Τεχνικές χρονοπρογραμματισμού σε ασύρματα δίκτυα εκπομπής: πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση διάδοσης πληροφορίας

Abstract

The present thesis studies the dissemination of information through wireless, push-based periodic broadcasting. Push-based schemes offer scalability, security and cost-efficiency advantages over their pull counterparts. In addition, the push paradigm inherently exploits the commonality in the preferences of the clients, which manifests more vividly as their number grows. Thus, the bandwidth requirements are minimized. However, push based systems typically achieve greater serving times than the corresponding pull based ones. Consequently, improving the service level constituted the sole target of the related research. The present thesis claims that the proposed improvements come at an excessive cost of implementation, deeming them unrealizable. The new research goal is to provide optimal service times for a given, predefined cost of implementation.The study begins by defining the determinant factors of the aggregate cost. Through metaheuristic experimentation it is concluded that the complexity of the scheduling process and the aggregate size of the produced schedule define the performance and the cost of a push-based system. Through novel analytical methods, the two quantities are connected in equation form. In addition, near-optimal, cost-effective scheduling processes are presented. These new tools enable the fine tuning of the system's operational point at any predefined combination of cost and efficiency.We proceed to enable the expression of the system's efficiency through the use of realistic quality metrics and psychometrics. A novel, generic framework is proposed, which allows for multiple, concurrent criteria of performance optimization, expressed in a wide variety of common formats.Finally, it is observed that the low cost of a push-based scheme may imply its integration to a greater system as a simple subprocess. Consequently, we study its interface with external data dissemination systems. The case of collaborative data dissemination in conjunction with ad hoc client networking schemes is studied in depth. It is shown that the modeling of the interfacing process as a pull-push balancing scheme enables the efficient optimization of the complete data dissemination process.Having performed a spherical study of the push-based paradigm, we attempt to redefine its role in the context of modern communications. Push-based broadcasting constitutes an excellent means for evaluating the prospects of a given information system, since it offers cost-effective, infinitely scalable, wide coverage. Based on the economic viability of the system, the dissemination paradigm can then evolve to a hybrid of purely pull-based scheme for improved service times.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την διάδοση πληροφορίας μέσω συστημάτων ασύρματης, περιοδικής προώθησης-εκπομπής. Τα συστήματα αυτά παρέχουν πλεονεκτήματα απεριόριστης κλιμάκωσης ως προς τον αριθμό των πελατών, απόλυτης ασφάλειας από κακόβουλες επιθέσεις και ιδιαίτερα χαμηλό κόστος υλοποίησης. Επιπλέον, το σχήμα προώθησης εκμεταλλεύεται άμεσα και αποδοτικά την ομοιότητα των προτιμήσεων των πελατών, ελαχιστοποιώντας τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης. Ωστόσο, η ποιότητα εξυπηρέτησης που παρέχουν υστερεί συνήθως ενός κλασικού συστήματος έλκυσης ιδίου κόστους. Για το λόγο αυτό, οι σχετικές έρευνες επικεντρώθηκαν αποκλειστικά στην βελτίωση της απόδοσης του συστήματος. Η παρούσα μελέτη εκκινεί από την παρατήρηση ότι η μονοδιάστατη προσπάθεια βελτίωσης του παρεχόμενου μέσου χρόνου εξυπηρέτησης αγνόησε το κόστος υλοποίησης των προτεινόμενων σχημάτων, σε βαθμό που τα καθιστά μη εφαρμόσιμα στην πράξη. Η υψηλή πολυπλοκότητα των προτεινόμενων λύσεων καθιστά ανωφελή τη χρήση του σχήματος προώθησης έναντι ενός αντίστοιχου κόστους σχήματος έλκυσης. Ως αποτέλεσμα, στόχος της διατριβής ορίζεται η βελτιστοποίηση της απόδοσης ενός σχήματος ασύρματης προώθησης, για κάθε δεδομένο κόστος υλοποίησης. Σε αρχικό στάδιο καθορίζονται οι παράγοντες που καθορίζουν το κόστος υλοποίησης του συστήματος. Μέσω ευριστικού πειραματισμού εξάγεται το συμπέρασμα πως η πολυπλοκότητα της διαδικασίας χρονοπρογραμματισμού εκπομπής και το μέγεθος του παραγόμενου προγράμματος καθορίζουν το συνολικό κόστος του σχήματος. Μέσω νέων μαθηματικών μεθόδων πραγματοποιείται αναλυτική σύνδεση του επιτυγχανόμενου μέσου χρόνου εξυπηρέτησης και του μεγέθους του προγράμματος εκπομπής. Επιπλέον, προτείνονται συμβατές διαδικασίες χρονοπρογραμματισμού χαμηλής πολυπλοκότητας. Τα αποτελέσματα αυτά επιτρέπουν τον καθορισμό του σημείο λειτουργίας του συστήματος σε έναν πλήρως ρυθμίσιμο, επιθυμητό συνδυασμό κόστους-απόδοσης. Στη συνέχεια, εξετάζεται η έκφραση της απόδοσης με χρήση συνθετότερων κριτηρίων ποιότητας υπηρεσίας. Προτείνονται σχήματα που επιτρέπουν την παράλληλη χρήση πολλαπλών κριτηρίων βελτιστοποίησης, τα οποία δύνανται να εκφραστούν με σύγχρονες μετρικές απόδοσης και ψυχομετρικές. Τέλος, παρατηρείται πως το χαμηλό κόστος υλοποίησης ενός σχήματος προώθησης ενδέχεται να συνεπάγεται την υλοποίησή του ως απλή υποδιεργασία ενός ολοκληρωμένου συστήματος. Για το λόγο αυτό μελετάται η διεπαφή του συστήματος με τρίτους μηχανισμούς διάδοσης πληροφορίας. Εξετάζεται ιδιαίτερα η σύνδεση με συστήματα συνεργατικής δικτύωσης πελατών σε αστικά περιβάλλοντα, όπου η χρήση προώθησης ενδείκνυται ιδιαίτερα, εξαιτίας του μεγάλου αριθμού πελατών. Επιδεικνύεται η αποδοτικότητα της μοντελοποίησης της συνεργασίας ως ένα υβριδικό σύστημα εξισορρόπησης έλκυσης-προώθησης και βελτιστοποιείται αναλυτικά ο διαμοιρασμός φόρτου στις δυο προσεγγίσεις.Έχοντας μελετήσει σφαιρικά τα συστήματα προώθησης, η παρούσα διατριβή ευελπιστεί να συνεισφέρει στην επαναοριοθέτηση τη χρησιμότητάς τους στις σύγχρονες επικοινωνίες. Η προώθηση δεδομένων αποδεικνύεται ως ένα άριστο μέσο διερεύνησης του πληροφοριακού ρόλου του διακινούμενου περιεχομένου. Στην πορεία της ζωής του, ένα σύστημα προώθησης μπορεί να εξελιχθεί σε αμιγή ή υβριδική έλκυση, αναλόγως της οικονομικής βιωσιμότητας του συνολικού συστήματος.