.1.1 Ηχητικές εφαρμογές μετάδοσης από σημείο-σε-σημείο 27 2.5.1.2 Ηχητικές εφαρμογές μετάδοσης από σημείο-σε-πολλαπλά σημεία 28 2.5.1.3 Ηχητικές εφαρμογές μετάδοσης από σημείο-σε-πολλαπλά σημεία, τοπολογία εξυπηρετητή/καταναλωτή 29 2.5.2 Παράμετροι και κριτήρια ελέγχου των εφαρμογών 31 2.6 Αποτελέσματα 32 2.6.1 Σύνδεση τύπου σημείο-σε-σημείο 32 2.6.2 Σύνδεση τύπου σημείο-σε-πολλαπλά σημεία 35 2.6.3 Σύνδεση τύπου σημείο-σε-πολλαπλά σημεία, τοπολογία εξυπηρετή/πελάτη 37 2.7 Συμπεράσματα μετάδοσης Bluetooth 38 Κεφάλαιο 3: Ψηφιακή Ασύρματη Μετάδοση και Αναπαραγωγή Ηχητικών Σημάτων μέσω Ασύρματου Τοπικού Δικτύου 41 3.1 Εισαγωγή 41

3.2 Ασύρματα δίκτυα για ηχητικές εφαρμογές 44 3.2.1 Ποιότητα Υπηρεσιών σε Ασύρματα Δίκτυα (Quality-of-Service για WLANs) 47 3.2.2 Τοπολογία ασύρματου πολυκαναλικού συστήματος 49 3.3 Ανάλυση χρονισμού ασύρματης μετάδοσης 52 3.3.1 Ασύρματη μετάδοση ήχου 53 3.3.2 Ασύρματη λήψη ήχου 56 3.3.3 Χρονικές Παραμορφώσεις Δικτύου 57 3.3.4 Στρατηγική Συγχρονισμού 60 3.3.5 Στρατηγική συγκάλυψης παραμορφώσεων 62 3.4 Μεθοδολογία Μετρήσεων 65 3.4.1 Υποσυστήματα εξομοίωσης 67 3.4.1.1 Υποσυστήματα προ-επεξεργασίας και τελικής επεξεργασίας 68 3.4.1.2 Υποσύστημα εξομοίωσης HCCA 69 3.4.1.3 Εξαγωγή TSPEC για ηχητικά δεδομένα PCM και συμπιεσμένα δεδομένα κατά MP3 69 3.4.2 Περιγραφή διαδικασίας εξομοίωσης και παραμέτρων 71 3.5 Εκτίμηση παραμορφώσεων που εισάγονται από το WLAN 73 3.5.1 Συνολική Καθυστέρηση Αναπαραγωγής 73 3.5.2 Καθυστέρηση μετάδοσης δικτύου 79 3.5.3 Ακουστότητα των παραμορφώσεων 80 3.5.4 Συνολική απόδοση ηχητικού WLAN 81 3.6 Συμπεράσματα 87 Κεφάλαιο 4: Απευθείας Ψηφιακή Αναπαραγωγή Ηχητικών Σημάτων 90 4.1 Εισαγωγή 90 4.2 Θεωρία 93 4.2.1 Προεπεξεργασία Σήματος 93 4.2.1.1 PCM 93 4.2.1.2 Σίγμα-Δέλτα 94 4.2.2 Εξομοίωση Ψηφιακής Ακουστικής Εκπομπής 97 4.2.2.1 Εξομοίωση στο πεδίο χρόνου 97 4.2.2.2 Εξομοίωση στο πεδίο συχνότητας 99 4.3 Αρχιτεκτονική Ψηφιακού Ηχείου 100 4.4 Παράμετροι εξομοίωσης και μετρήσεων 107 4.4.1 Παράμετροι εξομοίωσης για το PCM Ψηφιακό Ηχείο 107 4.4.2 Παράμετροι εξομοίωσης για το Σίγμα-Δέλτα Ψηφιακό Ηχείο 109

4.4.3 Παράμετροι διεξαγωγής μετρήσεων πρωτοτύπου 112 4.5 Αποτελέσματα Εξομοίωσης 113 4.5.1 PCM Ψηφιακό Ηχείο 113 4.5.1.1 Φάσμα Παραγόμενης Πίεσης 113 4.5.1.2 Κατευθυντικότητα 114 4.5.1.3 Αρμονική Παραμόρφωση 116 4.5.2 Σίγμα-Δέλτα Ψηφιακό Ηχείο 118 4.5.2.1 Ομαδοποίηση bits 118 4.5.2.2 Κυματομορφή Παραγόμενης Πίεσης 118 4.5.2.3 Φάσμα Παραγόμενης Πίεσης 120 4.5.2.4 Κατευθυντικότητα 121 4.5.2.5 Αρμονική Παραμόρφωση 124 4.5.3 Πρωτότυπο Σίγμα-Δέλτα Ψηφιακό Ηχείο 130 4.5.3.1 Κυματομορφή Παραγόμενης Πίεσης 130 4.5.3.2 Φάσμα Παραγόμενης Πίεσης 131 4.5.3.3 Αρμονική Παραμόρφωση 133 4.6 Αποτελέσματα Μετρήσεων 135 4.6.1 Κυματομορφή Παραγόμενης Πίεσης 135 4.6.2 Φάσμα Παραγόμενης Πίεσης 137 4.6.3 Αρμονική Παραμόρφωση 138 4.7 Συμπεράσματα 141 Κεφάλαιο 5: Συμπεράσματα και Μελλοντικοί Στόχοι 143 Αναφορές στη βιβλιογραφία 149

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Η εξέλιξη και ανάπτυξη της τεχνολογίας θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως το ορόσημο του περασμένου αιώνα. Στα πλαίσια αυτά, μια από τις ιστορικές αλλαγές που έγινε στο διάστημα των τελευταίων ετών ήταν η δυνατότητα της καταγραφής και αναπαραγωγής ηχητικών σημάτων. Για πολλούς, η εφεύρεση αυτή έδωσε τέτοια ώθηση στην κατάκτηση του πολιτισμού, που είναι αντίστοιχης σημασίας με την γραφή και την τυπογραφία. Η μουσική μπορεί πλέον να περνά από γενιά σε γενιά χωρίς διαφοροποιήσεις, σε αντίθεση με το παρελθόν. Η εισαγωγή της τεχνολογίας αυτής άνοιξε νέους ορίζοντες και στον επιστημονικό κόσμο, που με την πάροδο των χρόνων εστίασαν στην βελτίωση της πιστότητας αναπαραγωγής μέσα από σωρεία νέων αλγορίθμων και τεχνικών. Από την εποχή της εφεύρεσης της πρώτης συσκευής μηχανικής αναπαραγωγής ήχου από τον Antoine Favre το 1796 και μέχρι την δεκαετία του 1970, το σύνολο των ηχητικών υποσυστημάτων ήταν αναλογικά. Η επανάσταση της ψηφιακής τεχνολογίας σε συνδυασμό με τους περιορισμούς που εισάγουν τα αναλογικά συστήματα, επηρέασε δραστικά και την τεχνολογία ήχου. Ενώ το σύνολο σχεδόν των ηχητικών πηγών στη σημερινή εποχή είναι ψηφιακές (Compact Disk CD-DA, DVD Audio/Video, Super Audio CD, συμπιεσμένες τυποποιήσεις κλπ), το κοινό στοιχείο στα ηχητικά συστήματα αναπαραγωγής είναι μια αλυσίδα αναλογικών, αναποτελεσματικών και μη-ευέλικτων υποσυστημάτων, που συνδέονται στις πηγές αυτές, πριν ο ήχος φτάσει στον ακροατή, δηλαδή: (α) ο ελεγκτής/προενισχυτής/ενισχυτής (β) τα ηχεία και (γ) τα καλώδια διασύνδεσης - 1 -

