Τεχνικές αξιόπιστης μετάδοσης πολυεκπομπής σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών τέταρτης γενιάς

• Κύριος συγγραφέας: Κανάκης, Νικόλαος
• Άλλοι συγγραφείς: Μπούρας, Χρήστος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2016
• Θέματα: Κινητά δίκτυα επικοινωνιών; Διανομή πολυεκπομπής; Έλεγχος λαθών; Αλγόριθμοι άμεσης απόκρισης; Mobile networks; Multicast delivery; Forward error correction; Online algorithms; 621.384 56

Η επιτυχία των κινητών συστημάτων επικοινωνιών επόμενης γενιάς εξαρτάται από την ικανότητα παροχής νέων, ιδιαίτερα απαιτητικών πολυμεσικών υπηρεσιών, οι οποίες επιβάλλουν ισχυρούς περιορισμούς στη βασική αρχιτεκτονική μεταφοράς της πολυμεσικής πληροφορίας των κινητών δικτύων. Η παροχή αξιοπιστίας σε τέτοιου είδους υπηρεσίες αποτελεί ένα κρίσιμο τμήμα της αποδοτικής λειτουργίας τους. Η αντιμετώπιση των διαφορετικών απωλειών που παρουσιάζουν διαφορετικοί χρήστες, βασικό χαρακτηριστικό των ασύρματων καναλιών, μπορεί να αντιμετωπιστεί χρησιμοποιώντας κατάλληλες τεχνικές, όπως τον ευρέως χρησιμοποιούμενο μηχανισμό του Forward Error Correction (FEC) στο επίπεδο εφαρμογών. Οι πολυμεσικές εφαρμογές αποτελούν πλέον μία τυπική απαίτηση για τις επόμενες γενιές κινητών δικτύων επικοινωνιών. Διάφορα πρότυπα πολυμεσικής μετάδοσης πολυεκπομπής (βλ. MBMS, DVB-T, κ.ά.) παρέχουν διάφορα μέσα αποδοτικής χρήσης των πόρων ενός δικτύου για την broadcast/multicast μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε πολλαπλούς χρήστες. Για την υποστήριξη της αποδοτικής διανομής multicast περιεχομένου, οι διάφορες συμπράξεις προτυποποίησης ανά τον κόσμο (π.χ. 3rd Generation Partnership Project (3GPP)) προτείνουν τη χρήση ενός μηχανισμού FEC στο επίπεδο εφαρμογών (AL-FEC) και πιο συγκεκριμένα την εφαρμογή της προτυποποιημένης οικογένειας συστηματικών, fountain κωδίκων FEC με την ονομασία Raptor (Rapid Tornado). Το Forward Error Correction (FEC) είναι μία μέθοδος ελέγχου λαθών, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υποστηρίξει ή και να αντικαταστήσει άλλες μεθόδους που προσφέρουν αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων. Το κύριο χαρακτηριστικό των σχημάτων FEC είναι πως ο αποστολέας προσθέτει πλεονάζουσα πληροφορία στη μεταδιδόμενη πληροφορία προς τον παραλήπτη. Η πληροφορία αυτή, επιτρέπει στον παραλήπτη να ανακατασκευάσει τα πηγαία δεδομένα. Τέτοια σχήματα αναπόφευκτα προσθέτουν ένα σταθερό επιπλέον φόρτο (overhead) στα μεταδιδόμενα δεδομένα και είναι υπολογιστικά κοστοβόρα. Παρόλα αυτά, σε περιβάλλοντα multicast μετάδοσης, η χρήση FEC τεχνικών προσφέρει πολύ ισχυρά κίνητρα. Η διαδικασία της κωδικοποίησης περιορίζει σημαντικά την επίδραση των διαφορετικών απωλειών δεδομένων που παρουσιάζουν διαφορετικοί παραλήπτες. Το γεγονός αυτό καθιστά τέτοια σχήματα προστασίας ικανά να λειτουργήσουν κλιμακωτά και ανεξάρτητα από το ρυθμό απώλειας δεδομένων που εμφανίζει ο κάθε χρήστης. Επιπρόσθετα, η μεγάλη μείωση, που επιφέρουν οι τεχνικές FEC, στο ρυθμό απώλειας δεδομένων περιορίζει δραματικά την ανάγκη αποστολής ανάδρασης στον αποστολέα για την επαναποστολή δεδομένων. Συνεπώς, τα σχήματα FEC μπορούν πολύ απλά να προσφέρουν μία βασική απαίτηση των multicast κινητών υπηρεσιών, η οποία είναι η δυνατότητα κλιμάκωσης σε εφαρμογές με πολλούς χρήστες. Οι κώδικες