Μοντέλα επίδοσης των πρωτοκόλλων TCP/IP σε δορυφορικά και LMDS δίκτυα

Abstract

The main objective of this thesis is the performance evaluation of the TCP/IP protocol stack over satellite and LMDS networks. The research work presented in the following Chapters follows the international research community's efforts for the effective integration of all systems and services over one common network, which exploits the inherent and complementary advantages of heterogeneous systems in a synergy aiming at providing differentiated services to users. This trend is underlined by the specifications of the technical standards that have been developed over the last years for satellite and LMDS networks. Chapter 1 provides an overview of the topologies, architectures and technical standards for the examined systems emphasizing in the integration of IP services. In Chapter 2, the main propagation mechanisms affecting these networks are presented. The various phenomena are categorized based on whether they result from propagation in frequencies above the 10 GHz threshold or from the various system topologies and architectures. Emphasis is given on rain attenuation which is the main propagation mechanism exhibiting significant spatio-temporal inhomogeneity in frequencies above 10 GHz. In Chapter 3, a proposed modeling of the channel dynamic characteristics in satellite and LMDS systems based on a first-order DTMC is presented. The transition probabilities are calculated based on a physical modeling of the rain attenuation dynamics. The proposed methodology is validated by means of Information Theoretic metrics analysis and stochastic analysis. The Information Theoretic metrics analysis results provide indications concerning the accuracy of first-order channel modeling approaches, which is especially important not only for the proposed method, but for the development of similar models as well. The proposed method is used in Chapter 4 as the basis for the development of models aiming at accurately describing the PLR statistical properties over time-varying channels. Furthermore, a HARQ scheme is presented aiming at the QoS parameter satisfaction of differentiated IP service classes over wireless networks. In Chapter 5, two models are presented for the evaluation of the TCP performance for connections including satellite hops in the presence of excessive packet losses due to rain attenuation. The presented models evaluate the performance of the TCP Reno and TCP NewReno SACK protocol versions and both exploit information concerning the dynamic properties of the satellite channel under rain fading, which separates them from all other models proposed in the relevant literature. Finally, in Chapter 6 an AFEC scheme is presented aiming at maximizing TCP throughput over satellite links under rain fading. The proposed scheme is based on estimations of the PLR dynamic properties for the code rate selection. The performance of the proposed scheme is compared to that achieved by other schemes via appropriate simulation.

Βασικό αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη της επίδοσης των πρωτοκόλλων της στοίβας TCP/IP σε Δορυφορικά Δίκτυα και Δίκτυα LMDS. Η ερευνητική δουλειά που παρουσιάζεται στα Κεφάλαια της διατριβής συνάδει με την τάση των προσπαθειών της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας για ενσωμάτωση όλων των συστημάτων και υπηρεσιών πάνω από ένα κοινό δίκτυο, το οποίο θα αξιοποιεί τα εγγενή και αλληλοσυμπληρούμενα πλεονεκτήματα ετερογενών συστημάτων σε μια συνέργεια με σκοπό την παροχή διαφοροποιημένων υπηρεσιών στον τελικό χρήστη. Η τάση αυτή υποδηλώνεται και από τις προδιαγραφές των τεχνικών προτύπων που αναπτύχθηκαν κατά τα τελευταία χρόνια για τα Δορυφορικά και LMDS Δίκτυα. Το Κεφάλαιο 1 παρέχει μια επισκόπηση των τοπολογιών, αρχιτεκτονικών και τεχνικών προτύπων για τα υπό εξέταση συστήματα με ιδιαίτερη έμφαση στην ενσωμάτωση IP υπηρεσιών σε αυτά. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι βασικοί μηχανισμοί διάδοσης σε αυτά τα δίκτυα. Η κατηγοριοποίηση των φαινομένων γίνεται με κριτήριο το αν αυτά αφορούν τη διάδοση σε συχνότητες άνω των 10 GHz ή σχετίζονται με την τοπολογία και την αρχιτεκτονική των συστημάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην απόσβεση λόγω βροχής που αποτελεί τον κύριο μηχανισμό διάδοσης με σημαντική χωροχρονική ανομοιογένεια σε συχνότητες άνω των 10 GHz. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια προτεινόμενη μοντελοποίηση των δυναμικών χαρακτηριστικών του διαύλου σε Δορυφορικά και LMDS συστήματα βασισμένη σε DTMC πρώτης τάξης, της οποίας οι πιθανότητες μετάβασης υπολογίζονται βάσει φυσικής μοντελοποίησης των χρονικών χαρακτηριστικών της απόσβεσης λόγω βροχής. Η προτεινόμενη μεθοδολογία πιστοποιείται με χρήση Θεωρίας Αμοιβαίας Πληροφορίας και στοχαστικής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν με χρήση Θεωρίας Αμοιβαίας Πληροφορίας παρέχουν ενδείξεις για την ακρίβεια των προσεγγίσεων πρώτης τάξης στη μοντελοποίηση του διαύλου, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό όχι μόνο για την προτεινόμενη μεθοδολογία, αλλά γενικά για τη χρήση αντίστοιχων τεχνικών. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται στο Κεφάλαιο 4 για την ανάπτυξη μοντέλων με σκοπό την προσέγγιση των στατιστικών ιδιοτήτων του PLR σε δυναμικά μεταβαλλόμενους διαύλους. Επιπλέον, παρουσιάζεται ένα σχήμα HARQ για την ικανοποίηση των παραμέτρων QoS διαφορετικών IP υπηρεσιών σε ασύρματα δίκτυα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται δύο μοντέλα εκτίμησης της επίδοσης του TCP για συνδέσεις που περιλαμβάνουν δορυφορικές ζεύξεις όταν υπάρχουν εκτεταμένες απώλειες πακέτων εξαιτίας της απόσβεσης λόγω βροχής. Τα δύο μοντέλα αφορούν τις εκδόσεις TCP Reno και TCP NewReno SACK και αξιοποιούν πληροφορία για τις δυναμικές ιδιότητες του δορυφορικού διαύλου παρουσία διαλείψεων λόγω βροχής, γεγονός που τα διαφοροποιεί από άλλα μοντέλα της σχετικής βιβλιογραφίας. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται μια τεχνική AFEC που αποσκοπεί στη βελτιστοποίηση της TCP διέλευσης παρουσία διαλείψεων λόγω βροχής. Το προτεινόμενο σχήμα χρησιμοποιεί εκτιμήσεις των δυναμικών ιδιοτήτων του PLR για την επιλογή του ρυθμού κώδικα. Η επίδοση της προτεινόμενης τεχνικής συγκρίνεται με αυτή που επιτυγχάνουν άλλες προσεγγίσεις μέσω κατάλληλων προσομοιώσεων.