Τα υποσυστήματα αυτά έχουν αντισταθεί για πολλές δεκαετίες την τυποποίηση (standardization) και την ολοκλήρωση (integration). Τα προβλήματα που απορρέουν από το γεγονός αυτό γίνονται ακόμα πιο πιεστικά στις μέρες μας, δεδομένων των πρακτικών δυσκολιών που αντιμετωπίζει ο τελικός χρήστης ηχητικών συστημάτων με σκοπό να συνδυάσει και να διασυνδέσει πολλαπλές ηχητικές πηγές με πολυκάναλα οικιακά και πολυμεσικά ηχητικά συστήματα. Συνεπώς, η εξέλιξη καθολικής και ενσωματωμένης λύσης που συνδυάζει τα υποσυστήματα αυτά αποτελεί σημαντική πρόκληση για τις μελλοντικές εξελίξεις. Η λύση αυτή θα πρέπει να επιτρέπει την ασύρματη σύζευξη οποιοδήποτε αριθμού στοιχείων ηλεκτροακουστικής μετατροπής σε ψηφιακές ηχητικές πηγές, μέσω εφαρμογών δικτύου. Σχήμα 1.1: Σχηματικό διάγραμμα για την πιθανή μορφή πλήρως ψηφιακής αλυσίδας αναπαραγωγής ήχου Ένα πιθανό σενάριο για την ενσωμάτωση των προαναφερθέντων υποσυστημάτων φαίνεται στο Σχήμα 1.1. Σύμφωνα με αυτό, θα πρέπει να χρησιμοποιείται ένας ενσωματωμένος, πλήρως ψηφιακός μετατροπέας για κάθε κανάλι αναπαραγωγής, που θα επιτρέπει την αυτοδύναμη (self-powered), ευπροσάρμοστη, ελεγχόμενη και ασύρματη λειτουργία, ώστε να είναι εφικτή η λήψη, αποκωδικοποίηση, επεξεργασία - 2 -

ενίσχυση και αναπαραγωγή στερεοφωνικών ή πολυκάναλων ψηφιακών σημάτων σημερινών ή και μελλοντικών τυποποιήσεων. Στα πλαίσια αυτά, η διατριβή εστιάζει στα ζητήματα της ψηφιακής ασύρματης μετάδοσης ηχητικών σημάτων καθώς και της απευθείας ψηφιακής αναπαραγωγής που αναδεικνύονται. 1.1 Ψηφιακή ασύρματη μετάδοση ηχητικών σημάτων Είναι ευρέως γνωστό ότι η μετάδοση σε πραγματικό χρόνο μέσω δικτύου, για χρονικά κρίσιμες εφαρμογές όπως είναι οι ηχητικές θα πρέπει ιδανικά να γίνεται μέσω συνδέσεων που προσφέρουν προκαθορισμένο και εγγυημένο εύρος ζώνης, όπως είναι το πρωτόκολλο S/PDIF και το νεότερο Firewire. Η αυξανόμενη διείσδυση ασύρματων IP δικτύων στο οικιακό περιβάλλον, που χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση διαφόρων ηλεκτρονικών συσκευών έχει μετατοπίσει το ενδιαφέρον στην ανάπτυξη πρωτοκόλλων και μεθόδων για την ψηφιακή μετάδοση ήχου σε πραγματικό χρόνο. Στην αγορά καταναλωτικών συσκευών έχει εμφανιστεί ένας αριθμός από ηχητικές εφαρμογές και προϊόντα [31], [32], [33], [34] που βασίζονται σε υπαρκτές ασύρματες τεχνολογίες, όπως: (α) Αναλογικά Συστήματα που λειτουργούν στην περιοχή συχνοτήτων 800-900MHz, όπως ασύρματα μικρόφωνα, μόνιτορ-ακουστικά, και ηχεία για εφαρμογές χαμηλής πιστότητας. (β) Ιδιοκτησιακές (proprietary) τεχνολογίες μετάδοσης ψηφιακού ασύρματου ήχου, για τυπικές εφαρμογές home theater. Η λογική που βασίζονται αυτές οι εφαρμογές είναι η ασύρματη από σημείο σε σημείο (point- to point) μετάδοση οπτικοακουστικού υλικού, ακολουθώντας συνήθως το γνωστό μοντέλο πελάτη/εξυπηρετητή (client/server). Άρα, τέτοια συστήματα μπορούν να εξυπηρετήσουν κυρίως φορητά συστήματα σε περιβάλλον μικρών ή μεσαίων διαστάσεων. Η διεπαφή (interface) για το δίκτυο ήχου συνήθως υλοποιείται χρησιμοποιώντας ενσωματωμένο υλικό (embedded hardware), ενώ το πρωτόκολλο ασύρματης μετάδοσης του ήχου είναι σχεδιασμένο ειδικά για την εφαρμογή (application specific) ώστε να μειωθεί η πολυπλοκότητα της υλοποίησης και το κόστος. Όμως, η παραπάνω προσέγγιση περιορίζει τη συμβατότητα μεταξύ διαφορετικών συσκευών και δημιουργεί ζητήματα δια-λειτουργικότητας (interoperability) μεταξύ κατασκευών και συστημάτων που συχνά φτάνει σε έκταση τέτοια όπου η έννοια της δικτύωσης αψηφάται. - 3 -

Από την άλλη, διάφορα πρότυπα ασύρματων δικτύων (Wireless Local Area Networks, WLANs) έχουν αναπτυχθεί, όπως για παράδειγμα το IEEE802.11g και τα οποία λειτουργούν στην περιοχή των 2.4GHz και παρέχουν ασύρματη επικοινωνία υψηλής ταχύτητας με ρυθμούς που αγγίζουν τα 54Mbps. Οι υψηλοί αυτοί ρυθμοί μετάδοσης επιτρέπουν την χρήση WLAN δικτύων για τη διασύνδεση ηλεκτρονικών υπολογιστών, προσωπικών ψηφιακών βοηθών (Personal Digital Assistants, PDAs) και άλλων φορητών ηλεκτρονικών συσκευών σε εφαρμογές φωνής, ήχου, κινούμενης εικόνας και απλής μεταφοράς δεδομένων. Πάρα την πρόσφατη πρόοδο στην ταχύτητα μετάδοσης των ασύρματων πρωτοκόλλων οι ιδιαιτερότητες αυτών των πρωτοκόλλων, που έχουν «κληρονομηθεί» από την παραδοσιακή τεχνολογία ενσύρματων δικτύων καθώς και η σημαντική εξάρτηση της επιτυγχανόμενης διαμεταγωγής και της παρατηρούμενης καθυστέρησης από εξωτερικούς παράγοντες, εισάγουν πρακτικά όρια για την πραγματικού-χρόνου ασύρματη μετάδοση και αναπαραγωγή ψηφιακών ηχητικών σημάτων. Για να ξεπεραστούν οι παραπάνω περιορισμοί, το πρωτόκολλο ασύρματης μετάδοσης πρέπει να εξασφαλίζει επαρκείς εγγυήσεις ποιότητας υπηρεσίας (Quality of Service QoS), που παρέχονται από το πρότυπο 802.11e. Παρά τις υψηλές ταχύτητες που υποστηρίζονται από την τεχνολογία WLAN, σε εφαρμογές όπου το χαμηλό κόστος, η χαμηλή πολυπλοκότητα και η χαμηλή κατανάλωση ισχύος είναι βασικοί στόχοι, το πρωτόκολλο Bluetooth παραμένει ιδιαίτερα ελκυστική και αποδοτική εναλλακτική. Αν και το Bluetooth υποστηρίζει μηχανισμούς σύγχρονης μετάδοσης για την εξυπηρέτηση χρονικά κρίσιμων ροών, το περιορισμένο εύρος ζώνης που προσφέρει στην περίπτωση αυτή αναδεικνύεται ως το μεγαλύτερο μειονέκτημα για την μετάδοση υψηλής ποιότητας ήχου. Συνεπώς, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν συνδέσεις μεταγωγής πακέτου (ή ασύγχρονες), δεδομένου ότι στο φυσικό επίπεδο προσφέρεται επαρκές εύρος ζώνης για την εφαρμογή. 1.2 Απευθείας ψηφιακή αναπαραγωγής ηχητικών σημάτων Ένα «ψηφιακό ηχείο» είναι ένας απευθείας μετατροπέας ψηφιακού ηχητικού σήματος σε ακουστικό, και διαφέρει από ένα παραδοσιακό ηχείο στο γεγονός ότι δεν γίνεται μετατροπή του ψηφιακού σήματος σε αναλογικό πριν την εκπομπή. Η τρέχουσα έρευνα έχει μέχρι στιγμής οδηγήσει στην εμφάνιση δύο κατηγοριών τους: (α) Ψηφιακά Ηχεία Πολλαπλών Πηνίων Φωνής (Multiple Voice Coil Digital Loudspeakers - MVCDL), όπου η ψηφιοαναλογική μετατροπή γίνεται πριν την ηλεκτρακουστική - 4 -

