Δ ΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ Δ ΙΑΤΡΙΒΗ

Π ΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Π ΑΤΡΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Δ ΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ Δ ΙΑΤΡΙΒΗ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΠΘ A.M 394 ΠΑΤΡΑ 2006

Δ ΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ Δ ΙΑΤΡΙΒΗ «ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ» ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Χρήστος Μπούρας, Αναπληρωτής Καθηγητής ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: Παύλος Σπυράκης, Καθηγητής Ιωάννης Γαροφαλάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Χρήστος Μπούρας, Αναπληρωτής Καθηγητής ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: Γεώργιος Αλεξίου, Καθηγητής Εμμανουήλ Βαρβαρίγος, Καθηγητής Παύλος Σπυράκης, Καθηγητής Ιωάννης Γαροφαλάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Κωνσταντίνος Μπερμπερίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής Χρήστος Μπούρας, Αναπληρωτής Καθηγητής Κυριάκος Βλάχος, Επίκουρος Καθηγητής

Στην Οικογένειά μου

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Π ΕΡΙΛΗΨΗ Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του Mobile Broadband. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point-to-multipoint data transmission). Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία μηχανισμών στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και προτείνονται μηχανισμοί οι οποίοι προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου που επικρατούν στο δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί που ονομάζονται μηχανισμοί προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων είναι κυρίως μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μετάδοση εφαρμογών πραγματικού χρόνου όπως είναι για παράδειγμα η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο ή μια βιντεοκλήση μεταξύ δύο συνδρομητών ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Οι μηχανισμοί προσαρμογής της μετάδοσης πολυμέσων είναι μηχανισμοί μετάδοσης πολυμεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδομένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν τη μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση μηχανισμών προσαρμογής της μετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη μηχανισμών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρμογή των πολυμεσικών δεδομένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των μηχανισμών είναι η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες μεταβάλλονται. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). To MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Έτσι λοιπόν, όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία μηχανισμών, η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ VII

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting λόγω του γεγονότος ότι εκμεταλλεύεται την κατανομή των χρηστών μέσα στο δίκτυο προς όφελος της οικονομίας στην αποστολή πακέτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται ένας multicast μηχανισμός ο οποίος προσφέρει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή προς μια ομάδα κινητών χρηστών ενός δικτύου UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκτός από τη λειτουργικότητα της multicast δρομολόγησης των πακέτων στους κόμβους του δικτύου, υποστηρίζεται επίσης από ένα σχήμα διαχείρισης της ομάδας των multicast χρηστών. Επιπλέον, στο μηχανισμό έχει ενσωματωθεί επιπλέον λειτουργικότητα η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση των δεδομένων στην ομάδα των multicast χρηστών ακόμα και όταν αυτοί βρίσκονται σε διαρκή κίνηση (Handover functionality). Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μια προσπάθεια να αξιολογηθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο UMTS για μετάδοση δεδομένων από έναν αποστολέα προς μια ομάδα παραληπτών. Συγκεκριμένα, οι τρεις μηχανισμοί που αναλύονται είναι ο Broadcast μηχανισμός, o Multiple Unicast μηχανισμός και ο Multicast μηχανισμός. Η αξιολόγηση των μηχανισμών γίνεται με χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου το οποίο μετρά το τηλεπικοινωνιακό κόστος μετάδοσης των δεδομένων από τον έναν κόμβο του δικτύου στον άλλον. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μηχανισμοί αξιολογούνται για διάφορες τοπολογίες του δικτύου και διαφορετικές κατανομές των χρηστών στο δίκτυο. Τέλος, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αξιολόγηση των καναλιών μεταφοράς του UMTS και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση των δεδομένων. Ειδικότερα, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν και τέλος την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη. VIII ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

EXECUTIVE SUMMARY E XECUTIVE S UMMARY As communications technology is being developed, users demand for multimedia services raises. Meanwhile, the Internet has enjoyed tremendous growth in recent years. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide highspeed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. The recent years, the usage of third generation cellular networks has begun to rise all over the world. These new infrastructures substitute the existed second generation cellular networks and offer broadband services to mobile users. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. The main target of this dissertation is the study and the analysis of the mechanisms that are operated behind the above mentioned services and applications. More specifically, we analyze already existed mechanisms used for the transmission of real time services over 3G networks and furthermore we propose new mechanisms for the effective data transmission in 3G networks in terms of network performance and satisfaction of the mobile user. Generally, we consider two categories of mechanisms for the data transmission: Mechanisms for point to point data transmission. Mechanisms for point to multipoint data transmission. Regarding the first category of the mechanisms, in this dissertation, we analyze and propose mechanisms for real time data transmission in 3G networks. We focus firstly on schemes that reliable transmit the real time data to mobile users and secondly on mechanisms for adaptive multimedia transmission in UMTS. Bandwidth is a valuable and limited resource for UMTS and every wireless network, in general. Therefore, it is of extreme importance to exploit this resource in the most efficient way. It is essential for a wireless network to have an efficient bandwidth allocation scheme in order the mobile user to experience both real time applications and Internet applications such as HTTP or SMTP. Consequently, when a user experiences a real time application, there should be enough bandwidth available at any time for any other application that the mobile user might realize. In addition, when two different applications run together, the network should guarantee that there is no possibility for any of the abovementioned applications to prevail against the other by taking all the available channel bandwidth. Taking into consideration the fact that Internet applications adopt mainly TCP as the transport protocol, while real time applications mainly use RTP, the network should guarantee that RTP does not prevail against the TCP traffic. Consequently, this means that there should be enough bandwidth available in the wireless channel for the Internet applications to run properly. To this direction, rate control of real time applications is an important issue in mobile networks. With the aid of rate control schemes the network could adapt the packet transmission rate of real time applications according to the current network conditions giving the opportunity to the mobile users to experience both real time and non real time applications at the same time in their mobile devices. Regarding the second category of the mechanisms, although UMTS networks offer high capacity, the expected demand will certainly overcome the available resources. Thus, the multicast transmission over the UMTS networks constitutes a challenge and an area of research. To this direction the third Generation Partnership Project (3GPP) is currently standardizing the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) framework of UMTS. In this dissertation, we present a new mechanism for the efficient multicast data routing in UMTS. The proposed mechanism is enhanced with multicast group management functionality as well as with functionality related to the user mobility (handover and relocation). ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ IX

