Μετρήσεις Χαρακτηρισμού και Μοντέλα Πρόβλεψης Ποιότητας Εμπειρίας (QoE) και Ποιότητας Υπηρεσιών (QoS) σε Σύγχρονα Ευρυζωνικά Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών

Abstract

Αντικείμενο μελέτης της διδακτορικής διατριβής είναι η θεωρητική και πειραματική έρευνα καινοτόμων μεθόδων και τεχνικών για τον χαρακτηρισμό και την πρόβλεψη της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών σε σύγχρονα συστήματα κινητών τηλεπικοινωνιών. Γίνεται μια εισαγωγή στις σύγχρονες αρχιτεκτονικές των δημόσιων επίγειων κινητών δικτύων επικοινωνιών και τις παρεχόμενες κινητές υπηρεσίες τηλεφωνίας, βιντεο-τηλεφωνίας, πολυμέσων και υπηρεσιών διαδικτύου όπως μεταφορά αρχείων, πλοήγηση στο διαδίκτυο και το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο. Αναλύονται κριτικά οι πολύ σημαντικοί δείκτες επίδοσης ποιότητας εμπειρίας χρήστη και ποιότητας υπηρεσιών δικτύου κινητών επικοινωνιών. Σε αυτό το σημείο αξίζει να τονίσουμε ότι για τον σκοπό της παρούσας έρευνας έγινε χρήση εξειδικευμένου εργαστηριακού εξοπλισμού και επιπλέον ότι διεξήχθησαν διεξοδικές επί το πεδίω (σε πραγματικά δίκτυα κινητών επικοινωνιών) μετρήσεις ποιότητας. Το κείμενο της διατριβής χωρίζεται σε δυο κύρια Μέρη: Στο Μέρος Ι, γίνεται μια εισαγωγή στα σύγχρονα δίκτυα κινητών επικοινωνιών GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA/LTE/LTE Adv. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι παρεχόμενες κινητές υπηρεσίες όπως η τηλεφωνία, η βιντεο-τηλεφωνία, οι υπηρεσίες πολυμέσων και βίντεο και οι υπηρεσίες κινητού διαδικτύου όπως η μεταφορά αρχείων χρήση πρωτοκόλλου FTP, η πλοήγηση σε ιστοσελίδες χρήσει πρωτοκόλου HTTP και η υπηρεσία ηλεκτρονικού ταχυδρομείου χρήσει πρωτοκόλλων SMTP/POP3/IMAP. Γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στις έννοιες εμπειρία αντιλαμβανόμενης από τον χρήστη, ποιότητα εμπειρίας χρήστη και ποιότητα υπηρεσιών συστήματος/δικτύου. Έτσι, παρουσιάζονται σύγχρονοι αλγόριθμοι αντικειμενικής και υποκειμενικής αξιολόγησης ποιότητας φωνής, βίντεο, πολυμέσων και εν γένει υπηρεσιών δεδομένων διαδικτύου. Ειδικά για τις υπηρεσίες διαδικτύου, παρουσιάζονται αναλυτικά μοντέλα επίδοσης για τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών. Στη συνέχεια, ορίζονται οι σημαντικοί δείκτες επίδοσης και σημειώνονται ειδικά θέματα συγκριτικής αξιολόγησης αυτών. Ως κεφάλαιο ιδιαίτερης σημασίας σε αυτό το τμήμα της διατριβής αποτελεί η περιγραφή του ειδικού και σύνθετου εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια της έρευνας καθώς και η επιλογή των σεναρίων μετρήσεων. Διεξήχθησαν πολυάριθμες καμπάνιες μετρήσεων τόσο για την αξιολόγηση ορθής λειτουργίας του εξοπλισμού όσο και για τον χαρακτηρισμό ποιότητας των εν λειτουργία δημόσιων δικτύων κινητών επικοινωνιών. Στο Μέρος ΙΙ, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης των δεδομένων μετρήσεων. Τα δεδομένα μετρήσεων που συλλέχθηκαν, αναλύθηκαν με προχωρημένες στατιστικές και υπολογιστικές μεθόδους αφού εισήχθησαν προηγουμένως σε σύνθετες γεωχρονικές βάσεις δεδομένων και προέκυψαν νέα μοντέλα. Η στατιστική ανάλυση των δεδομένων ενισχύθηκε με μεθόδους εύρωστης (αλεξιθόρυβης) βελτιστοποίησης. Πιο συγκεκριμένα προτείνονται προηγμένα μοντέλα πρόβλεψης ποιότητας βασισμένα σε μη γραμμική παλινδρόμηση. Επιπλέον, έγινε εφαρμογή σύγχρονων μεθόδων υπολογιστικής ευφυΐας και εξόρυξης γνώσης από δεδομένα μετρήσεων. Έτσι, προτείνονται μοντέλα πρόβλεψης ποιότητας με εφαρμογή αλγορίθμων κατηγοριοποίησης όπως δένδρα αποφάσεων, k-πλησιέστεροι γείτονες και τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Επιπρόσθετα, εξετάζεται η ασαφής λογική στην πρόβλεψη ποιότητας και προτείνονται μοντέλα βασισμένα σε συστήματα προσαρμοστικού νευροασαφούς συμπερασμού. Τα αποτελέσματα της έρευνας μπορούν να έχουν άμεση εφαρμογή στις διαδικασίες σχεδιασμού και βελτιστοποίησης ραδιοδικτύων πρόσβασης καθώς και να χρησιμοποιηθούν για τη συγκριτική αξιολόγηση επίδοσης των παρεχόμενων υπηρεσιών σε εν λειτουργία δημόσια δίκτυα κινητών επικοινωνιών. Στα πλαίσια της διατριβής εκπονήθηκε εκτεταμένη βιβλιογραφική έρευνα και ιδιαίτερα προτύπων, προδιαγραφών και συστάσεων από τους διεθνής τηλεπικοινωνιακούς οργανισμούς (ETSI, 3GPP, ITU-T/R, ECC) καθώς και σχετικών αποφάσεων ευρωπαϊκών και εθνικών ρυθμιστικών αρχών των τηλεπικοινωνιών. Τέλος, εξάχθηκαν ιδιαίτερα καινοτόμα αποτελέσματα που δημοσιεύτηκαν σε διεθνή περιοδικά και σε πρακτικά διεθνών συνεδρίων.