μετατροπή και (β) Τις Συστοιχίες Ψηφιακής Μετατροπής (Digital Transducer Arrays - DTA), όπου η ψηφιοαναλογική μετατροπή γίνεται μετά την ηλεκτροακουστική, στον αέρα. Στο Σχήμα 4.1 φαίνεται το πρώτο ψηφιακό ηχείο με τεχνολογία αντίστοιχη της MVCDL που παρουσιάστηκε το 1973 από την IBM [74], βασισμένο στην πιεζοηλεκτρική τεχνολογία, και πολλαπλούς ακροδέκτες που τροφοδοτούνται από σήμα αντίστοιχου bit, για σήμα εισόδου 6bit. Η Sony το 1977 παρουσίασε το πρώτο MVCDL ηχείο [75], με πρόβλεψη εισόδου ευκρίνειας 4bit που φαίνεται στο Σχήμα 4.2, ενώ εισήχθησαν αρκετές διαφοροποιημένες μορφές από τη Philips 1986 και την Foster για μαγνητοστατική τεχνολογία το 1991 [76]. Σχήμα 4.1: Το πρώτο ψηφιακό ηχείο, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της IBM Σχήμα 4.2: Ψηφιακό ηχείο MVCDL, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της Sony - 5 -

Σχήμα 4.4: Ο πρώτος μετατροπέας DTA, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του C. Roberts Εξετάζοντας την εξέλιξη της τεχνολογίας Ψηφιακών Συστοιχιών Μετατροπής προκύπτει ότι το πρώτο ψηφιακό ηχείο - προπομπός τεχνολογίας DTA - για PCM σήματα παρουσιάστηκε σε αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας το 1963 από τον C.Roberts [80], με πρόθεση να οδηγείται από ηλεκτρονικό υπολογιστή, και χρησιμοποιεί σαν στοιχεία εκπομπής πιεζοηλεκτρικές λωρίδες με μήκη ανάλογα του bit του οποίου οδηγούν, με πρόβλεψη για σήματα εισόδου ευκρίνειας 8bit όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.4. Στο Σχήμα 4.5 φαίνεται το πρώτο ηχείο τεχνολογίας DTA, που παρουσιάστηκε το 1980 από την Sony [81], βασισμένο σε συστοιχία από κόρνες τροφοδοτούμενες από παλμούς αέρα, με μέγεθος που διαφοροποιείται εκθετικά ανάλογα από το βάρος του bit του σήματος PCM που τροφοδοτούνται. Ο W. Stinger παρουσίασε το 1985 διάταξη Δυαδικής DTA με χρήση πολυάριθμων ίδιων μετατροπέων [82], όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.6, ενώ πρόσφατα η 1 Ltd εισήγαγε την πρώτη Μοναδιαία Συστοιχία - 6 -

Ψηφιακής Μετατροπής όπου χρησιμοποιείται επανακωδικοποίηση του PCM σήματος εισόδου σε unary [83], όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.7. Σχήμα 4.5: Ψηφιακός διαμορφωτής παλμών αέρα, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της Sony Σχήμα 4.6: Πρώτη διάταξη DTA με ίδιους μετατροπείς, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του W.Stinger - 7 -

Σχήμα 4.7: Πρώτη διάταξη Μοναδιαίας DTA με επανακωδικοποίηση, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της 1 Ltd 1.3 Πρωτότυπη συμβολή της εργασίας Στα πλαίσια της εργασίας πραγματοποιήθηκε μελέτη ως προς τη δυνατότητα ψηφιακής ασύρματης μετάδοσης ηχητικών σημάτων μέσω Bluetooth και WLAN καθώς και απευθείας ψηφιακής αναπαραγωγής. Για την περίπτωση δικτύου Bluetooth, η έρευνα επικεντρώθηκε στη μετάδοση ηχητικών σημάτων κωδικοποιημένων κατά το πρότυπο MPEG-1 επίπεδο ΙΙΙ μέσω σειράς πρωτότυπων εφαρμογών. Οι εφαρμογές αυτές υποστηρίζουν ασύρματη αναπαραγωγή σε πραγματικό χρόνο, σε διατάξεις από σημείο σε σημείο και σε πολλαπλό σημείο [1], [2] ακολουθώντας το μοντέλο εξυπηρετητή/πελάτη [3] καθώς και απομακρυσμένου ηχείου [4]. Κατά την εξέλιξη της εργασίας αυτής, αναπτύχθηκαν ειδικοί (custom) αλγόριθμοι επιπέδου εφαρμογής για τη διαχείριση της μετάδοσης. Η μελέτη επικεντρώθηκε στην επίδραση των παραμέτρων μετάδοσης, όπως είναι η απόσταση, η παρουσία ή μη ηλεκτρονικών παρεμβολών, ο τύπος και το μήκος του χρησιμοποιούμενου πακέτου σε επίπεδο εφαρμογής και φυσικού μέσου, και στην επιτυγχανόμενη ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων. Το σύνολο των αποτελεσμάτων που παρουσιάζονται στην ενότητα αυτή λήφθηκε με τη διεξαγωγή πραγματικών μετρήσεων, με υλοποιήσεις βασισμένες σε προσωπικό υπολογιστή. Στην περίπτωση μετάδοσης WLAN, το πρωτόκολλο μετάδοσης που χρησιμοποιήθηκε είναι το καθιερωμένο IEEE802.11b, με υποστήριξη QoS, όπως έχει οριστεί στο τελευταίο σχέδιο προτύπου IEEE802.11e. Για την μελέτη του συστήματος διεξήχθησαν δοκιμές χρησιμοποιώντας πρωτότυπη πλατφόρμα που επιτρέπει την - 8 -

μετατροπή ροών γνωστών ηχητικών κωδικοποιήσεων (PCM και MP3) σε κατάλληλη μορφή για την εισαγωγή τους και εξαγωγή τους στην εφαρμογή εξομοίωσης [5] ώστε να αξιολογηθεί η απόδοση του τελικού συστήματος με έμφαση στην ποιότητα αναπαραγωγής [6]. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παραπάνω μελέτη, καθώς και η θεωρητική ανάλυση του συστήματος [6] οδήγησαν στην ανάπτυξη πρωτότυπης τεχνικής για τον συγχρονισμό των διακριτών καναλιών αναπαραγωγής, που μπορεί να εφαρμοστεί με χρήση τυπικού υλικού WLAN [7] καθώς και πρωτότυπου αλγορίθμου για την συγκάλυψη τυχών ακουστών παραμορφώσεων που εισάγονται κατά τη μετάδοση [8]. Στην εργασία επίσης εισάγονται αποτελέσματα με νέες μεθόδους που σχετίζονται με τη μελέτη Δυαδικών Συστοιχιών Ψηφιακής Μετατροπής που οδηγούνται από multi-bit σήματα (PCM) [9] ειδικά σε σχέση με τη βέλτιστη κατανομή των στοιχείων. Επίσης, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην μελέτη και υλοποίηση Μοναδιαίων τέτοιων συστοιχιών, με χρήση single-bit σήματος Σίγμα-Δέλτα, όπως στο πρότυπο DSD. Η προσέγγιση της χρήσης σήματος Σίγμα-Δέλτα για απευθείας αναπαραγωγή είναι πρωτότυπη [10] και όπως θα δειχθεί παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα, πέραν όσων αναφέρθηκαν για τις μοναδιαίες συστοιχίες, ως προς την επιτυγχανόμενη πιστότητα όσο και στο γεγονός ότι δεν είναι απαραίτητη επανακωδικοποίηση του σήματος. Στην περίπτωση του ψηφιακού ηχείου οδηγούμενου από σήμα 1-bit, θα παρουσιαστούν αποτελέσματα εξομοίωσης σε 2 γεωμετρικές τοπολογίες: (α) γραμμικής συστοιχίας και (β) δισδιάστατης συστοιχίας, ενώ για αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιούνται ιδανικά στοιχεία εκπομπής. Για την δισδιάστατη συστοιχία θα αναλυθεί η αρχιτεκτονική κατασκευής του συστήματος, καθώς και θα δοθούν τυπικά αποτελέσματα τόσο από εξομοιώσεις όσο και από πραγματικές μετρήσεις βάση του κατασκευασμένου πρωτοτύπου στις οποίες φαίνεται από πρακτική σκοπιά η επίδραση στην πιστότητα αναπαραγωγής της χρήσης πραγματικού μεγαφώνου ως στοιχείου εκπομπής, όπως επίσης οι συνέπειες άλλων πρακτικών περιορισμών, όπως του κακού ταιριάσματος (mismatch) των μεγαφώνων και των ενισχυτών. 1.4 Παρουσίαση και δομή της εργασίας Στα επόμενα κεφάλαια παρουσιάζονται αναλυτικά οι επιμέρους προαναφερθείσες ενότητες που συνθέτουν την πρωτότυπη συμβολή της εργασίας. Πιο συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 2 μετά τη γενική περιγραφή του πρωτοκόλλου Bluetooth αναλύεται η - 9 -

