Ενσωμάτωση επίγειων συστημάτων ψηφιακής βιντεοεκπομπής (DVB-T) σε δίκτυα 4ης γενιάς

Abstract

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το πρόβλημα της ενσωμάτωσης των Συστημάτων Επίγειας Ψηφιακής Βιντεοεκπομπής (DVB-T) σε Δίκτυα 4ης Γενιάς, για την ισότιμη λειτουργία τους ως εναλλακτικά δίκτυα στην παροχή υπηρεσιών IP, με αυξημένες απαιτήσεις σε χωρητικότητα και άλλα ποιοτικά χαρακτηριστικά, όπως η καθυστέρηση μετάδοσης των δεδομένων. Έτσι, για την αντιμετώπιση του προβλήματος, αρχικά πραγματοποιείται μια εκτενής μελέτη της βιβλιογραφίας (Κεφάλαιο 2), σχετικά με:  την ερευνητική δραστηριότητα στον χώρο των Δικτύων 4ης Γενιάς, στην κατεύθυνση ενοποιημένης λειτουργίας και προσφοράς υπηρεσιών προς τους χρήστες,  αλλά και σε ότι αφορά τα συστήματα DVB-T και την προσπάθεια αξιοποίησης τους στο πλαίσιο της παροχής υπηρεσιών IP. Η διδακτορική διατριβή παρουσιάζει ουσιαστικά την πρώτη ολοκληρωμένη λύση για την ενσωμάτωση των συστημάτων DVB-T, η οποία εφαρμόζεται, υλοποιείται και αξιολογείται μέσω της δημιουργίας μιας πραγματικής πειραματικής πλατφόρμας, με αληθινά δίκτυα (DVB-T/GPRS/IEEE 802.11b). Αναλυτικότερα τα θέματα τα οποία μελετήθηκαν εμπεριστατωμένα αφορούν τις εξής ενότητες (Κεφάλαιο 3):  Ακριβής τοπολογία ενός πρωτότυπου Δικτύου 4ης Γενιάς με την χρήση συστημάτων DVB-T.  Δημιουργία ενός Προηγμένου Μηχανισμού Διαχείρισης της Κινητικότητας και Τερματικών με την δυνατότητα υποστήριξης και συστημάτων DVB-T, στα πλαίσια των Δικτύων 4ης Γενιάς.  Αναβάθμιση της Διαχειριστικής Οντότητας των συστημάτων DVB-T με την δυνατότητα παρακολούθησης και αναγνώρισης καταστάσεων συμφόρησης, για την περίπτωση ταυτόχρονης προσφοράς υπηρεσιών IP και υπηρεσιών τηλεόρασης. Τονίζεται ιδιαίτερα, ότι οι επεμβάσεις που προτείνονται επηρεάζουν ελάχιστα τον τρόπο λειτουργίας των συστημάτων DVB-T, ιδιαίτερα για την περίπτωση της ταυτόχρονης προσφοράς και τηλεοπτικών υπηρεσιών. Επιπλέον μετά την φάση του σχεδιασμού και της υλοποίησης πραγματοποιήθηκε η αξιολόγηση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, μέσω μιας σειράς πειραματικών μετρήσεων σε επίπεδο συστήματος (system level) και εκτέλεσης ρεαλιστικών σεναρίων λειτουργίας. H πιστοποίηση της ικανότητας της πλατφόρμας, μετά την ενσωμάτωση του DVB-T, για την υποστήριξη υψηλού επιπέδου ποιότητας υπηρεσιών IP, τόσο αυτών που υλοποιούνται μέσω του πρωτόκολλο TCP (π.χ. web-browsing, μεταφορά αρχείων, e-mail κτλ.), όσο αυτών που στηρίζονται στο πρωτόκολλο UDP, με πιο χαρακτηριστική την υπηρεσίας βιντεοροής (video streaming), στηρίχθηκε στην χρήση επιστημονικών εργαλείων αλλά και στην διεξαγωγή ρεαλιστικών σεναρίων λειτουργίας, όπως η αντιμετώπιση καταστάσεων κυκλοφοριακής συμφόρησης και απώλειας της ραδιοκάλυψης (Κεφάλαιο 4). Στην συνέχεια η διατριβή επικεντρώθηκε στον πολύ σημαντικό ρόλο που θα διαδραματίσουν οι διαδικασίες RRM (Radio Resource Management), στην πορεία υλοποίησης της ενσωμάτωσης των συστημάτων DVB-T σε περιβάλλοντα Δικτύων 4ης Γενιάς. Πιο συγκεκριμένα εξετάσθηκε το πρόβλημα Διαχείρισης Πόρων σε πολλαπλά συστήματα