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ Furthermore, it is known that multicasting is more efficient method of supporting group communication than unicasting or broadcasting, as it allows transmission and routing of packets to multiple destinations using fewer network resources. In this dissertation, the three above mentioned methods of supporting group communication in UMTS are analyzed in terms of their performance. The critical parameters of primary interest for the evaluation of any method are the packet delivery cost and the scalability of the method. Finally, this dissertation analyses the role of power control in the multicast transmission in UMTS. It is proposed a power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station. X ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Π ΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί τον επίλογο των μεταπτυχιακών μου σπουδών στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών του Τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Ο τίτλος της διδακτορικής διατριβής είναι «Σχεδιασμός και Ανάλυση Μηχανισμών για Μετάδοση Δεδομένων Πραγματικού Χρόνου σε Κινητά Δίκτυα Επικοινωνιών». Πριν την παρουσίαση των αποτελεσμάτων της διδακτορικής διατριβής, αισθάνομαι την ανάγκη να ευχαριστήσω θερμά όσους με βοήθησαν, με συμβούλευσαν και μου συμπαρασταθήκαν όλο αυτό το διάστημα. Ο Καθηγητής μου Χρήστος Μπούρας, Αναπληρωτής Καθηγητής του Τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής και Επιστημονικός Υπεύθυνος της Ερευνητικής Μονάδας 6 του ΕΑΙΤΥ, υπήρξε ο σύμβουλος και δάσκαλός μου σε όλη τη διάρκεια ολοκλήρωσης των μεταπτυχιακών σπουδών μου. Θέλω να τον ευχαριστήσω θερμά για την καθοδήγηση και την επιμονή του για συστηματική δουλειά, η οποία θέλω να ελπίζω ότι έφερε αποτελέσματα και να του ευχηθώ πάντα επιτυχίες και αντοχή. Στη συνέχεια θέλω να ευχαριστήσω τα μέλη της τριμελούς επιτροπής τον Καθηγητή κ. Παύλο Σπυράκη και τον Αναπληρωτή Καθηγητή Ιωάννη Γαροφαλάκη, εξαιρετικούς δάσκαλους με βαρύνουσα άποψη και κύρος, για την καθοδήγησή τους και την υποστήριξή τους στην ολοκλήρωση αυτής της διδακτορικής διατριβής. Επίσης, ευχαριστώ τα μέλη της επταμελούς επιτροπής για την ουσιαστική συνδρομή τους στην ολοκλήρωση αυτής της διδακτορικής διατριβής: τον Καθηγητή Εμμανουήλ Βαρβαρίγο, τον Καθηγητή Γεώργιο Αλεξίου, τον Αναπληρωτή Καθηγητή Κωνσταντίνο Μπερμπερίδη και τον Επίκουρο Καθηγητή Κυριάκο Βλάχο. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θέλω να απευθύνω στους Δημήτρη Πρίμπα και Βασίλη Κόκκινο, αληθινούς φίλους. Είναι και οι δύο τους, άριστοι επιστήμονες και σημαντικοί συνεργάτες με πλούσια πνευματικά προσόντα και σπουδαίο ήθος. Επίσης, ένα μεγάλο ευχαριστώ θέλω να απευθύνω στους Βαγγέλη Ιγγλέση, Δημήτρη Αντωνέλλη, Ανδρέα Παπαζώη, Κώστα Μπαρούνη και Βαγγέλη Ρέκκα για την πολύτιμη και ουσιαστική βοήθειά τους στην υλοποίηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Στη συνέχεια ευχαριστώ, διακινδυνεύοντας να ξεχάσω κάποιους, τους συναδέλφους και συνεργάτες μου στα πλαίσια της συμμετοχής μου στο Εργαστήριο Τηλεματικής και Νέων Υπηρεσιών του ΤΜΗΥΠ και στην Ερευνητική Μονάδα 6 του ΕΑΙΤΥ: Βασίλη Κόκκινο, Δημήτρη Αντωνέλλη, Βαγγέλη Ρέκκα, Γιάννη Αντωνέλλη, Γιάννη Παππά, Θρασύβουλο Τσιάτσο, Κώστα Στάμο, Δημήτρη Πρίμπα, Έρη Γιαννακά, Μαρία Νάνη, Γιάννη Μισεδάκη, Βαγγέλη Ιγγλέση, Βασίλη Πουλόπουλο, Βαγγέλη Καπούλα, Κώστα Μπαρούνη και Απόστολο Γκάμα. Όλοι αποτελούν εξαίρετα δείγματα συνεργατών συμβάλλοντας σε μια αρμονική και ευχάριστη συνεργασία. Αφήνω για το τέλος τους γονείς μου και την αδερφή μου τους οποίους ευχαριστώ για τη συμβολή τους σε αυτή την προσπάθεια αλλά και για όλα όσα έχουν κάνει για εμένα. Πάτρα, Νοέμβριος 2006 Αντώνιος Αλεξίου ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ XI

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Π ΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... VII EXECUTIVE SUMMARY... IX ΠΡΟΛΟΓΟΣ... XI ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...XIII ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ... XIX ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ...XXIII ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ...25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 3 ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ...33 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ...35 2.1.1 Η 1 Η ΓΕΝΙΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ...35 2.1.2 Η 2 Η ΓΕΝΙΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ...35 2.1.3 Η ΓΕΝΙΑ 2,5 ΚΙΝΗΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ...36 2.1.4 Η 3 Η ΓΕΝΙΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ...37 2.1.5 Η ΓΕΝΙΑ 3,5 ΚΙΝΗΤΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ...38 2.2 ΠΡΟΤΥΠΑ...39 2.2.1 WCDMA...39 2.2.2 ΠΡΟΗΓΜΕΝΟ TDMA...40 2.2.3 ΥΒΡΙΔΙΚΟ CDMA/TDMA...40 2.2.4 OFDM...40 2.2.5 IMT-2000...41 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ XIII