τοπολογία των ηχητικών εφαρμογών από σημείο-σε-σημείο και από σημείο σε πολλαπλό σημείο μετάδοσης που αναπτύχθηκαν, η αρχιτεκτονική καθώς και η υλοποίησή τους. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι μετρήσεις που διεξήχθησαν μέσω των εφαρμογών αυτών για διάφορες φυσικές παραμέτρους και παραμέτρους δικτύου καθώς και τα συμπεράσματα που εξάγονται από αυτές. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται αναλυτικά οι δυνατότητες χρήσης ασύρματων δικτύων WLAN για εφαρμογές ήχου, καθώς και οι δυνατότητες για QoS που παρέχονται για τις εφαρμογές αυτές. Επιπλέον, στο Κεφάλαιο αυτό, γίνεται και η θεωρητική ανάλυση των πιθανών εισαγομένων παραμορφώσεων κατά τη μετάδοση μέσω WLAN ενώ ακολουθεί η αρχιτεκτονική των εφαρμογών εξομοίωσης που υλοποιήθηκαν για τη μελέτη του συστήματος. Στο ίδιο κεφάλαιο εισάγονται οι τεχνικές συγχρονισμού και συγκάλυψης παραμορφώσεων που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Τέλος, εξετάζονται αποτελέσματα που περιλαμβάνουν παραμέτρους δικτύου, το χρονισμό των ηχητικών σημάτων καθώς και την ακουστότητα των παραμορφώσεων που ελήφθησαν αρχικά μόνο με χρήση του πρωτοκόλλου WLAN που υποστηρίζει QoS, και κατόπιν με χρήση τεχνικών συγχρονισμού και συγκάλυψης σφαλμάτων. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η θεωρία λειτουργίας των Συστοιχιών Ψηφιακής Μετατροπής για PCM και Σίγμα Δέλτα σήματα, καθώς και η μεθοδολογία εξομοίωσης στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο της συχνότητας που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Ακολουθεί η ανάλυση της αρχιτεκτονικής και της κατασκευής της πρωτότυπης Συστοιχίας Ψηφιακής Μετατροπής που οδηγείται από σήμα Σίγμα-Δέλτα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται ως προς την πιστότητα αναπαραγωγής καθώς και την κατευθυντική συμπεριφορά των ηχείων αυτών, περιλαμβάνουν εξομοιώσεις για συστοιχίες PCM και Σίγμα-Δέλτα με χρήση ιδανικών μετατροπέων, καθώς και εξομοιώσεις και πραγματικές μετρήσεις για την πρωτότυπη συστοιχία Σίγμα-Δέλτα. Τέλος, στο πέμπτο Κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα που απορρέουν από την συνολική μελέτη δυνατοτήτων ψηφιακής ασύρματης μετάδοσης και αναπαραγωγής ηχητικών σημάτων και αναδεικνύονται μελλοντικοί ερευνητικοί στόχοι. - 10 -

Κεφάλαιο 2: Ψηφιακή Ασύρματη Μετάδοση και Αναπαραγωγή Ηχητικών Σημάτων μέσω του πρωτοκόλλου Bluetooth 2.1 Εισαγωγή Στην κατηγορία των προσωπικών ασύρματων δικτύων (Personal Area Networks, PANs), όπου η χαμηλή πολυπλοκότητα, το κόστος και η κατανάλωση ισχύος παίζουν κυρίαρχο ρόλο, το πρότυπο Bluetooth αποτελεί την πλέον ενδεδειγμένη τεχνολογία για χρήση σε οικιακό περιβάλλον. Η αρχική ιδέα πίσω από την τεχνολογία Bluetooth ήταν η αντικατάσταση των καλωδίων, η εξέλιξή της όμως επέτρεψε τη δημιουργία μικρών ασύρματων δικτύων. Το Bluetooth σήμερα αποτελεί παγκόσμιο πρότυπο ασύρματης μετάδοσης, υποστηρίζοντας ad-hoc ασύρματη διασύνδεση μεταξύ διαφόρων τύπων ηλεκτρικών συσκευών σε ακτίνα τουλάχιστον 10 μέτρων και με μέγιστο (θεωρητικό) ρυθμό μετάδοσης ίσο προς 1Mbps, ενώ η βελτιωμένη έκδοση του Bluetooth 2.0 με υποστήριξη Enhanced Data Rate [15] επιτρέπει ρυθμούς μετάδοσης έως 3Mbps. Οι συνδέσεις αυτές μπορεί να είναι τύπου σημείο-σε-σημείο ή σημείο-σεπολλαπλά σημεία, ενώ το ίδιο το πρωτόκολλο μετάδοσης εγγυάται την ορθότητα της μετάδοσης. Από την άλλη πλευρά, όπως είναι ευρύτερα γνωστό, οι υλοποιήσεις πραγματικού χρόνου εφαρμογών που απαιτούν σταθερούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων διαμέσου ενσύρματων ή ασύρματων δικτύων (π.χ. μετάδοση ψηφιακού ήχου για αναπαραγωγή σε πραγματικό χρόνο) ιδανικά θα έπρεπε να πραγματοποιούνται με συνδέσεις που εγγυώνται τη διαθεσιμότητα του απαιτούμενου εύρους ζώνης - 11 -

(connection-oriented links). Το πρότυπο Bluetooth ορίζει τέτοιου τύπου σύγχρονες συνδέσεις για την εξυπηρέτηση χρονικά κρίσιμων εφαρμογών οι οποίες υποστηρίζουν ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των 64kbps. Η περιορισμένη αυτή ταχύτητα μετάδοσης αποτελεί και το κύριο μειονέκτημα της τεχνολογίας Bluetooth, όσον αφορά στη χρησιμοποίησή του για μετάδοση ψηφιακού ηχητικού σήματος. Παρόλα αυτά, εναλλακτικά, υπάρχει η δυνατότητα υλοποίησης ασύγχρονων συνδέσεων τύπου πακέτου, υπό τον όρο το φυσικό μέσο να μπορεί να προσφέρει το απαιτούμενο από την εφαρμογή εύρος ζώνης. Ο περιορισμένος ρυθμός μετάδοσης υποχρεώνει τη χρήση αλγορίθμων απωλεστικής συμπίεσης και αποσυμπίεσης για τη μετάδοση του ηχητικού σήματος. Στο παρόν τμήμα της εργασίας, παρουσιάζεται η μελέτη της μετάδοσης ηχητικών σημάτων κωδικοποιημένων κατά το πρότυπο MPEG-1 επίπεδο ΙΙΙ (mp3) μέσω Bluetooth. Για τη μελέτη αναπτύχθηκαν μια σειρά από εφαρμογές που υποστηρίζουν ασύρματη αναπαραγωγή σε πραγματικό χρόνο, σε διατάξεις από σημείο σε σημείο και σε πολλαπλό σημείο [1], [2] ακολουθώντας το μοντέλο εξυπηρετητή/πελάτη [3] καθώς και απομακρυσμένου ηχείου [4] χρησιμοποιώντας πρωτότυπους αλγορίθμους επιπέδου εφαρμογής για τη διαχείριση του εύρους ζώνης της μετάδοσης. Η μελέτη επικεντρώνεται στην επίδραση των παραμέτρων μετάδοσης, όπως είναι η απόσταση, η παρουσία ή μη ηλεκτρονικών παρεμβολών, ο τύπος και το μήκος του χρησιμοποιούμενου πακέτου σε επίπεδο εφαρμογής και φυσικού μέσου, και στην επιτυγχανόμενη ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων. Επιπλέον, αναλύονται πολύπλευρα ζητήματα που αφορούν στην υλοποίηση ενός πλήρους συστήματος ηχητικής αναπαραγωγής (μονοφωνικού, στερεοφωνικού και πολυκαναλικού) σε πραγματικό χρόνο βασισμένο στην τεχνολογία Bluetooth με ταυτόχρονη αναφορά στις δυνατότητες και προβλήματα της εκάστοτε υλοποίησης, ενώ προτείνονται λύσεις για μελλοντικές αναβαθμίσεις. Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν τα εξής: Στην παράγραφο 2.2 δίνεται γενική περιγραφή του πρωτοκόλλου Bluetooth και των δυνατοτήτων που παρέχει. Η γενική τοπολογία των ηχητικών εφαρμογών που αναπτύχθηκαν παρουσιάζεται στην παράγραφο 2.3, ενώ στην παράγραφο 2.4 παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική και ο σχεδιασμός τους. Στην παράγραφο 2.5 αναλύεται η υλοποίηση των εφαρμογών και οι παράμετροι ελέγχου, ενώ στην παράγραφο 2.6 εξετάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων για τις υπό εξέταση παραμέτρους. Τέλος, τα συμπεράσματα της εργασίας αυτής συνοψίζονται στην παράγραφο 2.7. - 12 -