DVB-T, αποκλειστικής παροχής υπηρεσιών IP, με αρχιτεκτονική SFN (Single Frequency Networks) (Κεφάλαιο 5). Το σετ των προβλημάτων που συνθέτουν τις διαδικασίες RRM στα συστήματα IP-enabled DVB-T, τα οποία οργανώνονται μέσω της SFN αρχιτεκτονικής συνοψίζονται στις εξής κατηγορίες :  Προσδιορισμός του αριθμού και των σημείων ανάπτυξης (sites) των απαιτούμενων πομπών (transmitters) των δικτύων SFN, με σκοπό την κάλυψη των αναγκών της Περιοχής Εξυπηρέτησης σε χωρητικότητα και επίπεδο λαμβανόμενου σήματος.  Καθορισμός της συχνότητας λειτουργίας ανά SFN, με στόχο την μεγιστοποίηση του παράγοντα επαναχρησιμοποίησης και ελαχιστοποίηση του επιπέδου παρεμβολών.  Προσδιορισμός των επιπέδων εκπεμπόμενης ενέργειας σε κάθε πομπό ανά δίκτυο SFN.  Ανάθεση των χρηστών στο κατάλληλο SFN με στόχο την εξυπηρέτηση των αιτούμενων υπηρεσιών τους. Οι λύσεις που θα προκύψουν θα πρέπει να στοχεύουν στην ανάθεση όλων των χρηστών σε ένα SFN και να ικανοποιούν τους ακόλουθους περιορισμούς :  Ικανοποιητικό επίπεδο σήματος για κάθε χρήστη.  Η διαδικασία ανάθεσης των χρηστών σε κάθε SFN δεν θα πρέπει να οδηγήσει σε υπέρβαση της μέγιστης χωρητικότητας του, όπως αυτή προσδιορίζεται από τις παραμέτρους μετάδοσης του σήματος DVB-T.  Τέλος, για κάθε ενεργό πομπό δεν θα πρέπει να υπερβούμε την μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή ισχύος. Ως βασικός στόχος παραμένει η βελτιστοποίηση των χρησιμοποιούμενων πόρων, ταυτόχρονα με την ικανοποίηση των χρηστών. Πιο συγκεκριμένα, απαιτείται:  Η ελαχιστοποίηση του αριθμού των SFNs που χρησιμοποιούνται.  Η ελαχιστοποίηση του αριθμού των διαφορετικών συχνοτήτων που ανατίθενται στα SFNs.  Η ελαχιστοποίηση της εκπεμπόμενης ενέργειας αλλά και του συνολικού αριθμού των πομπών που χρησιμοποιούνται κατά την διάρκεια της ανάπτυξης των SFNs. Τόσο η ανάθεση συχνοτήτων αλλά και ο καταμερισμός των χρηστών στα διάφορα SFN, αποτελούν δύο αλληλένδετα προβλήματα, τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των NP-complete προβλημάτων (frequency assignment, bin packing). Επομένως στην πορεία επίλυσης του πιο πάνω προβλήματος δημιουργήθηκε ένας «έξυπνος» αλγόριθμος ο οποίος κατατάσσεται στην κατηγορία των «greedy-άπληστων» ευριστικών αλγορίθμων και αξιολογήθηκε με την χρήση προσομοίωσης (Κεφάλαιο 6). Ανάμεσα στα δεδομένα εξόδου του αλγορίθμου, περιλαμβάνονται οι ακριβείς θέσεις και τα επίπεδα εκπεμπόμενης ενέργειας των πομπών που συνθέτουν τα δίκτυα DVB-T και η συχνότητα λειτουργίας τους, με στόχο πάντα την κάλυψη των απαιτήσεων σε χωρητικότητα, στην Περιοχή Εξυπηρέτησης που αναπτύσσονται. Η απόδοση του αλγορίθμου, σε σχέση με τον απαιτούμενο αριθμό των δικτύων DVB-T, πλησίαζε σχεδόν, για τις περισσότερες περιπτώσεις, την κατώτατο θεωρητικό όριο, ενώ η ταχύτητα εκτέλεσης του ήταν της τάξης των μερικών δευτερολέπτων, καθιστώντας τον άκρως ελκυστικό για την χρησιμοποίηση του στην υλοποίηση διαχειριστικών συστημάτων για τα δίκτυα DVB-T. Τέλος, στο κεφάλαιο 7, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής καθώς και θέματα προς περαιτέρω διερεύνηση.