The objective of the present Ph.D thesis is to propose innovative theoretical and experimental methods and techniques for the characterization and the prediction of quality of modern services in mobile communication systems. There is an Introduction and brief description of the modern architecture of public land mobile communication networks and the mobile services that are provided such as telephony, video telephony, multimedia and Internet services e.g. file transfer, web browsing and e-mail. We present the Key Performance Indicators (KPIs) regarding the quality of user experience (QoE) and the quality of service (QoS). For the scope of our research we used special laboratory equipment and we have conducted extensive field (in real mobile networks) measurements of quality. The remaining of the thesis is divided into two main parts: Part I includes an Introduction to modern mobile communications networks (GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSPA/LTE/LTE Adv). Afterwards the provided services such as mobile telephony, video telephony, multimedia and video services as well as mobile internet using file transfer protocol, web browsing use using http protocol and e-mail service using SMTP/POP3/IMAP protocols are presented. We focus on experience as it is perceived by the user (User Experience, UX), quality of end-user experience (Quality of Experience, QoE), and service quality system / network (System QoS). Moreover, modern algorithms are presented regarding the objective and the subjective quality evaluation of voice, video, multimedia and data/Internet services in general. Especially for Internet services, we present analytical models of mobile network performance. Following, the Key Performance Indicators are defined and we mark specific issues such benchmarking. A chapter of utmost importance, in this first Part of the thesis, is the description of the special and complex measurement equipment that has been used in the research and the definition of the measurement scenarios. Numerous measurement campaigns have been conducted on the one hand for assessing the proper function of equipment and on the other hand to characterize the quality of service public mobile networks.} In Part II, the collected measurement data are fully analyzed. Firstly they have been introduced into complex geospatial-temporal measurements databases and afterwards advanced statistical and computational methods are used to analyze them for the derivation of new models. The statistical data analysis is strengthened by using robust optimization methods. Advanced quality prediction models based on nonlinear regression are obtained and proposed. Moreover, modern methods of computational intelligence and data mining have been applied to the measurement data and the application of categorization algorithms for prediction models such as decision trees, k-nearest neighbors and artificial neural networks are used. Fuzzy logic is also examined in order to predict quality of service and new models based on adaptive neuro fuzzy inference systems (ANFIS) are derived. These results can be directly adopted and used by telecommunication engineers for the radio network access planning, optimization and performance benchmarking of public land mobile networks. This thesis provides an extensive literature research on relative standards, specifications and recommendations by international telecommunications administrations (ETSI, 3GPP, ITU-T/R, ECC) and decisions of european and national telecommunications regulators and committees. Finally, the new results that have been obtained have been published in International Journals and in International Conference Proceedings