2.2 Η τεχνολογία Bluetooth Το πρότυπο Bluetooth περιγράφει μια ασύρματη, μικρής εμβέλειας τεχνολογία, σχεδιασμένη να συνδέει ηλεκτρονικές συσκευές διαφορετικών τύπων [16]. Από τον αρχικό ορισμό του παρέχει μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για υλοποιήσεις προσωπικών ασύρματων δικτύων χαμηλής κατανάλωσης και κόστους, επιτρέποντας την αντικατάσταση των καλωδίων και των υπέρυθρων συνδέσεων από RF συνδέσεις. Οι Bluetooth συσκευές είναι σχεδιασμένες να λειτουργούν στην ISM (Industrial Scientific Medicine) περιοχή συχνοτήτων των 2.4GHz. Λόγω της εφαρμογής τεχνικών μεταπήδησης συχνότητας (frequency hopping), το Bluetooth είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό σε παρεμβολές, επιτυγχάνοντας ένα θεωρητικό ρυθμό μετάδοσης ίσο προς 1Mbit/s σε 10 μέτρα απόσταση (για Bluetooth συσκευές κλάσης 2 και 3) ή και 100 μέτρα (συσκευές κλάσης 1). Σχήμα 2.1: Διασύνδεση συσκευών κατά το πρότυπο Bluetooth Στο Σχήμα 2.1 απεικονίζεται μια τυπική μορφή διασύνδεσης μεταξύ τριών συσκευών Bluetooth. Η μία από αυτές αποτελεί τον κύριο (Master) της σύνδεσης, ενώ οι άλλες δύο καλούνται Slaves. Κάθε Μaster μπορεί να συνδεθεί με μέχρι επτά Slaves μέσω ασύγχρονων (Asynchronous Connection-Less, ACL) συνδέσεων τύπου μεταγωγής πακέτου, αποτελώντας μια τοπολογία piconet. Οι ACL συνδέσεις μπορούν να είναι και τύπου σημείο-σε-πολλαπλά σημεία (point-to-multipoint) με δυνατότητα ταυτόχρονης εκπομπής από τον Master προς όλους τους Slaves (broadcasting), ενώ παρέχουν πραγματικές ταχύτητες μετάδοσης μέχρι και 721kbps. Η μετάδοση των δεδομένων πραγματοποιείται με τεχνικές επιμερισμού του χρόνου σε χρονικές θυρίδες (timeslots), κάθε μία από τις οποίες έχει χρονική διάρκεια ίση προς 625μsec. H ορθότητα της μετάδοσης εξασφαλίζεται μέσω ενός μηχανισμού επαναμετάδοσης των χαμένων πακέτων, ο οποίος όμως μειώνει δραματικά το μετρούμενο ρυθμό μετάδοσης των - 13 -

δεδομένων, ειδικά σε περιβάλλοντα όπου υπάρχει ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή στην περιοχή των 2.4GHz. Κατά τη διάρκεια μιας ACL σύνδεσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο τύποι πακέτων: α) τα Data-Medium rate (DM) και β) τα Data-High rate (DH) πακέτα. H διαφορά τους έγκειται στο γεγονός ότι τα τελευταία δεν περιέχουν πληροφορία διόρθωσης σφαλμάτων FEC, με αποτέλεσμα σε περιβάλλον που δεν υπάρχει ηλεκτρομαγνητικός θόρυβος (και άρα είναι μικρότερη η πιθανότητα σφαλμάτων) να επιτυγχάνουν ταχύτερους ρυθμούς μετάδοσης. Υπάρχουν τριών ειδών DM και τριών DH πακέτα τα οποία αναφέρονται ως DM1, DM3, DM5 και DH1, DH3, DH5 αντίστοιχα. Ένα DM3 πακέτο είναι ένα εκτεταμμένο DM1 πακέτο. Για παράδειγμα, ενώ ένα DM1 πακέτο αποστέλεται εντός μίας χρονικής θυρίδας, το πακέτο DM3 καταλαμβάνει τρεις χρονικές θυρίδες κ.ο.κ. Το ίδιο ισχύει και για τα υπόλοιπα ACL πακέτα. Εξαίρεση αποτελεί ένας ειδικός τύπος πακέτου, το AUX1, το οποίο δεν επαναμεταδίδεται ποτέ. Από την άλλη μεριά, το πρότυπο Bluetooth επιτρέπει την ασύρματη επικοινωνία συσκευών μέσω σύγχρονων συνδέσεων (Synchronous Connection-Oriented, SCO), οι οποίες αποτελούν σημείο-σε-σημείο συνδέσεις μεταξύ ενός Master κι ενός Slave. Κάθε Master συσκευή μπορεί να αποκαταστήσει ταυτόχρονα μέχρι τρεις το πολύ SCO συνδέσεις. Οι SCO συνδέσεις είναι κατάλληλες για την εξυπηρέτηση χρονικά κρίσιμων εφαρμογών και εγγυώνται σταθερό ρυθμό μετάδοσης ίσο προς 64kbit/s, ανά σύνδεση. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η λήψη των δεδομένων στην περίπτωση των συνδέσεων SCO δεν αναγνωρίζεται (acknowledged), άρα είναι πιθανό να υπάρχουν σφάλματα μετάδοσης. Όπως όλα τα ενσύρματα και ασύρματα δικτυακά πρότυπα, το πρωτόκολλο Bluetooth είναι οργανωμένο με βάση τη λογική της στοίβας των επιπέδων (layer), που φαίνεται στο Σχήμα 2.2. Πιο συγκεκριμένα, οι βασικές λειτουργίες του πρωτοκόλλου υλοποιούνται από τέσσερα βασικά επίπεδα:α) το επίπεδο μέσου (Radio, RF), υπεύθυνο για την μετάδοση και λήψη δεδομένων β) το baseband ή link control επίπεδο το οποίο επεξεργάζεται τα μεταδιδόμενα δεδομένα γ) το link management επίπεδο το οποίο διαχειρίζεται την ασύρματη σύνδεση και υλοποιεί την διαδικασία ανακάλυψης μεταξύ συσκευών Bluetooth και δ) το επίπεδο της εφαρμογής. Το επάνω τμήμα του link manager συνεργάζεται με το Host Controller Interface (HCI) καθώς και το Logical Link Control and Adaptation Layer (L2CAP) τα οποία υλοποιούν υπηρεσίες πρωτοκόλλου υψηλού επιπέδου όπως πολύπλεξη, τεμαχισμός και ανασύνθεση - 14 -

πακέτου κ.α. Το link manager και το HCI επίπεδο υλοποιούνται συνήθως σαν αυτόνομα τμήματα λογισμικού, αν και συχνά βρίσκονται ενσωματωμένα στο λογισμικό της συσκευής (firmware), ώστε να εξασφαλίζεται χαμηλή κατανάλωση ισχύος και πολυπλοκότητα. Σχήμα 2.2: Σχηματικό διάγραμμα επιπέδων Bluetooth Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας Bluetooth είναι η επέκταση της λειτουργικότητας των παραπάνω επιπέδων με χρήση ειδικού λογισμικού που εκτελείται πάνω από αυτά και καλείται profile. Ειδικά για ηχητικές εφαρμογές, μια σειρά από profiles βρίσκονται σε στάδιο τυποποίησης από το Bluetooth SIG (Special Interest Group), όπως είναι το Generic Audio/Video Distribution Profile GAVDP [17] και το Advanced Audio Distribution Profile A2DP [18]. Τα profiles αυτά ορίζουν τις απαραίτητες διαδικασίες για την αποκατάσταση ροής ηχητικών δεδομένων και κινούμενης εικόνας, καθώς κι ένα σύνολο απαιτήσεων που πρέπει να ικανοποιούνται για την υποστήριξη μετάδοσης συμπιεσμένου ήχου. 2.3 Ηχητικές εφαρμογές Bluetooth Παρόλο που το Bluetooth αποτελεί ένα ευέλικτο στάνταρντ για την ανάπτυξη ασύρματων PAN προϊόντων, χαρακτηρίζεται από περιορισμούς κυρίως σε διαθέσιμο εύρος ζώνης και τύπους διασυνδέσεων. Πιο συγκεκριμένα: - 15 -