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ 2.2.6 3GPP...41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ UMTS...43 3.1 ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ...45 3.2 Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ UMTS...46 3.2.1 USER EQUIPMENT...46 3.2.2 UTRAN...47 3.2.3 CN...48 3.3 ΔΙΕΠΑΦΕΣ ΚΑΙ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΩΝ...50 3.3.1 Η ΔΙΕΠΑΦΗ UU...50 3.3.2 Η ΔΙΕΠΑΦΗ IUB...51 3.3.3 Η ΔΙΕΠΑΦΉ IUR...52 3.3.4 Η ΔΙΕΠΑΦΉ IU-PS...53 3.3.5 ΟΙ ΥΠΟΛΟΙΠΕΣ ΔΙΕΠΑΦΕΣ...54 3.4 ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΤΟΥ UTRAN...55 3.4.1 ΛΟΓΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ...55 3.4.2 ΚΑΝΑΛΙΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ...56 3.4.3 ΦΥΣΙΚΑ ΚΑΝΑΛΙΑ...58 3.5 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...59 3.5.1 PDP ΚΑΙ GTP...59 3.5.2 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΣΤΟ UTRAN...60 3.6 HANDOVERS ΣΤΟ UMTS...61 3.6.1 SOFTER ΚΑΙ SOFT HANDOVER...62 3.6.2 SRNS RELOCATION...65 3.6.3 HARD HANDOVER...67 3.6.4 INTERSYSTEM HANDOVERS...67 3.7 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΧΡΗΣΤΩΝ...68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Η ΥΠΗΡΕΣΙΑ MBMS...71 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ...73 4.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ...73 4.2.1 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ BROADCAST...74 4.2.2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ MULTICAST...74 4.3 Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΗΣ MBMS...74 4.4 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ MBMS...77 4.4.1 SUBSCRIPTION...78 4.4.2 SERVICE ANNOUNCEMENT...78 4.4.3 JOINING...78 4.4.4 SESSION START...79 XIV ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 4.4.5 MBMS NOTIFICATION...79 4.4.6 DATA TRANSFER...79 4.4.7 SESSION STOP...80 4.4.8 LEAVING...80 4.5 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ CN...80 4.5.1 ΧΡΗΣΗ IP UNICAST...80 4.5.2 ΧΡΗΣΗ IP MULTICAST...82 4.6 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UTRAN...83 4.6.1 ΜΕΤΑΔΟΣΗ POINT-TO-POINT...83 4.6.2 ΜΕΤΑΔΟΣΗ POINT-TO-MULTIPOINT...84 4.6.3 Η ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΕΠΑΦΗΣ IUR...85 4.7 ΘΕΜΑΤΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ...86 4.7.1 ΠΙΘΑΝΕΣ ΑΠΕΙΛΕΣ...86 4.7.2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ...87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ...89 5.1 UNICAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...91 5.2 MULTICAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...93 5.3 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...95 5.4 ΈΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟ MBMS/UMTS...96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: UNICAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...99 6.1 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ UMTS ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΜΙΚΤΗΣ INTERNET ΚΙΝΗΣΗΣ...101 6.1.1 ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΙΝΗΣΗΣ ΓΙΑ HTTP ΚΑΙ FTP ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ...102 6.1.2 ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ...103 6.1.2.1 Μετάδοση με αφιερωμένα κανάλια μεταφοράς...103 6.1.2.2 Μετάδοση HSDPA...105 6.1.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΕΩΝ...106 6.1.3.1 Μετάδοση με αφιερωμένα κανάλια μεταφοράς...106 6.1.3.2 Μετάδοση HSDPA...111 6.1.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...113 6.2 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΤΟ UMTS...114 6.2.1 ΜΕΤΑΔΟΣΗ VIDEO ΣΤΟ UMTS...115 6.2.2 ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΙΑ ΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΣΗΣ ΠΑΚΕΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΣΤΟ UMTS...116 6.2.3 ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ...119 6.2.4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΞΟΜΟΙΩΣΗΣ...121 6.2.4.1 Μετάδοση MPEG-4 video κίνησης...121 6.2.4.2 Μετάδοση MPEG-4 video με την παρουσία πρόσθετης κίνησης στο ίδιο κανάλι μεταφοράς...123 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ XV

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ 6.2.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...125 6.3 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS ΜΕ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ...125 6.3.1 ΜΕΤΑΔΟΣΗ VIDEO ΣΤΟ UMTS ΜΕ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ...126 6.3.2 ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ TCP FRIENDLY RATE CONTROL TFRC...128 6.3.3 ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ...129 6.3.4 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΤΟΥ ΡΥΘΜΟΥ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΟΛΥΜΕΣΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...130 6.3.5 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΤΟΥ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ...133 6.3.5.1 Περιγραφή της λειτουργίας του μηχανισμού...133 6.3.5.2 Υπολογισμός του ρυθμού απώλειας πακέτων...134 6.3.5.3 Υπολογισμός του χρόνου Round Trip Time...135 6.3.6 ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΤΟΥ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ...136 6.3.6.1 Μέτρηση απόδοσης μέσω εξομοιώσεων...136 6.3.6.2 Μέτρηση απόδοσης μέσω πειραμάτων σε 3G δίκτυο...139 6.3.7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...143 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: MULTICAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...145 7.1 ΣΧΕΤΙΚΕΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ...147 7.2 ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΓΙΑ MULTICAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...149 7.2.1 ROUTING LISTS...149 7.2.2 Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΠΑΚΕΤΩΝ...151 7.2.3 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ MULTICAST GROUPS...151 7.2.3.1 Η Φάση Joining...152 7.2.3.2 Η Φάση Leaving...153 7.2.4 ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΗΣ ΚΙΝΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΧΡΗΣΤΩΝ...154 7.2.4.1 Handovers...154 7.2.4.2 SRNS Relocation...157 7.2.5 ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UTRAN...159 7.2.6 ΤΟ ΜΟΝΤΈΛΟ ΕΞΟΜΟΊΩΣΗΣ...160 7.2.6.1 Υλοποίηση στον εξομοιωτή ns-2...160 7.2.6.2 Παράμετροι του μοντέλου εξομοίωσης...162 7.2.6.3 Παράδειγμα του κώδικα εξομοίωσης...163 7.2.7 AΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ...172 7.2.7.1 Απόδοση του μηχανισμού...172 7.2.7.2 Απόδοση του μηχανισμού ως προς τη διαχείριση της κινητικότητας των χρηστών...174 7.2.7.3 Μετάδοση δεδομένων στο UTRAN...175 XVI ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 7.2.8 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...175 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: ΑΝΑΛΥΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΥΓΚΡΙΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΣΤΟ UMTS...175 8.1 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΤΩΝ ΥΠΑΡΧΟΝΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΑΠΟ ΈΝΑΝ ΧΡΗΣΤΗ/ΕΞΥΠΗΡΕΤΗΤΗ ΠΡΟΣ ΟΜΑΔΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΧΡΗΣΤΩΝ...175 8.1.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ BROADCAST ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ...175 8.1.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ MULTIPLE UNICAST ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ...175 8.1.3 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ MULTICAST ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΥ...175 8.2 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΟΣΟΝ ΑΦΟΡΑ ΤΟ ΚΟΣΤΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...175 8.2.1 ΓΕΝΙΚΑ...175 8.2.2 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΤΩΝ ΧΡΗΣΤΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ...175 8.2.3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΟΣΤΟΥΣ ΚΑΤΑ ΤΗ BROADCAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...175 8.2.4 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΟΣΤΟΥΣ ΚΑΤΑ ΤΗ MULTIPLE UNICAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...175 8.2.5 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΟΣΤΟΥΣ ΚΑΤΑ ΤΗ MULTICAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ...175 8.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ...175 8.3.1 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΙΜΩΝ ΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ...175 8.3.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 1ΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ...175 8.3.3 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ 2ΗΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑΣ...175 8.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...175 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: ΈΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟ MBMS...175 9.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΈΛΕΓΧΟ ΙΣΧΥΟΣ TΟΥ WCDMA...175 9.2 ΈΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΗ MULTICAST ΜΕΤΑΔΟΣΗ...175 9.3 ΈΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΚΑΝΑΛΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΣΤΟ MBMS...175 9.4 ΈΛΕΓΧΟΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟ MBMS ΣΧΕΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...175 9.5 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ ΚΟΙΝΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ...175 9.6 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ FACH...175 9.6.1 ΧΡΗΣΙΜΗ ΟΡΟΛΟΓΙΑ...175 9.6.2 ΕΠΙΠΕΔΑ ΙΣΧΥΟΣ FACH ΓΙΑ ΤΟ MBMS...175 9.6.3 SOFT ΚΑΙ SELECTION COMBINING...175 9.6.4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΙΣΧΥΟΣ FACH...175 9.7 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ DCH...175 9.7.1 Η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΟΥ ΕΝΟΣ ΚΕΛΙΟΥ...175 9.7.1.1 Ορισμός παραμέτρων...175 9.7.1.2 Αποτελέσματα ανάλυσης...175 9.7.2 Η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΚΕΛΙΩΝ...175 9.7.3 ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ...175 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ XVII

