Μοντέλα διαστρωματικών αρχιτεκτονικών για την παροχή διατερματικής ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών στα ετερογενή ασύρματα δίκτυα τέταρτης γενιάς

Abstract

The rapid spread of cellular networks resulted in the emergence of new consumer needs and preferences, which combined with the penetration of Internet technologies, have led to the dissemination of a plethora of mobile devices such as smart phones, laptop computers, tablets, etc. At the same time, the inexpensive deployment coupled with the high bandwidth availability of IEEE 802.11 wireless local area networks led to their proliferation. Consequently, it quickly became apparent that in order to serve the growing needs of the public around telecommunications services, these two types of networks should be combined. Indeed, these networks have complementary characteristics, as cellular networks provide a greater range of coverage than local networks but at the cost of lower data rate and expensive equipment. The combination of these two types of networks to a new heterogeneous network is the subject of extensive research by both the scientic community and industry. The ultimate goal of such an integration is to achieve “anywhere, anytime and on any device” ubiquitous Internet access. In such a network, the mobile node should then be able to change its point of attachment as it roams, without any deterioration in the provided quality of services, regardless of the wireless technology that it uses. The process responsible for this purpose is the mobility management and with the advent of heterogeneous networks a substantial research eort has been devoted to its study. Its purpose is to achieve the integration of all wireless technologies into a universal architecture based on the Internet. At the same time, mobility management should manage with great speed and eciency the process of changing the mobile node’s point of attachment to the network, which is called handover. The design, implementation and deployment of wired networks that led to their integration over the Internet owes much to partition a communication system into abstraction layers according to the open systems interconnection reference model. In this approach, well-dened interfaces were created that restrict specic information within certain layers in which the other layers do not have access, limiting itself to specic services provided to them. Unfortunately, this approach is not ecient for wireless networks, especially in the case of the handover process, which in order to be rapid and eective requires synchronization of all the involved layers. This can only be achieved through a cross-layer architecture where information mainly from the link layer becomes available to the upper layers. In this thesis, the performance of the handover is studied in depth but in conjuction with multimedia applications, as this is the ultimate goal. This study uses cross-layer architectures for optimizing handover process, synchronizing it with the state of the link layer. We also studied, proposed and implemented an algorithm that orchestrates the whole process from the link layer to the application layer. At the same time, focusing on heterogeneous networks, we studied, proposed and implemented a mechanism for prioritizing dierent networks based on existing network conditions, in order to predict the quality of experience perceived by the mobile user and to make the choice of the optimal available solution. An important part of this thesis is that the implementation of these algorithms and mechanisms is not only limited to simulators but extended to a fourth generation network emulator within the scope of European research programme. These implementations were reviewed thoroughly by the European Commission for their performance, while the project itself was rated with honors.