Οι χρονικά κρίσιμες εφαρμογές, οι οποίες απαιτούν σταθερούς ρυθμούς μετάδοσης, πρέπει να εξυπηρετηθούν μέσω SCO συνδέσεων. Οι επιτυγχανόμενοι ρυθμοί μετάδοσης σε αυτήν την περίπτωση είναι 64kbps (ή 192kbps στην περίπτωση 3 ταυτόχρονων SCO συνδέσεων). Ειδικά για ασύρματη μετάδοση ηχητικών δεδομένων, το πρότυπο Bluetooth κάνει χρήση 64kbps λογαριθμικής PCM κωδικοποίησης (A-law ή μ-law) ή 64kbps Δέλτα διαμόρφωσης (Continuous Variable Slope Delta Modulation). Η αποκατάσταση SCO συνδέσεων μεταξύ διασυνδεδεμένων συσκευών συνεπάγεται δραματική μείωση του προσφερόμενου σε συνυπάρχουσες ACL συνδέσεις εύρους ζώνης, λόγω της τακτικής, χρονικά σταθερής εκπομπής των SCO πακέτων δεδομένων. Η τύπου-πακέτου φύση των ACL συνδέσεων με το περιορισμένο εύρος ζώνης δεν ενδείκνυται για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Ειδικά σε περιβάλλον με ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, οι επανεκπομπές των πακέτων δεδομένων εγγυώνται την ορθή μετάδοση του συνόλου των δεδομένων, αλλά μειώνουν εκ νέου το πραγματικά διαθέσιμο εύρος ζώνης. Από την άλλη μεριά, είναι ευρύτερα γνωστό ότι η ψηφιακή ηχητική αναπαραγωγή υψηλής πιστότητας απαιτεί ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των Mbps (1.4Mbps για δεδομένα τύπου CD-DA). Λαμβάνοντας υπόψη τους παραπάνω περιορισμούς της Bluetooth τεχνολογίας για την υψηλής πιστότητας αναπαραγωγή ψηφιακών ηχητικών δεδομένων μέσω Bluetooth απαιτείται [19]: Το αρχικά ηχητικά δεδομένα πρέπει να συμπιεστούν πριν την ασύρματη μετάδοση. Όπως συμβαίνει και σε άλλες εφαρμογές, η επιλογή του βαθμού συμπίεσης καθορίζεται από την επιθυμητή ποιότητα αναπαραγωγής και το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Διάφορα ISO/MPEG πρότυπα συμπίεσης (π.χ. MPEG-1 [20], AAC [21], κ.λ.π), όπως επίσης και άλλα, ιδιοκτησιακά (proprietary) (Dolby Digital [22], ATRAC [23], WMA [24], DTS [25] κ.λ.π.) παρέχουν ένα μεγάλο εύρος βαθμού συμπίεσης για μονοφωνικές, στερεοφωνικές και πολυκάναλες εφαρμογές. Σε όλες τις περιπτώσεις, επιτυγχάνεται αποδεκτή ηχητική ποιότητα με ρυθμούς 96kbps ή περισσότερο. - 16 -

Εκτός από τα ηχητικά δεδομένα, σε πολλές εφαρμογές απαιτείται η μετάδοση πρόσθετης πληροφορίας ελέγχου (π.χ. έλεγχος κέρδους αναπαραγωγής, πληροφορία χρονισμού κ.λ.π.) η οποία πρέπει να πολυπλεχθεί με τα ψηφιακά δεδομένα πριν την ασύρματη μετάδοση. Λαμβάνοντας υπόψη τις παραπάνω παρατηρήσεις, υλοποιήθηκε ένας αριθμός από πιθανές διαφορετικές εφαρμογές ασύρματης ηχητικής αναπαραγωγής οι οποίες και παρουσιάζονται στις παραγράφους που ακολουθούν. Σε όλες τις περιπτώσεις, η συμπίεση των αρχικών ηχητικών δεδομένων έλαβε χώρα κάνοντας χρήση του MPEG-1 Layer III (MP3) [26] αλγορίθμου συμπίεσης (το οποίο αναφέρεται και στο Advanced Audio Distribution Profile [17] Bluetooth ως προαιρετικός αλγόριθμος συμπίεσης). Παράλληλα, εξετάσθηκαν διάφορες παράμετροι της εκάστοτε σύνδεσης, με στόχο τη βελτιστοποίηση της απόδοσης της ασύρματης μετάδοσης και της ποιότητας της ηχητικής αναπαραγωγής. 2.3.1 Ηχητικές εφαρμογές μετάδοσης από σημείο-σε-σημείο μέσω Βluetooth Η πιο απλή μορφή ασύρματης ηχητικής αναπαραγωγής μέσω Bluetooth είναι η περίπτωση όπου η ηχητική πηγή εκπέμπει τα ψηφιακά δεδομένα στη συσκευή αναπαραγωγής, κάνοντας χρήσης σύνδεσης σημείο-σε-σημείο. Στην περίπτωση αυτή, η Slave συσκευή λαμβάνει τα συμπιεσμένα δεδομένα μέσω μιας ACL σύνδεσης, και μετά την αποσυμπίεση, αναπαράγει τα ηχητικά δεδομένα. Ηχητική πηγή(master) Ηχητική Πηγή Μονάδα Bluetooth Σύνδεση ACL ήχος έλεγχος Ηχητικός Δέκτης (slave) Μονάδα Bluetooth Κωδικοποιητής Αποκωδικοποιητής Αναπαραγωγή Σχήμα 2.3: Ασύρματη ηχητική αναπαραγωγή τύπου σημείο-σε-σημείο Η παραπάνω τοπολογία μπορεί στην πράξη να αποτελέσει τη βάση για εφαρμογές απλής μετάδοσης ηχητικών δεδομένων μεταξύ φορητών συσκευών, όπως, για παράδειγμα, PCs, φορητοί υπολογιστές, φορητά mp3 players, PDAs κ.λ.π. Το Σχήμα 2.3 απεικονίζει την τοπολογία που περιγράφηκε παραπάνω, με δυνατότητα μετάδοσης επιπρόσθετης πληροφορίας ελέγχου μεταξύ των δύο συνδεδεμένων - 17 -

συσκευών. Η πληροφορία αυτή μπορεί να αποτελείται από επιλογές του χρήστη (επιλογή ηχητικού υλικού, έλεγχος κέρδους αναπαραγωγής, ισοστάθμιση κ.λ.π.) καθώς επίσης και από δεδομένα που περιέχουν πληροφορία σχετικά με την κατάσταση των συσκευών (για παράδειγμα κατάσταση αναπαραγωγής, χρόνος αναπαραγωγής κ.λ.π.). Οι δύο αυτοί τύποι μεταδιδόμενης πληροφορίας αποτελούν στην πράξη διακριτά λογικά κανάλια, τα οποία πρέπει να πολυπλεχθούν πριν τη μετάδοσή τους μέσω μιας ACL σύνδεσης. Σύμφωνα με το Bluetooth πρωτόκολλο, η πολύπλεξη αυτή πραγματοποιείται από το L2CAP επίπεδο. Το περιβάλλον του Σχήματος 2.3 είναι τυπικό για εφαρμογές όπου φορητές ηχητικές συσκευές (ελεγχόμενες από το χρήστη) συνδέονται με μη-φορητές ηχητικές πηγές. Παρόλο που το πραγματικά διαθέσιμο για τα ηχητικά δεδομένα εύρος ζώνης ελαττώνεται ανάλογα με τον όγκο της μεταδιδόμενης πληροφορίας ελέγχου, οι απαιτήσεις σε υλικό (hardware) στην μεριά του δέκτη μπορούν να μειωθούν, καθώς η όποια επεξεργασία του ηχητικού σήματος (π.χ. φιλτράρισμα, ισοστάθμιση, προενίσχυση κ.λ.π.) μπορούν να πραγματοποιηθούν κατ επιλογή του χρήστη στην πλευρά της πηγής, πριν την συμπίεση των ηχητικών δεδομένων. 2.3.2 Ηχητικές εφαρμογές μετάδοσης από σημείο-σε-πολλαπλά σημεία μέσω Βluetooth Οι συνδέσεις σημείο-σε-σημείο μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μονοφωνικές εφαρμογές μόνο ή για τροφοδοσία συσκευών όπου τα 2 κανάλια δεν βρίσκονται διαχωρισμένα στο χώρο (π.χ. ακουστικά). Στερεοφωνικές και πολυκάναλες εφαρμογές ή ακόμα και η εξυπηρέτηση πολλαπλών ροών απαιτούν την ταυτόχρονη μετάδοση ηχητικών δεδομένων σε δύο ή περισσότερες συσκευές αναπαραγωγής. Το Σχήμα 2.4 απεικονίζει ένα τυπικό παράδειγμα στερεοφωνικής ασύρματης μετάδοσης και αναπαραγωγής, όπου δύο διακριτά ηχητικά κανάλια (Αριστερό και Δεξί) συμπιέζονται ανεξάρτητα και μεταδίδονται ασύρματα στην αντίστοιχη Bluetooth συσκευή αναπαραγωγής μέσω δύο διαφορετικών ACL συνδέσεων, ικανών να υποστηρίξουν την μετάδοση ηχητικής πληροφορίας και πληροφορίας ελέγχου. - 18 -