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ 9.8 ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΙΣΧΥΟΣ ΓΙΑ HS-DSCH...175 9.8.1 ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗ ΎΠΑΡΞΗ HS-DSCH ΚΑΙ DCH ΚΑΝΑΛΙΩΝ...175 9.9 ΕΥΡΕΣΗ ΣΗΜΕΙΟΥ ΕΝΑΛΛΑΓΗΣ ΚΑΝΑΛΙΩΝ KΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑΣ MBMS ΥΠΗΡΕΣΙΑΣ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...175 9.9.1 ΣΗΜΕΙΟ ΕΝΑΛΛΑΓΗΣ ΜΕΤΑΞΥ DCH ΚΑΙ FACH ΚΑΝΑΛΙΩΝ...175 9.9.2 ΣΗΜΕΙΟ ΕΝΑΛΛΑΓΗΣ ΜΕΤΑΞΥ DCH ΚΑΙ HS-DSCH ΚΑΝΑΛΙΩΝ...175 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ...175 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ...175 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ I: ΑΝΑΦΟΡΕΣ...175 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ II: ΑΚΡΩΝΥΜΑ...175 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ III: ΓΛΩΣΣΑΡΙΟ...175 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ IV: ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ...175 XVIII ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Λ ΙΣΤΑ Ε ΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1. Η εξέλιξη των προτύπων για τα κυψελωτά κινητά δίκτυα...38 Εικόνα 2. Η κατανομή των καναλιών στις τεχνικές πολλαπλής πρόσβασης...39 Εικόνα 3. Η αρχιτεκτονική του UMTS σε υψηλό επίπεδο...46 Εικόνα 4. Η δομή του UTRAN...47 Εικόνα 5. RAs και URAs...48 Εικόνα 6. Η δομή του CN...50 Εικόνα 7. Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Uu...51 Εικόνα 8. Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Iub...52 Εικόνα 9. Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Iur...53 Εικόνα 10. Τα πρωτόκολλα της διεπαφής Iu-PS...54 Εικόνα 11. Η αρχιτεκτονική πρωτόκολλων για τη μεταφορά πληροφορίας...55 Εικόνα 12. Η αντιστοιχία λογικών καναλιών σε κανάλια μεταφοράς...58 Εικόνα 13. Αντιστοίχηση καναλιών για την downlink κατεύθυνση...58 Εικόνα 14. Η σύνοδος GTP στη διεπαφή Gn...59 Εικόνα 15. Μετάδοση πακέτων πληροφορίας στα διάφορα επίπεδα...61 Εικόνα 16. Οι δυνατές περιπτώσεις softer και soft handover...62 Εικόνα 17. Η ροή δεδομένων σε ένα inter-rns/intra-sgsn handover...64 Εικόνα 18. Η ροή δεδομένων σε ένα inter-rns/inter-sgsn handover...64 Εικόνα 19. Η ροή δεδομένων πριν και μετά το intra-sgsn SRNS relocation...66 Εικόνα 20. Η ροή δεδομένων πριν και μετά το inter-sgsn SRNS relocation...66 Εικόνα 21. PMM και RRC Μηχανισμοί...68 Εικόνα 22. Η αρχιτεκτονική της υπηρεσίας MBMS...75 Εικόνα 23. Οι φάσεις της broadcast λειτουργίας...77 Εικόνα 24. Οι φάσεις της multicast λειτουργίας...77 Εικόνα 25. Οι σύνοδοι GTP στη διεπαφή Gn κατά τη χρήση IP unicast...81 Εικόνα 26. Οι σύνοδοι GTP στη διεπαφή Gn κατά τη χρήση IP multicast...82 Εικόνα 27. Οι πιθανές επιλογές μονοπατιών προς το UE1...86 Εικόνα 28. Μοντέλο εξομοίωσης για τη μετάδοση πάνω από DCHs...104 Εικόνα 29. Μοντέλο εξομοίωσης για την HSDPA μετάδοση...105 Εικόνα 30. Καθυστέρηση πακέτων από άκρο σε άκρο για το κανάλι DCH1...106 Εικόνα 31. Καθυστέρηση πακέτων από άκρο σε άκρο για το κανάλι DCH2...107 Εικόνα 32. Καθυστέρηση πακέτων από άκρο σε άκρο για το κανάλι DCH3...107 Εικόνα 33. Καθυστέρηση πακέτων από άκρο σε άκρο για το κανάλι DCH4...107 Εικόνα 34. Καθυστέρηση πακέτων στο UTRAN για το κανάλι DCH1...108 Εικόνα 35. Καθυστέρηση πακέτων στο UTRAN για το κανάλι DCH2...108 Εικόνα 36. Καθυστέρηση πακέτων στο UTRAN για το κανάλι DCH3...109 Εικόνα 37. Καθυστέρηση πακέτων στο UTRAN για το κανάλι DCH4...109 Εικόνα 38. Throughput στο ασύρματο κανάλι για το DCH1...110 Εικόνα 39. Throughput στο ασύρματο κανάλι για το DCH2...110 Εικόνα 40. Throughput στο ασύρματο κανάλι για το DCH3...110 Εικόνα 41. Throughput στο ασύρματο κανάλι για το DCH4...111 Εικόνα 42. Καθυστέρηση πακέτων από άκρο σε άκρο για HSDPA μεταδόσεις...112 Εικόνα 43. Καθυστέρηση στο UTRAN για HSDPA μεταδόσεις...112 Εικόνα 44. Throughput στο ασύρματο κανάλι για HSDPA μεταδόσεις...113 Εικόνα 45. Μέγεθος πακέτων Video ακολουθίας...116 Εικόνα 46. Ελάχιστος απαιτούμενος χρόνος για τη μετάδοση και αποδοχή κάθε πακέτου...118 Εικόνα 47. pdf του χρόνου εξυπηρέτησης των IP πακέτων...118 Εικόνα 48. Το μοντέλο εξομοίωσης...119 Εικόνα 49. Καθυστέρηση πακέτων από άκρο σε άκρο κατά τη μετάδοση MPEG-4 video...121 Εικόνα 50. Καθυστέρηση πακέτων στο UTRAN για τη μετάδοση video...122 Εικόνα 51. Throughput στο ασύρματο κανάλι (χωρίς background κίνηση)...122 Εικόνα 52. Σύγκριση μεταξύ αναλυτικού υπολογισμού και αποτελεσμάτων εξομοίωσης...123 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ XIX