Η ραγδαία εξάπλωση των κυψελοειδών δικτύων κινητής τηλεφωνίας είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων καταναλωτικών αναγκών και απαιτήσεων που σε συνδυασμό με τη διείσδυση των τεχνολογιών του διαδικτύου οδήγησε στη σημερινή πραγματικότητα της διάδοσης πληθώρας κινητών συσκευών όπως ευφυή κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, ταμπλέτες κ.α. Παράλληλα, εξαπλώθηκαν και τα ασύρματα τοπικά δίκτυα, λόγω του σημαντικού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων που υποστηρίζουν με ιδιαίτερα χαμηλό κόστος εξοπλισμού. Έγινε γρήγορα λοιπόν αντιληπτό, ότι για να εξυπηρετηθούν οι αυξανόμενες ανάγκες του κοινού γύρω από τις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες θα μπορούσαν να συνδυαστούν οι δύο αυτοί τύποι δικτύων. Μάλιστα, τα δίκτυα αυτά έχουν συμπληρωματικά χαρακτηριστικά, καθώς τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας έχουν μεγαλύτερο εύρος κάλυψης σε σχέση με τα τοπικά, αλλά με κόστος τον χαμηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων και τον ακριβό εξοπλισμό. Ο συνδυασμός αυτών των δύο τύπων δικτύων σε ένα νέο ετερογενές δίκτυο αποτελεί αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας, τόσο από την επιστημονική κοινότητα όσο και από τη βιομηχανία. Ο τελικός στόχος μιας τέτοιας ενοποίησης θα είναι και η συνεχής και αδιάλειπτη πρόσβαση στο διαδίκτυο. Σε ένα τέτοιο δίκτυο ο κινητός χρήστης θα πρέπει λοιπόν να μπορεί να αλλάζει σημείο πρόσβασης καθώς το διατρέχει, χωρίς να αντιλαμβάνεται διακοπές στην παρεχόμενη ποιότητα υπηρεσίας, ανεξαρτήτως της ασύρματης τεχνολογίας την οποία χρησιμοποιεί. Η διαδικασία η οποία είναι υπεύθυνη για αυτόν το σκοπό είναι η διαχείριση κινητικότητας και η μελέτη της έχει λάβει σημαντικό μέρος της ερευνητικής προσπάθειας με την έλευση των ετερογενών δικτύων. Σκοπός της είναι να επιτύχει την υλοποίηση της ενοποίησης όλων των δικτύων σε μια καθολική αρχιτεκτονική βασισμένη στο διαδίκτυο. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να διαχειρίζεται με ιδιαίτερη ταχύτητα και ευφυΐα και τη διαδικασία αλλαγής σημείου πρόσβασης, η οποία καλείται και μεταπομπή. Η σχεδίαση, υλοποίηση και εξάπλωση ενσύρματων δικτύων, που οδήγησε τελικώς στο διαδίκτυο μέσω της ενοποίησής τους, οφείλει πολλά στην κατηγοριοποίηση των λειτουργιών τους σε στρώματα σύμφωνα με το μοντέλο αναφοράς διασύνδεσης ανοικτών συστημάτων. Με τον τρόπο αυτό, δημιουργήθηκαν σαφώς ορισμένες διεπαφές, οι οποίες περιορίζουν συγκεκριμένες πληροφορίες εντός συγκεκριμένων στρωμάτων στις οποίες τα υπόλοιπα στρώματα δεν έχουν πρόσβαση, αρκούμενα στις υπηρεσίες που τους παρέχονται από τα γειτονικά στρώματα. Δυστυχώς, αυτή η προσέγγιση δεν είναι παραγωγική για τα ασύρματα δίκτυα και ιδιαίτερα στην περίπτωση της διαδικασίας της μεταπομπή, η οποία για να είναι ταχεία και αποδοτική απαιτεί τον συγχρονισμό όλων των εμπλεκομένων στρωμάτων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μόνο μέσω διαστρωματικών αρχιτεκτονικών, όπου πλήθος πληροφοριών κυρίως του στρώματος ζεύξης γίνονται διαθέσιμες στα ανώτερα στρώματα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται σε βάθος η απόδοση της μεταπομπής, αλλά υπό το πρίσμα των πολυμεσικών εφαρμογών, καθώς αυτό είναι και το τελικό ζητούμενο. Η μελέτη αυτή χρησιμοποιεί διαστρωματικές αρχιτεκτονικές για τη βελτιστοποίηση της μεταπομπής, συγχρονίζοντας τη με την κατάσταση του στρώματος ζεύξης. Μάλιστα, μελετάται, προτείνεται και υλοποιείται αλγόριθμος, ο οποίος ενορχηστρώνει τη διαδικασία από το στρώμα ζεύξης έως και το στρώμα εφαρμογής. Ταυτόχρονα, εστιάζοντας στα ετερογενή δίκτυα μελετάται, προτείνεται και υλοποιείται μηχανισμός ιεράρχησης των διαφόρων δικτύων βάσει των υφιστάμενων δικτυακών συνθηκών, με σκοπό να προβλεφθεί η ποιότητα της εμπειρίας του κινητού χρήστη και να γίνει τελικά η επιλογή της βέλτιστης λύσης. Σημαντικό στοιχείο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ότι η υλοποίηση των παραπάνω αλγορίθμων και μηχανισμών δεν περιορίζεται μόνο σε επίπεδο προσομοιώσεων αλλά επεκτείνεται και σε πρότυπο εξομοιωτή δικτύου τέταρτης γενιάς στα πλαίσια ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος. Οι υλοποιήσεις αυτές ελέγχθηκαν επισταμένως από την ευρωπαϊκή επιτροπή για την υψηλή τους απόδοση ενώ το ίδιο το έργο βαθμολογήθηκε με άριστα.