The subject of the thesis concerns the incorporation of the Terrestrial Digital Video Broadcasting Systems, known as DVB-T Systems, into the upcoming 4th Generation Wireless Networks. Taking into account that the need for broadband wireless access becomes all the more intense, especially in relation to multimedia services (e.g., video streaming), DVB-T (the terrestrial specication of the DVB family) appears as an attractive access technology to be investigated in the heterogeneous wireless context as an alternative access network and plays a key role in absorbing high rate traffic from other wireless segments. For the problem confrontation, initially an extensive bibliographical research is performed for the two major topics of the thesis (content of Chapter 2). More specific:  It is investigated the research activity on the area of 4th Generation Networks, in the direction of unified operation and common service provision through diverse wireless technologies.  Also, it is extensively examined other research efforts in the context of enabling DVB-T networks with the ability to offer IP services. The current thesis presents the first complete answer for the DVB-T Systems’ incorporation into a prototype 4G environment, which is materialized through the use of a real experimental platform, where actual wireless networks are cooperating, namely DVB-T, GPRS and IEEE 802.11b WLANs. The issues that were comprehensively studied and presented inside chapter 3 were concerning:  The detailed network topology of the prototype 4th Generation Network environment, with the usage also of the DVB-T Systems.  The insertion of an Enhanced Mobility and Terminal Management Mechanism, with the ability to support DVB-T Systems and terminals.  The creation and upgrade of DVB-T Management Entity with functionalities such as traffic monitoring, traffic congestion situation identification, during both IP and TV services provision. It is highlighted that the set of interventions proposed, for the encompassing of DVB-T systems inside 4G Networks, was aiming to keep the functional layout of each individual network as close as possible to the original form. Afterwards, after the design and implementation phase, a set of experiments were conducted in an attempt to evaluate the experimental platform’s performance, both in system and user level (content of Chapter 4). The certification of the effectiveness of DVB-T systems to enhance and support both TCP-based (email, web browsing etc.) and UDP-based (video streaming etc.) services in a high level of quality, was performed with the employment of scientific measurement tools and through realistic operational scenarios, such as traffic congestion and radio loss coverage situations. Continuing, the thesis concentrates on the very important role that Radio Resource Management (RRM) policies and strategies play during the realization of the DVB-T systems inclusion into 4G environments. More specific, the RRM problem of multiple IP-enabled DVB-T systems, with SFN (Single Frequency Networks) architecture was examined (content of Chapter 5). The set of sub-problems that comprise the RRM strategies inside IP-enabled DVB-T systems, with SFN architecture, in the context of 4G Networks are the following:  The definition of the required number of SFNs and their transmitters’ exact position inside the Service Area, for fulfilling the users’ needs both in terms of capacity and signal level perception.  The frequency assignment problem for each defined SFN, aiming to the maximization of the reuse factor.  The power levels fixation for each transmitter per SFN.  The users’ assignment to the proper SFN in order to access the demanded IP services. The solutions that will arise for each of the previously described problems should not violate the following constraints:  Satisfactory signal level for each user, inside the service area.  The users’ assignment at SFNs should not lead to the violation of the max capacity supported by the SFN and defined by the encoding and transmission parameters.  Each transmitter is not allowed to emit power more than a certain max limit. Primary goal remains the minimization of networks resources usage, while satisfying the users’ needs. Specifically:  Minimization of the number of SNFs deployed  Minimization of the different frequencies used  Minimization of the total emitted power from the SFNs’ transmitters. Both frequency assignment and users allocation to the SFNs, consist two interdependent problems that belong to the NP-Complete class of problems, as it is proved (frequency assignment, bin packing). Concequently in the cource of solving this problem we created an “intelligent” algorithm, which classified as a greedy, heuristic algorithm. The proposed algorithm was evaluated through simulation (content of Chapter 6). The produced results included among other data for the exact number of SFNs and their transmitters location and power operational levels, as well as the users assigned to them. The performance of the algorithm, as concerns the number of the needed SFNs approximates the lower theoretical bound for most of the cases, while it exhibits a high frequency reuse factor. Also, the execution time of the algorithm is a few seconds for rather large scenarios, a characteristic that renders it quite attractive for the implementation of DVB-T management systems. Finally, Chapter 7 summarizes the thesis innovative points and indicates some open issues for further research