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ Εικόνα 53. Throughput στο ασύρματο κανάλι (με TCP background κίνηση)...124 Εικόνα 54. Συνολικό throughput στο ασύρματο κανάλι...124 Εικόνα 55. Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλου για μετάδοση δεδομένων πραγματικού χρόνου στο UMTS...126 Εικόνα 56. Σενάριο μετάδοσης video στο UMTS...130 Εικόνα 57. Σταθμισμένος ρυθμός μετάδοσης (T smoothed )...137 Εικόνα 58. Throughput της ροής video στο ασύρματο κανάλι...137 Εικόνα 59. Καθυστέρηση των TCP πακέτων από άκρο σε άκρο...138 Εικόνα 60. Διακύμανση καθυστέρησης των TCP πακέτων...139 Εικόνα 61. RTT πακέτων κατά τη μετάδοση...141 Εικόνα 62. Σταθμισμένος ρυθμός μετάδοσης της ροής video...141 Εικόνα 63. Διακύμανση καθυστέρησης πακέτων...143 Εικόνα 64. Η δομή μίας Routing List...150 Εικόνα 65. Ο μηχανισμός μετάδοσης πακέτων...150 Εικόνα 66. DRLs και MGLs...151 Εικόνα 67. H φάση Joining...152 Εικόνα 68. Η φάση Leaving...153 Εικόνα 69. H διαδικασία inter-rns handover...156 Εικόνα 70. Η διαδικασία inter-sgsn SRNS relocation...158 Εικόνα 71. Η διαδικασία intra-sgsn SRNS relocation...159 Εικόνα 72. Η διασύνδεση των DRLs...161 Εικόνα 73. Η εξεταζόμενη τοπολογία...163 Εικόνα 74. Το throughput στο σύνδεσμο GGSN-SGSN1...173 Εικόνα 75. Το throughput στο σύνδεσμο SGSN1-RNC1...173 Εικόνα 76. Ο έλεγχος της ορθότητας κατά την κινητικότητα χρηστών...175 Εικόνα 77. Το bit-rate της λήψης δεδομένων από το UE1...175 Εικόνα 78. Πολλαπλά inter-rns handovers από RNC1 προς RNC2...175 Εικόνα 79. Το throughput στη διεπαφή Iur...175 Εικόνα 80. Το throughput στο σύνδεσμο RNC1-Node B1 για κάθε κανάλι...175 Εικόνα 81. Τοπολογία ανάλυσης μηχανισμών μετάδοσης δεδομένων από έναν αποστολέα προς ομάδα παραληπτών...175 Εικόνα 82. Κόστος μηχανισμών σε συνάρτηση του αριθμού των πακέτων της ροής δεδομένων...175 Εικόνα 83. Κόστος του Multiple Unicast μηχανισμού για διάφορα κανάλια μεταφοράς σε συνάρτηση του αριθμού των πακέτων της ροής δεδομένων...175 Εικόνα 84. Κόστος του Multicast μηχανισμού για διάφορα κανάλια μεταφοράς σε συνάρτηση του αριθμού των πακέτων της ροής δεδομένων...175 Εικόνα 85. Κόστος μηχανισμών σε συνάρτηση του αριθμού των multicast χρηστών...175 Εικόνα 86. Κόστος του Multiple Unicast μηχανισμού για διάφορα κανάλια μεταφοράς σε συνάρτηση του αριθμού των multicast χρηστών...175 Εικόνα 87. Κόστος του Multicast μηχανισμού για διάφορα κανάλια μεταφοράς σε συνάρτηση του αριθμού των multicast χρηστών...175 Εικόνα 88. Κόστος των μηχανισμών σε συνάρτηση του α για N p =1000 και δ=100...175 Εικόνα 89. Κόστος των μηχανισμών σε συνάρτηση του α για N p =1000 και δ=1000...175 Εικόνα 90. Κόστος των μηχανισμών σε συνάρτηση του α για δ=1000 και N p =50...175 Εικόνα 91. Κόστος των μηχανισμών σε συνάρτηση του α για δ=1000 και N p =3000...175 Εικόνα 92. Κόστος των μηχανισμών σε συνάρτηση του δ για N p =1000 και α=0,1...175 Εικόνα 93. Κόστος των μηχανισμών σε συνάρτηση του δ για N p =1000 και α=0,9...175 Εικόνα 94. Κόστος των μηχανισμών σε συνάρτηση του N p για δ=1000 και α=0,1...175 Εικόνα 95. Κόστος των μηχανισμών σε συνάρτηση του N p για δ=1000 και α=0,9...175 Εικόνα 96. Κόστος του multicast μηχανισμού για διάφορα κανάλια μεταφοράς σε συνάρτηση του α για Np =1000 και δ=100...175 Εικόνα 97. Κόστος του multicast μηχανισμού για διάφορα κανάλια μεταφοράς σε συνάρτηση του α για Np =1000 και δ=1000...175 Εικόνα 98. Κόστος του multicast μηχανισμού για διάφορα κανάλια μεταφοράς σε συνάρτηση του δ για Np =1000 και α=0,1...175 Εικόνα 99. Κόστος του multiple unicast μηχανισμού για διάφορα κανάλια μεταφοράς σε συνάρτηση του δ για Np =1000 και α=0,5...175 Εικόνα 100. Σύνοψη σύγκρισης μηχανισμών...175 Εικόνα 101. Near-Far πρόβλημα στο Uplink [67]...175 Εικόνα 102. BLER σε σχέση με Ec/Ior - Pedestrian B 3Κm/h...175 Εικόνα 103. Συνολική ισχύς σε σχέση με την απόσταση των χρηστών από το Node_B...175 XX ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 104. Συνολική ισχύς σε σχέση με το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων...175 Εικόνα 105. Συνολική ισχύς σε σχέση με το Eb/No...175 Εικόνα 106. Υπό εξέταση τοπολογία ανάλυσης ισχύος DCH για πολλαπλά κελιά...175 Εικόνα 107. Συνολική ισχύς σε σχέση με την απόσταση των χρηστών από το Node B στην περίπτωση πολλαπλών κελιών...175 Εικόνα 108. Συνολική ισχύς σε σχέση με το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στην περίπτωση πολλαπλών κελιών...175 Εικόνα 109. Συνολική ισχύς σε σχέση με το Eb/No στην περίπτωση πολλαπλών κελιών...175 Εικόνα 110. Συνολική κατανομή ισχύος [67]...175 Εικόνα 111. HSDPA μέγιστοι ρυθμοί μετάδοσης [68]...175 Εικόνα 112. Απόδοση HSDPA [47]...175 Εικόνα 113. Μέσο throughput κυψέλης σε σχέση με την HS-DSCH κατανομή ισχύος [67]...175 Εικόνα 114. Σημείο εναλλαγής DCH και FACH για διαφορετικές αποστάσεις από το Node B...175 Εικόνα 115. Σημείο εναλλαγής DCH και FACH για διαφορετικά Eb/No...175 Εικόνα 116. SRNS Relocation...175 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ XXI

ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Λ ΙΣΤΑ Π ΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1. Τα χαρακτηριστικά του UMTS και η συμβατότητα του GSM...46 Πίνακας 2. Τα λογικά κανάλια του UTRAN...56 Πίνακας 3. Οι ιδιότητες των καναλιών μεταφοράς...56 Πίνακας 4. Τα κανάλια μεταφοράς του UTRAN...58 Πίνακας 5. Χαρακτηριστικά των DCHs...104 Πίνακας 6. Χαρακτηριστικά γραμμών σύνδεσης μεταξύ κόμβων του UMTS...104 Πίνακας 7. Πίνακας υπολογισμού κόστους μετάδοσης ενός πακέτου...175 Πίνακας 8. Ορισμός τιμών παραμέτρων...175 Πίνακας 9. Τιμές ισχύος για κοινά κανάλια [67]...175 Πίνακας 10. Μετατροπή Ec/Ior [db] σε ποσοστό εκπεμπόμενης ισχύος [%]...175 Πίνακας 11. Πίνακας Παραμέτρων για FACH κανάλι μεταφοράς...175 Πίνακας 12. Ποσοστό ισχύος κυψέλης για Case 2 (3Κm/h)...175 Πίνακας 13. Ποσοστό ισχύος κυψέλης για Vehicular A (3Κm/h)...175 Πίνακας 14. Ποσοστό ισχύος κυψέλης για Pedestrian B (3Κm/h)...175 Πίνακας 15. Απαιτούμενη ισχύς με και χωρίς soft combining Vehicular A...175 Πίνακας 16. Τιμές παραμέτρων της ανάλυσης...175 Πίνακας 17. Συγκεντρωτικός πίνακας αποτελεσμάτων ισχύος αφιερωμένων καναλιών στην περίπτωση πολλαπλών κελιών...175 Πίνακας 18. Σημείο εναλλαγής μεταξύ DCH και FACH καναλιών...175 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ XXIII

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Ε ΙΣΑΓΩΓΗ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα, ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του Mobile Broadband. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (pointto-multipoint data transmission). Η παρούσα διατριβή δομείται σε κεφάλαια ως εξής: Το Κεφάλαιο 2 κάνει μία εισαγωγική αναφορά στα συστήματα κινητής τηλεφωνίας και ειδικότερα στα κινητά δίκτυα τρίτης γενιάς. Γίνεται μία ιστορική αναδρομή και παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των προηγούμενων συστημάτων κινητής τηλεφωνίας. Επισημαίνονται οι ανάγκες που οδήγησαν στην τρίτη γενιά κινητών δικτύων. Τέλος, τα συστήματα τρίτης γενιάς περιγράφονται διεξοδικά και αναφέρονται τα βασικά πρότυπά τους. ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 27

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται το σύστημα UMTS. Πρόκειται για το σύστημα τρίτης γενιάς που έχει επικρατήσει στην Ευρώπη και σταδιακά επεκτείνεται στη Βόρεια Αμερική με αποτέλεσμα η τρίτη γενιά κυψελωτών κινητών συστημάτων να τείνει να ταυτιστεί με αυτό το σύστημα. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται τα χαρακτηριστικά, η δομή και η λειτουργία του συστήματος UMTS και στο εξής η διατριβή θα εστιάσει σε αυτή την τεχνολογία ως κύριο εκπρόσωπο των τεχνολογιών τρίτης γενιάς. Το Κεφάλαιο 4 είναι εξ ολοκλήρου αφιερωμένο στην υπηρεσία Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Για την ακρίβεια, περιγράφεται το είδος, οι βασικές αρχές καθώς και η αρχιτεκτονική αυτής της υπηρεσίας. Επίσης, αναφέρονται και αναλύονται οι φάσεις παροχής της υπηρεσίας MBMS. Τέλος, θίγονται ορισμένα ζητήματα ασφάλειας που σχετίζονται με την παροχή της συγκεκριμένης υπηρεσίας. Στο Κεφάλαιο 5 θα γίνει μια αναλυτική παρουσίαση της ερευνητικής περιοχής της μετάδοσης δεδομένων πραγματικού χρόνου σε δίκτυα κινητών επικοινωνιών. Επίσης, θα αναφερθούν λεπτομερειακά οι εργασίες οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής και θα παρουσιαστούν τα σημεία εκείνα τα οποία διαφοροποιούν τους μηχανισμούς που αναπτύχθηκαν στις εν λόγω εργασίες με τους μηχανισμούς που προτείνονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Το Κεφάλαιο 6 της διδακτορικής διατριβής αναφέρεται στη Unicast μετάδοση δεδομένων στο UMTS. Πρόκειται δηλαδή για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο ή διαφορετικά μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή (εντός του UMTS δικτύου ή από εξωτερικό PDN) προς έναν κινητό χρήστη. Το κεφάλαιο χωρίζεται σε τρεις βασικές ενότητες. Η πρώτη ενότητα έχει σαν κύριο θέμα την αξιολόγηση του UMTS σε περιβάλλον μικτής Internet κίνησης. Εξετάζεται λοιπόν κατά πόσο το σενάριο εκτέλεσης ταυτόχρονων εφαρμογών (πχ http, telnet, smtp, ftp) από έναν κινητό χρήστη είναι εφαρμόσιμο στο UMTS και ειδικότερα πάνω από το ίδιο κανάλι μεταφοράς. Η δεύτερη ενότητα επικεντρώνεται στην αξιολόγηση του μηχανισμού μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων του UMTS. Στόχος της συγκεκριμένης ενότητας είναι να διαπιστώσουμε κατά πόσο είναι εφικτό το σενάριο αξιοποίησης του διαθέσιμου εύρους ζώνης ενός καναλιού μεταφοράς για εφαρμογές πραγματικού χρόνου (όπως είναι η μετάδοση video) και για εφαρμογές που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο TCP. Τέλος, στο τρίτο μέρος του συγκεκριμένου κεφαλαίου προτείνεται ένας μηχανισμός μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων στο UMTS με δυνατότητα προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσής τους όταν οι δικτυακές συνθήκες το απαιτούν. Ο μηχανισμός βασίζεται στο ευρέως γνωστό πρωτόκολλο TCP Friendly Rate Control protocol, γνωστό και ως TFRC. Προτείνεται λοιπόν μια τροποποίηση του συγκεκριμένου πρωτοκόλλου, το οποίο κατά βάση χρησιμοποιείται στο Internet, ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί σε ασύρματα δίκτυα και συγκεκριμένα στο UMTS. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται ένας προτεινόμενος μηχανισμός για multicast μετάδοση δεδομένων στο UMTS. Για την ακρίβεια, αναλύεται η αρχιτεκτονική του μηχανισμού, ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η δρομολόγηση των πακέτων στο δίκτυο, ο τρόπος με τον οποίο ο μηχανισμός διαχειρίζεται την ομάδα των κινητών και τέλος ο τρόπος με τον οποίο ο μηχανισμός αντιμετωπίζει την κινητικότητα των χρηστών. Επιπλέον, περιγράφεται αναλυτικά το μοντέλο εξομοίωσης που ακολουθήθηκε προκειμένου να μελετηθεί και να αξιολογηθεί ο προτεινόμενος μηχανισμός. Πιο αναλυτικά, παρουσιάζεται ο εξομοιωτής που χρησιμοποιήθηκε ως βάση των πειραμάτων καθώς και οι επεκτάσεις που προστέθηκαν σε αυτόν προκειμένου να 28 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ μπορεί να εξομοιώσει με ακρίβεια τον προτεινόμενο μηχανισμό. Το κεφάλαιο κλείνει με τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από την εξομοίωση. Οι δύο παράμετροι που εξετάζονται είναι η αποδοτικότητα του multicast μηχανισμού μετάδοσης πακέτων καθώς και η ορθότητά του σε σενάρια κινητικότητας χρηστών όπου handovers και SRNS relocations διαδικασίες λαμβάνουν χώρα. Το Κεφάλαιο 8 της διδακτορικής διατριβής επικεντρώνεται στη παρουσίαση ενός αναλυτικού μοντέλου για την αξιολόγηση των τριών τεχνικών που υπάρχουν για τη μετάδοση δεδομένων στο UMTS από ένα σημείο προς μια ομάδα κινητών παραληπτών. Οι τεχνικές αυτές είναι η Broadcast τεχνική, η Multiple Unicast τεχνική και η Multicast τεχνική. Οι κύριες παράμετροι με βάση τις οποίες γίνεται η αξιολόγηση των παραπάνω τεχνικών είναι α) το κόστος αποστολής των πακέτων από τον αποστολέα στους παραλήπτες συμπεριλαμβανομένου και του κόστους για το paging των χρηστών και β) η τοπολογία του δικτύου. Με βάση λοιπόν το αναλυτικό μοντέλο αξιολογούμε τις τρεις τεχνικές ως προς: α) Το πλήθος των χρηστών που αποτελούν την ομάδα παραληπτών των δεδομένων, β) Τη διασπορά των χρηστών στο δίκτυο, γ) Το μέγεθος των προς αποστολή δεδομένων, δ) Την επίδραση που έχει κινητικότητα των χρηστών σε κάθε τεχνική, ε) Τη χρήση διαφορετικών καναλιών μεταφοράς δεδομένων στο ασύρματο κανάλι. Ειδικό βάρος κατά τη σχεδίαση του μοντέλου αξιολόγησης των τριών τεχνικών δίνεται στην εύρεση ενός πιθανοτικού μοντέλου της κατανομής των χρηστών μέσα στο δίκτυο. Στο Κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται τα βασικότερα χαρακτηρίστηκα του ελέγχου ισχύος κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στο UMTS. Η κυριαρχούσα άποψη για την υποστήριξη multicast μετάδοσης στο UTRAN είναι η χρησιμοποίηση των υπαρχόντων καναλιών μεταφοράς με μικρές διαφοροποιήσεις. Τα κανάλια μεταφοράς του UMTS που είναι διαθέσιμα στο downlink και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για multicast μετάδοση είναι το Dedicated Channel (DCH), το Forward Access Channel (FACH) και το High Speed - Downlink Shared Channel (HS-DSCH). Η κύρια απαίτηση είναι να γίνεται αποδοτική χρήση των πόρων του συστήματος. Αυτή η απαίτηση κατατάσσει τα κοινά κανάλια (FACH) ως την πρώτη επιλογή αφού πολλοί χρήστες μπορούν να μοιραστούν ταυτόχρονα τους ίδιους πόρους. Ωστόσο, αυτό εξαρτάται από τον αριθμό των χρηστών του multicast group, τον τύπο υπηρεσίας καθώς και από το QoS που μπορεί να διασφαλιστεί. Για το λόγο αυτό, όταν ο αριθμός των χρηστών που λαμβάνουν την MBMS υπηρεσία είναι μικρός είναι πιο αποδοτικό να χρησιμοποιηθούν αφιερωμένα κανάλια μεταφοράς (DCHs), ώστε να ελαχιστοποιηθεί η εκπεμπόμενη ισχύς από το Node B και η παρεμβολή (interference). Το σημαντικό ερώτημα λοιπόν που τίθεται στο σημείο αυτό είναι: ποιο είναι το σημείο εναλλαγής (switching point) μεταξύ αφιερωμένων (dedicated) και κοινών (common) καναλιών; Η εύρεση αυτού του σημείου εναλλαγής είναι το αντικείμενο του παρόντος κεφαλαίου της παρούσας διατριβής με κύριο στόχο πάντα την αποδοτικότερη χρήση των πόρων ισχύος του δικτύου. Στο Κεφάλαιο 10 παρουσιάζονται τα ανοιχτά θέματα που μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο μελλοντικής έρευνας στο συγκεκριμένο τομέα. Το Κεφάλαιο 11 παρουσιάζει τα συμπεράσματα τα οποία έχουν εξαχθεί κατά την διάρκεια εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής. Στο Παράρτημα I παρουσιάζονται η βιβλιογραφία και οι δικτυακοί τόποι που αναφέρονται στη διδακτορική διατριβή. Οι αναφορές στη βιβλιογραφία και τους δικτυακούς τόπους ενσωματώνονται στο κείμενο μέσα σε αγκύλες ([]). ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 29