Raptor, οι οποίοι αποτελούν μία επέκταση των κωδίκων LT, προτυποποιήθηκαν για να καλύψουν τις ανάγκες συμβατικών υλοποιήσεων σε διαφορετικά περιβάλλοντα για την αποδοτική μετάδοση δεδομένων πάνω σε ένα multicast δίκτυο. Οι κώδικες Raptor προσφέρουν βελτίωση στην αξιοπιστία της μετάδοσης, ενώ παράλληλα προσφέρουν ένα μεγάλο βαθμό ελευθερίας στην επιλογή των παραμέτρων της κωδικοποίησης. Οι κώδικες Raptor είναι κώδικες ροής (fountain codes), που σημαίνει πως μπορούν να παράγουν άμεσα όσα κωδικοποιημένα σύμβολα κι αν απαιτούνται από τα πηγαία σύμβολα ενός πηγαίου block δεδομένων. Ο αποκωδικοποιητής είναι ικανός να ανακτήσει το πηγαίο block από οποιοδήποτε σύνολο κωδικοποιημένων συμβόλων, ελαφρώς μεγαλύτερο ή ακόμα και ίσο σε πλήθος από το πλήθος των πηγαίων συμβόλων. Σαν αποτέλεσμα, οι κώδικες Raptor μπορούν να λειτουργούν πολύ κοντά σε έναν ιδανικό fountain κώδικα, ο οποίος θα απαιτούσε μόνο τον ακριβή αριθμό των πηγαίων συμβόλων για να ανακτήσει το μεταδιδόμενο αντικείμενο. Παρά την εξαιρετική απόδοση του FEC κώδικα Raptor, έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στο πεδίο των κωδίκων εξάλειψης λαθών από την περίοδο που υιοθετήθηκε και πρόσφατα εμφανίστηκε στον οργανισμό Internet Engineering Task Force (IETF), η εξέλιξη των κωδίκων Raptor, με την ονομασία RaptorQ. Η νέα αυτή έκδοση παρουσιάζει ιδιαίτερα βελτιωμένες επιδόσεις σε σχέση με τους κώδικες Raptor και αναμένεται η άμεση υιοθέτησή τους από τις συμπράξεις προτυποποίησης. Ένα βασικό σημείο τριβής στην εφαρμογή των μηχανισμών FEC είναι το ποσό του πλεονασμού που θα πρέπει να εισάγει μία multicast πηγή κατά τη FEC κωδικοποίηση ώστε να πετύχει την αποδοτική λειτουργία ενός τέτοιου μηχανισμού και να αντιμετωπίσει τις διαφορετικές απώλειες πακέτων που παρουσιάζουν διαφορετικοί χρήστες του δικτύου. Ιδιαίτερα σε multicast streaming περιβάλλοντα, όπου ο αποστολέας πρέπει να αποφασίσει εξ' αρχής το ποσό του πλεονασμού που θα μεταδώσει, έτσι ώστε κάθε FEC κωδικοποιημένο σύμβολο να μεταδίδεται μόνο μία φορά, η επιλογή της πλεονάζουσας πληροφορίας που θα εισαχθεί στη μετάδοση είναι μείζονος σημασίας. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η διερεύνηση της απόδοσης του AL-FEC σε multicast υπηρεσίες κινητών δικτύων επικοινωνιών καθώς και η μελέτη ενός πλαισίου πάνω στο οποίο θα μπορούσε να βασιστεί η αποδοτική εφαρμογή του AL-FEC με την ανάπτυξη και αξιολόγηση τεχνικών για την επίτευξη αυτού. Σύμφωνα με τα παραπάνω, αρχικά στην παρούσα εργασία μελετάμε την εφαρμογή των κωδίκων Raptor FEC στο επίπεδο εφαρμογών πάνω σε multicast υπηρεσίες κινητών δικτύων επικοινωνιών, διερευνώντας πως το ποσό της πλεονάζουσας πληροφορίας ποικίλλει σε πολλαπλούς χρήστες χρησιμοποιώντας ρεαλιστικά περιβάλλοντα προσομοίωσης. Επίσης, εξετάζουμε την απόδοση του Raptor AL-FEC για διάφορες διατάξεις του δικτύου ασύρματης πρόσβασης, διάφορα μοντέλα κινητικότητας των χρηστών καθώς και διάφορες παραμέτρους της FEC κωδικοποίησης. Πρόκειται ουσιαστικά για μία προσπάθεια να μελετηθεί αρχικά και να αξιολογηθεί η επίδραση της εφαρμογής του FEC πάνω σε multicast περιβάλλοντα ασύρματης μετάδοσης, όσον αφορά την επιτυχημένη μετάδοση ενός πολυμεσικού αντικειμένου καθώς και το πιο σημαντικό κομμάτι της αποδοτικής επιλογής των παραμέτρων εφαρμογής του μηχανισμού