ήχος έλεγχος Αρ. Ηχητικός Δέκτης (slave) (Α) Ηχητική πηγή(master) (Α) Ηχητική Πηγή (Δ) Μονάδα Bluetooth Σύνδεση 1 Σύνδεση 2 ήχος έλεγχος Μονάδα Bluetooth Δεξ. Ηχητικός Δέκτης (slave) Μονάδα Bluetooth (Δ) Αναπαραγωγή Αποκωδικοποιητής Κωδικοποιητής Αναπαραγωγή Αποκωδικοποιητής Σχήμα 2.4: Σημείο-σε-πολλαπλά σημεία ασύρματη ηχητική αναπαραγωγή Το διαθέσιμο εύρος ζώνης ανά ACL σύνδεση του Σχήματος 2.5 ιδανικά ισούται με το μισό του αντίστοιχου που μετρείται στην περίπτωση σημείο-σε-σημείο σύνδεσης. Κατ επέκταση, είναι φανερό ότι ο μέγιστος αριθμός διάκριτων ηχητικών καναλιών που μπορούν να υποστηριχθούν είναι: 721 bi N ch = (2.1) b όπου b είναι ο ρυθμός των συμπιεσμένων δεδομένων (σε kbps), b i (kbps) είναι η μέση κίνηση της πληροφορίας ελέγχου μέσω όλων των συνδέσεων και δηλώνει ακέραια διαίρεση. Για παράδειγμα, εάν θεωρήσουμε συμπίεση τύπου MPEG-1 Layer III με b=128kbps, τότε Ν ch =5 για b i =20kbps. Στην πράξη, αναμένεται ότι ο αριθμός των καναλιών που δίνεται από την εξ. (2.1) θα είναι μικρότερος, λόγω της μη αναλογικής μείωσης του πραγματικού εύρους ζώνης με τον αριθμό των ενεργών συνδέσεων. Έτσι, ενώ το παραπάνω σχήμα είναι κατάλληλο για στερεοφωνικές εφαρμογές, είναι ανεπαρκές για πολυκάναλες εφαρμογές (π.χ. 6 κανάλια ήχου). Ο παραπάνω περιορισμός σε αριθμός καναλιών μπορεί να παρακαμφθεί κάνοντας χρήση ευρείας εκπομπής (broadcasting) των ηχητικών δεδομένων προς τις Bluetooth συσκευές αναπαραγωγής. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 2.4, σε αυτήν την - 19 -

περίπτωση, το πολυκάναλο ηχητικό υλικό συμπιέζεται και εκπέμπεται προς όλους τους δέκτες, ενώ ο διαχωρισμός των καναλιών πραγματοποιείται σε κάθε δέκτη χωριστά. Για το λόγο αυτό, απαιτείται η γνώση της θέσης του κάθε δέκτη μέσω ειδικής πληροφορίας που εκπέμπεται κατά την αρχικοποίηση του συνολικού συστήματος αναπαραγωγής. Ηχητικός Δέκτης 1 (slave) έλεγχος Ηχητική πηγή(master) (Α) Ηχητική Πηγή (Δ) Μονάδα Bluetooth Σύνδεση 1 ήχος Σύνδεση 2 έλεγχος Μονάδα Bluetooth Ηχητικός Δέκτης N (slave) Μονάδα Bluetooth Αναπαραγωγή Αποκωδικοποιητής Κωδικοποιητής Αναπαραγωγή Αποκωδικοποιητής Σχήμα 2.5: Ασύρματη πολυκάναλη αναπαραγωγή με χρήση ευρείας εκπομπής Σε κατάσταση ευρείας εκπομπής, ο μέγιστος αριθμός ηχητικών καναλιών είναι ίσος προς 7 (όσος και ο μέγιστος αριθμός επιτρεπόμενων συνδέσεων μεταξύ Bluetooth συσκευών). Έτσι, εκτός από στερεοφωνικές εφαρμογές, μπορούν να υλοποιηθούν και πολυκάναλες εφαρμογές τύπου Home Theater με την τοπολογία αυτή (π.χ. AC-3, DTS κ.λ.π.), αν και το διαθέσιμο εύρος ζώνης για στην περίπτωση του Bluetooth 1.2 δεν επαρκεί. 2.4 Σχεδιασμός εφαρμογών ασύρματης μετάδοσης ήχου 2.4.1 Τοπολογία συσκευής αναπαραγωγής/ηχείου (player/speaker) Η πρώτη τοπολογία ασύρματης μετάδοσης σημείο σε πολλαπλά σημεία που υλοποιήθηκε, αποτελείται από δύο τμήματα, το λογισμικό συσκευής αναπαραγωγής και το λογισμικό ηχείου. Στο σχήμα 2.6 απεικονίζεται η γενική αρχιτεκτονική και των δύο εφαρμογών, όπως επίσης και τα μονοπάτια ανταλλαγής ηχητικών δεδομένων και πληροφορίας ελέγχου μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, η εφαρμογή player μεταδίδει - 20 -

ασύρματα ηχητικά πακέτα (audio_data) στους απομακρυσμένους δέκτες (speaker), μέσω σύνδεσης τύπου ACL. Δεδομένης της δυνατότητας από πλευράς λογισμικού στερεοφωνικής αναπαραγωγής, μπορεί να ανατεθεί το αντίστοιχο κανάλι (δεξί ή αριστερό) σε καθένα δέκτη. Η ίδια σύνδεση ACL χρησιμοποιείται και για την μετάδοση των οριζομένων από το χρήστη παραμέτρων αναπαραγωγής (user_info). Οι δύο ροές ηχητικών δεδομένων και πληροφορίας ελέγχου πολυπλέκονται χρησιμοποιώντας το επίπεδο L2CAP, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Η εφαρμογή speaker λαμβάνει και τις δύο αυτές ροές που αποπολυπλέκονται, και τα ηχητικά δεδομένα (audio_data) αποκωδικοποιούνται, ενώ γίνεται επεξεργασία των πληροφοριών (user_info) ώστε να πραγματοποιηθεί η αναπαραγωγή. Κάθε δέκτης μεταδίδει πίσω στον player πληροφορία για την κατάσταση της αναπαραγωγής (status_info) όπως το χρόνο αναπαραγωγής που έχει διανυθεί, τυχόν διακοπή της αναπαραγωγής, κλπ. audio_data Player ACL user_info status_info ACL Bluetooth Device Audio decoder PCM Audio processing audio_data user_info Speaker ACL ACL_Link PCM Soundcard Audio Player status_info ACL Bluetooth Device Σχήμα 2.6: Αρχιτεκτονική εφαρμογής εξυπηρετητή πελάτη Το status_info περιλαμβάνει επίσης πληροφορία για την κατάσταση του προσωρινού καταχωρητή αναπαραγωγής. Αυτή η πληροφορία μεταδίδεται περιοδικά προς τον - 21 -

player, και χρησιμοποιείται για την προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης της ηχητικής πληροφορίας ανάλογα από την ποσότητα των αποθηκευμένων δεδομένων στον speaker. H προσαρμογή αυτή αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση της πιθανότητας εμφάνισης παραμορφώσεων κατά την αναπαραγωγή οφειλόμενων σε υπερχειλίσεις ή σε έλλειψη δεδομένων. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.7, σε περίπτωση που τα προαποθηκευμένα δεδομένα στην ουρά αναπαραγωγής του speaker είναι περισσότερα από προκαθορισμένη ποσότητα (max_buffer), η μετάδοση ηχητικών δεδομένων σταματάει προσωρινά, και ξεκινάει όταν γίνουν λιγότερα από την τιμή max_buffer. Αντίθετα, όταν η ουρά αναπαραγωγής περιέχει λιγότερα δεδομένα από το όριο min_buffer, τότε ο player αποπειράται να εξυπηρετήσει επίμονα τον αντίστοιχο speaker, ώστε να αποφευχθεί η εισαγωγή κενών κατά την αναπαραγωγή. Η συνθήκη αυτή συναντάται πολύ συχνά στην περίπτωση υποβάθμισης της ποιότητας σύνδεσης λόγω παρεμβολών, όπου παρατηρείται υπερβολικός ρυθμός επαναμεταδόσεων πακέτων. status_info Buffered_data > max_buffer ναι Παύση μετάδοσης Buffered_data < min_buffer ναι Αύξηση ρυθμού αποστολής Διατήρηση ρυθμού αποστολής Σχήμα 2.7: Λογικό διάγραμμα αλγορίθμου προσαρμογής μετάδοσης Από την παραπάνω περιγραφή είναι προφανές ότι στην αρχή της ηχητικής αναπαραγωγής, ο μετρούμενος ρυθμός μετάδοσης είναι πάντα μεγαλύτερος της ηχητικής κωδικοποίησης, μέχρι η ποσότητα δεδομένων που είναι αποθηκευμένα στην ουρά να πάρουν την τιμή min_buffer. Για να μειωθεί η πιθανότητα εισαγωγής κενών αναπαραγωγής σ αυτό το χρονικό διάστημα, είναι απαραίτητη η προ-αποθήκευση - 22 -

δεδομένων, δηλαδή η αναπαραγωγή ξεκινάει μετά την λήψη ηχητικών δεδομένων που αντιστοιχούν σε προκαθορισμένο χρονικό διάστημα αναπαραγωγής. user_info κέρδος αναπαραγωγής ισορροπία καναλιών ισοσταθμιστής 10 περιοχών Σχήμα 2.8: Πληροφορίες που μεταδίδονται μέσω ροής user_info Η εφαρμογή player παρέχει επίσης τη δυνατότητα απομακρυσμένου έλεγχου των ιδιοτήτων αναπαραγωγής της εφαρμογής Speaker, όπως το συνολικό κέρδος αναπαραγωγής, η ισορροπία (balance) μεταξύ καναλιών. Επίσης, παρέχεται η δυνατότητα για ρύθμιση της αναπαραγωγής μέσω ισοσταθμιστή 10 συχνοτικών περιοχών. Οι σχετικές πληροφορίες που φαίνονται στο Σχήμα 2.8 μεταδίδονται μέσω της ροής user_info στον speaker, χρησιμοποιώντας πρωτότυπο μηχανισμόπρωτόκολλο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της εργασίας, ενώ η ρύθμιση του κέρδους και λοιπών παραμέτρων αναπαραγωγής γίνεται σε πραγματικό χρόνο στην εφαρμογή speaker. Συνεπώς, το υπολογιστικό φορτίο που είναι απαραίτητο για την επεξεργασία του ηχητικού σήματος μεταφέρεται στην εφαρμογή speaker, ενώ οι υπολογιστικοί πόροι του player χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της μετάδοσης καθώς και για την συμπίεση ήχου, όταν αυτό είναι απαραίτητο. Τέλος, το πρωτόκολλο σηματοδοσίας έχει σχεδιαστεί με γνώμονα την ελαχιστοποίηση του overhead μετάδοσης καθώς και του μέσου χρόνου απόκρισης, δηλαδή του χρονικού διαστήματος μεταξύ της επιλογής του χρήστη και του ακουστού αποτελέσματος της επιλογής αυτής. 2.4.2 Τοπολογία εξυπηρετητή/καταναλωτή (server/client) Παράλληλα με την παραπάνω εφαρμογή μετάδοσης σημείο σε πολλαπλά σημεία, αναπτύχθηκε και εφαρμογή βασιζόμενη στο γνωστό μοντέλο εξυπηρετητή/καταναλωτή [3]. Η εφαρμογή που εκτελείται στην πλευρά του εξυπηρετητή είναι υπεύθυνη για τη διαχείριση των αποθηκευμένων λιστών διαθέσιμων ηχητικών κομματιών (media list), καθώς και για τις Bluetooth συνδέσεις με απομακρυσμένες συσκευές πελάτες. Αυτές οι συσκευές ελέγχονται από την εφαρμογή πελάτη, που υλοποιεί την διεπαφή για όλες τις βασικές λειτουργίες χρήστη, όπως την επιλογή αρχείου και τον έλεγχο αναπαραγωγής, τη σύνδεση και την αποσύνδεση από τον εξυπηρετητή κλπ. Στις επόμενες παραγράφους, ακολουθεί αναλυτική περιγραφή και των δύο εφαρμογών. - 23 -

Η εφαρμογή του εξυπηρετητή τυπικά εκτελείται σε PC με υλικό Bluetooth σε master mode, με αρκετό αποθηκευτικό χώρο για την τοπική αποθήκευση των ηχητικών κομματιών. Για την εύκολη οργάνωση του ηχητικού περιεχομένου που είναι αποθηκευμένο στον εξυπερετητή, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε φιλική προς το χρήστη διαδικασία που το οργανώνει σε playlists. Εφόσον δημιουργηθεί σύνδεση Bluetooth μεταξύ του εξυπηρετητή και απομακρυσμένης συσκευής-πελάτη, μετά την αίτηση του χρήστη το επιλεγμένο ηχητικό κομμάτι μεταδίδεται στον πελάτη και αναπαράγεται σε πραγματικό χρόνο. play_list audio_data Transmitter Software BlueBox Server ACL status_info user_request Bluetooth Device ACL Audio Player User Interface ACL Audio processing BlueBox Client Audio decoder audio_data Receiver Software audio_data play_list status_info Bluetooth Device audio subsystem status_info client buffer status user_request Track ID playback Stop Pause playlist Track ID Track Name Σχήμα 2.9: Αρχιτεκτονική εφαρμογής εξυπηρετητή πελάτη Όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.9, μετά την επιτυχημένη σύνδεση του εξυπηρετητή με μια συσκευή πελάτη Bluetooth, o εξυπηρετητής αυτόματα στέλνει μέσω της ασύρματης ζεύξης τους τίτλους των διαθέσιμων κομματιών (play_list) που περιέχονται στην ορισμένη από το χρήστη track list. Τα ηχητικά δεδομένα (audio_data) που - 24 -

αντιστοιχούν στο κομμάτι που επιλέχθηκε από την track list μεταδίδονται επίσης μέσω της ιδίας σύνδεσης, κατόπιν της αίτησης του χρήστη. Οι αιτήσεις για αναπαραγωγή ξεκινούν από την πλευρά του πελάτη, και μεταδίδονται μέσω αμφίδρομων συνδέσεων ACL (user_request ροή), χρησιμοποιώντας πρωτόκολλο που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες της εφαρμογής. Σε αυτό το πρωτόκολλο ορίζονται επίσης οι απαραίτητοι μηχανισμοί σηματοδοσίας ώστε να υποστηρίζονται όλες οι απαραίτητες λειτουργίες ελέγχου της αναπαραγωγής, όπως stop, pause, κλπ, όπως επίσης και οι διαδικασίες για τον διαμοιρασμό της διαθέσιμης track-list και την ενημέρωσή της όταν είναι απαραίτητο στο σύνολο των πελατών. Προφανώς, ο εξυπηρετητής θα πρέπει να μπορεί να εξυπηρετήσει ταυτόχρονα περισσότερους από έναν απομακρυσμένους πελάτες. Για το λόγο αυτό, οι μεταδόσεις δεδομένων ελέγχονται από λογισμικό μετάδοσης το οποίο συντονίζει την μετάδοση, κατόπιν των επιπέδων του stack του Bluetooth. Για παράδειγμα, κάθε φορά που λαμβάνεται αίτηση για αναπαραγωγή μουσικού κομματιού από πελάτη, το λογισμικό ξεκινάει ένα νήμα (thread) μέσω του οποίου υλοποιείται η μετάδοση του ήχου, με αποστολή πακέτων στην συσκευή Bluetooth. Το λογισμικό μετάδοσης ελέγχει την εκτέλεση όλων των ενεργών νημάτων μετάδοσης και τα συντονίζει ώστε να ικανοποιούνται οι ανάγκες εύρους ζώνης για όλες τις ηχητικές μεταδόσεις, λαμβάνοντας υπόψη τα πακέτα που περιοδικά μεταδίδονται από τους πελάτες (status_info ροή) που περιέχουν πληροφορία για την κατάσταση της αναπαραγωγής, ακολουθώντας τη λογική που φαίνεται στο Σχήμα 2.7. Συγκεκριμένα, για να αποφευχθούν υπερχειλίσεις δεδομένων στις ουρές προσωρινής αποθήκευσης των απομακρυσμένων πελατών, αν το εύρος ζώνης που έχει κατανεμηθεί για συγκεκριμένη ηχητική ροή ξεπερνάει την τιμή που απαιτείται για πιστή αναπαραγωγή χωρίς σφάλματα, τότε η εκτέλεση του νήματος μπλοκάρεται. Αντίθετα, αν πολλοί απομακρυσμένοι πελάτες αιτούνται εξυπηρέτησης και/αν υπάρχουν μεγάλες παρεμβολές στο κανάλι εκπομπής, τότε η μετάδοση σε ένα ή περισσότερους πελάτες θα καθυστερήσει, με αποτέλεσμα η ουρά προσωρινής αποθήκευσης να αδειάζει, και να προκληθούν ακουστές διακοπές στην αναπαραγωγή. Δεδομένου ότι μπορεί να συμβαίνουν παράλληλες εκπομπές καθώς και λήψεις για τους παραπάνω τύπους δεδομένων (audio_data, playlist, status_info και user_request), γίνεται χρήση του επιπέδου Bluetooth L2CAP layer για τη δημιουργία λογικών καναλιών και την αποδοτική πολύπλεξη των μεταδιδόμενων ροών - 25 -