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ Στο Παράρτημα IΙ παρουσιάζονται τα ακρωνύμια τα οποία χρησιμοποιούνται σε αυτή τη διδακτορική διατριβή για τη διευκόλυνση του αναγνώστη. Στο Παράρτημα IIΙ παρουσιάζεται το γλωσσάριο ξενικών όρων οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε αυτή τη διδακτορική διατριβή για τη διευκόλυνση του αναγνώστη. Τέλος, στο Παράρτημα IV παρουσιάζεται το ευρετήριο ορισμένων όρων οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε αυτή τη διδακτορική διατριβή για τη διευκόλυνση του αναγνώστη και τη γρήγορη αναζήτηση μέσα στο κείμενο. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι εργασίες που δημοσιεύτηκαν, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής σε περιοδικά και διεθνή συνέδρια. ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ ΣΕ ΠΕΡΙΟΔΙΚΑ [1] "Multicast in UMTS: Evaluation and Recommendations", A. Alexiou, C. Bouras, Accepted for publication in International Journal of Wireless Communications and Mobile Computing, Wiley InterScience, 2006 (In print) [2] "Scalable rate control for video transmission over UMTS ", A. Alexiou, V. Igglesis, C. Bouras, Accepted for publication in International Journal of Communication Systems, Wiley InterScience, 2006 (In print) [3] "Adaptive and reliable video transmission over UMTS for enhanced performance", A. Alexiou, D. Antonellis, C. Bouras, Accepted for publication in International Journal of Communication Systems, Wiley InterScience, 2006 (In print) ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ ΣΕ ΣΥΝΕΔΡΙΑ [1] "A Multicast Packet Forwarding Mechanism for WCDMA Networks using Routing Lists", A. Alexiou, A. Antonellis, C. Bouras, 2nd ACM Workshop on Wireless Multimedia Networking and Performance Modelling (WMuNeP 2006), Torremolinos, Malaga, Spain, 2-6 October 2006, pp. 27 34. [2] "An Efficient Multicast Packet Delivery Scheme for UMTS", A. Alexiou, A. Antonellis, C. Bouras, A. Papazois, The 9-th ACM/IEEE International Symposium on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems (MSWiM 2006), Torremolinos, Malaga, Spain, 2-6 October 2006, pp. 147 150. [3] "Supporting Group Communication in WCDMA Networks", A. Alexiou, D. Antonellis, C. Bouras, 11th IFIP International Conference on Personal Wireless Communications (PWC 2006), Albacete, Spain, 20-22 September 2006, pp. 13 24. 30 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ [4] "Evaluating Different One to Many Packet Delivery Schemes for UMTS", A. Alexiou, D. Antonellis, C. Bouras, 2006 IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (WoWMoM 2006), Niagara-Falls, Buffalo-NY, 26-29 June 2006, pp. 66 72. [5] "A Multicast Approach for UMTS: A Performance Study", A. Alexiou, D. Antonellis, C. Bouras, The 5th IFIP International Conference on Networking (Networking 2006), Coimbra, Portugal, May 15-19 2006, pp. 1086 1091. [6] "Equation Based Congestion Control for Video Transmission over WCDMA Networks", A. Alexiou, D. Antonellis, C. Bouras, The IEEE 20th International Conference on Advanced Information Networking and Applications (AINA 2006), Vienna, Austria, April 18-20 2006, pp. 445-450. [7] "Rate and Loss Control for Video Transmission over UMTS using Real-Time Protocols", A. Alexiou, C. Bouras, 13th Annual Meeting of the IEEE International Symposium on Modeling, Analysis, and Simulation of Computer and Telecommunication Systems (MASCOTS 2005), Georgia, Atlanta, September 26-29 2005, pp. 333 336. [8] "Multimedia Transmission over Third Generation Cellular Networks", A. Alexiou, C. Bouras, V. Igglesis, 10th IFIP International Conference on Personal Wireless Communications (PWC 2005), Colmar, France, August 25-27, 2005, pp. 317 324, ISBN 1-86094-582-1, Imperial College Press. [9] "A Decision Feedback Scheme for Multimedia Transmission Over 3G Mobile Networks", A. Alexiou, C. Bouras, V. Igglesis, Second IEEE and IFIP International Conference on Wireless and Optical Communications Networks (WOCN 2005), Dubai, United Arab Emirates UAE, March 6-8 2005, pp. 357 361. [10] "Performance Evaluation of TCP over UMTS Transport Channels", A. Alexiou, C. Bouras, V. Igglesis, 7th International Symposium on Communications Interworking (INTERWORKING 2004), Ottawa, Canada, November 29, 30 - December 1 2004 [11] "Performance Evaluation of UMTS for Mobile Internet Access", A. Alexiou, C. Bouras, V. Igglesis, 12th Annual Meeting of the IEEE / ACM International Symposium on Modeling, Analysis, and Simulation of Computer and Telecommunication Systems (MASCOTS 2004), Volendam, The Netherlands, October 4-7 2004, pp. 615 618. ΑΝΑΦΟΡΕΣ ΑΠΟ ΑΛΛΟΥΣ ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ "Performance Evaluation of TCP over UMTS Transport Channels", A. Alexiou, C. Bouras, V. Igglesis, 7th International Symposium on Communications Interworking (INTERWORKING 2004), Ottawa, Canada, November 29, 30 - December 1 2004 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 31

ΑΝΤΩΝΙΟΣ Γ. ΑΛΕΞΙΟΥ 1. "New Reno and SACK TCP implemented in UMTS networks; A performance analysis", J.P. van den Burg, 2nd Twente Student Conference on IT, Enschede, January 21 2005 2. "Design and Implementation of a BAN handover mechanism for M- Health Services", Master degree Thesis, Jan-Willem Brokamp, Department of Computer Science, University of Twente, The Netherlands, 2005. 3. "Performance of Different TCP Versions over UMTS Common/Dedicated channels" Master degree Thesis, Xavier Dubois, University of Namur, Belgium, 2005. 32 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Κ ΙΝΗΤΑ Δ ΙΚΤΥΑ Ε ΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 3 ΗΣ Γ ΕΝΙΑΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 3ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 3 ΗΣ ΓΕΝΙΑΣ Το κεφάλαιο αυτό κάνει μία εισαγωγική αναφορά στα συστήματα κινητής τηλεφωνίας και ειδικότερα στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς. Γίνεται μία ιστορική αναδρομή και παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των προηγούμενων συστημάτων κινητής τηλεφωνίας. Επιπλέον, επισημαίνονται οι ανάγκες που οδήγησαν στην τρίτη γενιά κινητών δικτύων. Τέλος, τα συστήματα τρίτης γενιάς περιγράφονται διεξοδικά και αναφέρονται τα βασικά πρότυπά τους. 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 2.1.1 Η 1 η Γενιά Κινητών Δικτύων Η πρώτη γενιά συστημάτων κυψελωτής κινητής τηλεφωνίας εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1980. Παρόλα αυτά, η συγκεκριμένη γενιά δεν αποτέλεσε το ξεκίνημα των κινητών τηλεπικοινωνιών. Αντίθετα από πιο πριν είχαν εμφανιστεί αρκετά συστήματα κινητών τηλεπικοινωνιών τα οποία όμως δεν είχαν τα χαρακτηριστικά των κινητών δικτύων με τον τρόπο που τα εννοούμε σήμερα. Το βασικότερο από αυτά τα χαρακτηριστικά είναι η κυψελωτή δομή του δικτύου. Τα πρώιμα αυτά δίκτυα είχαν περιορισμένες δυνατότητες σε σχέση με τα κυψελωτά. Επιπλέον, ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα ήταν η υποτυπώδης και προβληματική υποστήριξη της κινητικότητας των χρηστών. Στα κυψελωτά κινητά δίκτυα, που στο εξής θα αναφέρονται απλώς σαν κινητά δίκτυα, η περιοχή κάλυψης διαιρείται σε μικρά κελιά. Με αυτόν τον τρόπο οι ίδιες συχνότητες μπορούν να χρησιμοποιούνται πολλές φορές στο ίδιο δίκτυο χωρίς να δημιουργούνται έντονα φαινόμενα παρεμβολής. Επομένως, οι δυνατότητες του δικτύου αυξάνονται σημαντικά [77]. Η πρώτη γενιά χρησιμοποιούσε τεχνικές αναλογικής μετάδοσης για την κίνηση η οποία ήταν αποκλειστικά φωνή. Δεν υπήρξε κάποιο πρότυπο που να επικράτησε, αντίθετα υπήρξαν αρκετά πρότυπα όπως το Nordic Mobile Telephone (NMT), το Total Access Communication System (TACS) και το Advanced Mobile Phone Service (AMPS). Τα δύο πρώτα πρότυπα είχαν μία σχετική επιτυχία στις ευρωπαϊκές χώρες, ενώ το τρίτο ήταν το πιο διαδεδομένο στις Η.Π.Α. Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι παρόλο που σήμερα η εξέλιξη στις τηλεπικοινωνίες έχει εστιαστεί στα κινητά δίκτυα τρίτης γενιάς, υπάρχουν πολλά δίκτυα πρώτης γενιάς που εξακολουθούν να βρίσκονται σε λειτουργία. Βέβαια, στις χώρες όπου υπάρχει προχωρημένη υποδομή στις τηλεπικοινωνίες τα συστήματα αυτά έχουν εγκαταλειφθεί καθώς θεωρείται ότι σπαταλούν πολύτιμο φάσμα συχνοτήτων το οποίο τα σύγχρονα ψηφιακά κινητά δίκτυα επικοινωνιών εκμεταλλεύονται πιο αποδοτικά [67]. 2.1.2 Η 2 η Γενιά Κινητών Δικτύων Η δεύτερη γενιά κινητών δικτύων επικοινωνιών χρησιμοποιεί ψηφιακή μετάδοση της κίνησης. Αυτή είναι και η κύρια διαφοροποίηση μεταξύ των κινητών συστημάτων πρώτης και δεύτερης γενιάς: ο διαχωρισμός αναλογικού ψηφιακού. Τα δίκτυα ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΕ ΚΙΝΗΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 35