προστασίας FEC. Στη συνέχεια της εργασίας, προχωρούμε στη μελέτη και αξιολόγηση του νεότερου μέλους της οικογένειας των κωδίκων FEC Raptor με την ονομασία RaptorQ. Ερευνούμε και αξιολογούμε την επίδραση των εξαιρετικών ιδιοτήτων ανάκτησης που παρουσιάζει ο κώδικας RaptorQ και συγκρίνουμε τα οφέλη που εισάγει στην προστασία λαθών σε multicast περιβάλλοντα κινητών δικτύων επικοινωνιών σε σχέση με τον προκάτοχό του κώδικα Raptor. Στο επόμενο κομμάτι της παρούσας διδακτορικής διατριβής, το οποίο είναι αφιερωμένο στη διερεύνηση της αποδοτικής εφαρμογής του FEC, εισάγουμε ένα πλαίσιο υπό το οποίο μελετάται η απόδοση τεχικών εφαρμογής του FEC και ερευνούμε διάφορους αλγοριθμούς για την επίτευξη αυτού. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει η σημαντικότερη παράμετρος που καθορίζει την αποδοτική εφαρμογή του FEC είναι η επιλογή της τιμής του πλεονασμού που θα εισαχθεί στα μεταδιδόμενα δεδομένα. Όμως η συγκεκριμένη επιλογή δεν μπορεί να θεωρηθεί τετριμμένη καθώς, ο αποστολέας θα πρέπει να αποφασίσει άμεσα για τον πλεονασμό που θα εισάγει κατά την κατασκευή των FEC blocks χωρίς να γνωρίζει την επιτυχή ή μη λήψη της μεταδιδόμενης πληροφορίας σε πολλαπλούς παραλήπτες υπό διαφορετικές συνθήκες λήψης. Σύμφωνα με τα παραπάνω, θεωρούμε πως το πρόβλημα της αποδοτικής επιλογής του FEC πλεονασμού μπορεί να αναχθεί σε ένα προβλημα άμεσης απόκρισης και να αντιμετωπιστεί με το σχεδιασμό αλγορίθμων άμεσης απόκρισης. Γενικά, οι αλγόριθμοι άμεσης απόκρισης χρησιμοποιούνται για να αντιμετωπιστούν προβλήματα όπου η είσοδος δεν είναι εκ των προτέρων διαθέσιμη αλλά εμφανίζεται σταδιακά καθώς επίσης πολλές φορές ο αλγόριθμος πρέπει να λάβει μία απόφαση χωρίς να γνωρίζει την έκβαση ενός γεγονότος. Πολλές φορές, όταν η εφαρμογή ντετερμινιστικών λύσεων δεν μπορεί να βρει εφαρμογή η καλύτερη επιλογή είναι ένας πιθανοτικός αλγόριθμος άμεσης απόκρισης. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εισάγουμε και ορίζουμε το πρόβλημα άμεσης απόκρισης που αναφέρεται στην αποδοτική εφαρμογή της AL-FEC προστασίας, το οποίο ονομάσαμε online AL-FEC policy problem και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό και αξιολόγηση διαφόρων αλγορίθμων άμεσης απόκρισης. Επίσης, στα πλαίσια αυτού του προβλήματος άμεσης απόκρισης, έχουμε σχεδιάσει και προτείνει κάποιους αλγορίθμους άμεσης απόκρισης από έναν απλοϊκό πιθανοτικό αλγόριθμο έως και πιο εξελιγμένους ντετερμινιστικούς αλγορίθμους. Συνοψίζοντας, στην παρούσα διδακτορική διατριβή έχουμε μελετήσει την απόδοση των πιο διαδεδομένων AL-FEC κωδίκων, έχοντας εξάγει πολύτιμα συμπεράσματα για την αποδοτική εφαρμογή τους βάσει των ιδιοτήτων τους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτά, έχουμε ορίσει και εισάγει ένα πλαίσιο αναγωγής της αποδοτικής εφαρμογής της προστασίας AL-FEC σε πρόβλημα άμεσης απόκρισης το οποίο μπορεί να χρησιμοποιθεί για το σχεδιασμό και την αξιολόγηση αλγορίθμων εφαρμογής του AL-FEC. Τέλος έχουμε σχεδιάσει και προτείνει πιθανοτικούς και ντετερμινιστικούς αλγορίθμους άμεσης απόκρισης, βασιζόμενοι στις ιδιότητες των FEC κωδίκων Raptor, από την αξιολόγηση των οποίων έχουμε εξάγει συμπεράσματα για τις δυνατότητες καθώς και τα οφέλη που μπορεί να προσφέρει η εφαρμογή του FEC σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών.