Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της μετάδοσης δεδομένων πάνω από Κινητά Δίκτυα 3ης Γενιάς και συγκεκριμένα του δικτύου UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems). Την τελευταία δεκαετία τόσο η Κυψελωτή Κινητή Τηλεφωνία όσο και το Διαδίκτυο έχουν γνωρίσει τρομακτική εξάπλωση παγκοσμίως. Η ανάγκη του ανθρώπου για κινητικότητα από τη μια, και η ανάγκη για πρόσβαση σε πληροφορία και υπηρεσίες από την άλλη, οδήγησε στη σύγκλιση των δυο παραπάνω «κόσμων» μέσα από τα Κινητά Δίκτυα 3ης Γενιάς. Το δίκτυο UMTS, οδηγείται προς τη φιλοσοφία ενός all-IP δικτύου, που επιτρέπει πρόσβαση υψηλών ταχυτήτων στο Διαδίκτυο. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται αναλυτικά η αρχιτεκτονική και λειτουργική δομή του UMTS δίκτυο, ξεκινώντας από τα γενικά χαρακτηριστικά του, σε ότι αφορά το χρησιμοποιούμενο φάσμα, την αξιοποίηση του διατιθέμενου εύρους ζώνης και τη δομή των κυψελών του UMTS. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του δικτύου, με αναφορά στον εξοπλισμό του χρήστη, το Δίκτυο Επίγειας Ασύρματης Πρόσβασης (UTRAN) και το Δίκτυο Κορμού (Core Network), ενώ παρουσιάζονται και τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας και επιπέδου χρήστη εντός του UMTS. Στη συνέχεια η εργασία ασχολείται με το θέμα της παροχής Ποιότητας Υπηρεσίας (Quality of Service – QoS) στο δίκτυο UMTS. Παρουσιάζονται οι τάξεις QoS και τα χαρακτηριστικά τους στο UMTS, και οι παράμετροι που αυτές παίρνουν για συγκεκριμένες υπηρεσίες (φωνή, video, εφαρμογές ροής πολυμέσων κτλ.). Παράλληλα με την Ποιότητα Υπηρεσίας, παρουσιάζεται και η υπηρεσία MBMS (Multimedia Broadcast / Multicast Service) που έχει σχεδιαστεί για το UMTS δίκτυο και αναλύεται η δομή και ο τρόπος υλοποίησης των λειτουργιών της, οι διαδικασίες υπηρεσιών MBMS, οι παράμετροι που αυτή παίρνει και γίνεται και ανάλυση των επιμέρους λειτουργιών της. Το δεύτερο μέρος της εργασίας αφορά την πειραματική αξιολόγηση του δικτύου UMTS στον εξομοιωτή ns-2, σε ότι αφορά τη μετάδοση διαφορετικών ειδών κίνησης και την αποτελεσματικότητα των διαφορετικών πρωτοκόλλων. Αρχικά περιγράφεται ο τρόπος παραγωγής κίνησης για τον εξομοιωτή και των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν προς την κατεύθυνση αυτή. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραμάτων για την απόδοση του πρωτοκόλλου TCP πάνω από το δίκτυο UMTS, και παρουσιάζονται τα προβλήματα που προκύπτουν στη χρήση του πρωτοκόλλου αυτού, κυρίως λόγο του υψηλού bit error rate που παρουσιάζεται στο ασύρματο κανάλι. Μελετώνται σενάρια χρήσης που χρησιμοποιούν τόσο UMTS DCH (Dedicated Channels), όσο και HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) μεταδόσεις. Με σκοπό τη μελέτη της μετάδοσης και πολυμεσικού περιεχομένου πάνω από το UMTS, έγιναν αντίστοιχα πειράματα στον εξομοιωτή και διαπιστώθηκε η δυνατότητα του UMTS να εγγυηθεί τις διαφορετικές απαιτήσεις αυτού του είδους κίνησης (κυρίως σε ότι αφορά την καθυστέρηση των πακέτων) και τη «φιλική» προς το TCP πρωτόκολλο συνύπαρξη στο δίκτυο. Τέλος, στη διπλωματική αυτή εργασία προτείνεται ένα σχήμα, για την ανάπτυξη ενός συστήματος μετάδοσης πολυμεσικού περιεχομένου πάνω από UMTS, το οποίο λαμβάνει υπόψη του την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου και προσαρμόζει τη ροή των πολυμεσικών δεδομένων σε αυτή. / The purpose of this dissertation is to study data transmission using Third Generation (3G) Mobile Networks and in particular using the Universal Mobile Telecommunications Systems (UMTS) network. Over the last decade, Cellular Mobile Telephony and Internet have spread rapidly worldwide. The need for mobility on the one side and on the other side the need for access to information and services, led to the convergence of the two worlds using Third Generation Mobile Networks. The UMTS network is slowly becoming an all-IP network that allows high speed data Internet connection. This dissertation discusses the UMTS network’s architectural and functional framework starting from the general characteristics of the available bandwidth and the UMTS cells’ structure. The architectural design of the network is presented next with respect to the user’s equipment, the Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) and the Core Network, followed by the signaling protocol and the user level within UMTS. After that, the dissertation covers Quality of Service (QoS) issues while using the UMTS network. The two QoS groups are presented along with their UMTS characteristics, and certain parameters for specific services (such as voice, video, multimedia streaming applications, etc.). In addition, the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) is discussed. MBMS is a service designed for the UMTS network and the procedure and services of its functionality are being analysed. The second part of this dissertation deals with the experimental evaluation of the UMTS network in the ns-2 simulator, regarding the transmission of different types of traffic and the efficiency of the different protocols. The method of the traffic generation is being discussed at first, along with the implemented modules. Following that, the results from the experiments on TCP protocol performance over the UMTS air interface are being presented and some issues that raise up due to the high bit error rate that occur in the wireless channel are being discussed. In this case, we study the performance of both UMTS Dedicated Channels (DCH) and the High Speed Downlink Packet Access) transmissions. In order to study the transmission of multimedia content over the UMTS, some experiments took place, and showed that UMTS is able of guaranteeing the different requirements of this type of traffic, especially regarding the packets’ time delays and the friendly behavior against the TCP protocol, when coexisting in the network traffic load. Finally, this dissertation proposes a scheme for developing a multimedia content transmission system over UMTS, which takes into consideration the current state of the network and adapts the multimedia data stream to these conditions.

Ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία. Στη ραγδαία εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας παράλληλα πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) – UMTS γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία HSPA. Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3GPP ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Κατά συνέπεια, η αγορά κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη του αποκαλούμενου «Mobile Broadband». Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής δεδομένων (multicasting) στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η MBMS υπηρεσία έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Το κρισιμότερο σημείο που εντοπίζεται κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι ο αποτελεσματικός έλεγχος ισχύος. Οι σταθμοί βάσης των κυψελωτών αυτών δικτύων διαθέτουν περιορισμένους πόρους ισχύος (άρα και περιορισμένη χωρητικότητα κυψέλης), γεγονός που επιβάλλει τη χρήση μίας βέλτιστης στρατηγικής για την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος στοχεύει στη μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος, στην ελαχιστοποίηση του θορύβου στο κυψελωτό δίκτυο και κατά συνέπεια στη διασφάλιση μεγαλύτερης χωρητικότητας επιπλέον χρηστών. Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς κατά τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων αποτελεί η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς για τη μετάδοση των δεδομένων από τον κόμβο RNC στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS στάνταρ έχει αναπτυχθεί ένας μηχανισμός που αποκαλείται Counting Mechanism. Ο στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UTRAN (διεπαφές Iub και Uu). Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα του υπάρχοντος Counting Mechanism είναι η απουσία ευρυζωνικών χαρακτηριστικών καθώς και η σπατάλη σημαντικού τμήματος των (ούτως ή άλλως περιορισμένων) πόρων ισχύος. Εν γένει, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των πολυμεσικών δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Γίνεται σαφές, λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση του υπάρχοντος Counting Mechanism για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων για τη βελτιστοποίηση του Counting Mechanism. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της μεταπτυχιακής αυτής εργασίας είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSDPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Η MBMS υπηρεσία μέχρι τώρα βασίζεται στη λειτουργικότητα των υπαρχόντων UMTS δικτύων. Ο συνδυασμός των δύο αυτών προτύπων, δηλαδή του MBMS και του HSDPA, υπόσχεται τόσο την παροχή ευρυζωνικών πολυμεσικών δεδομένων σε μεγάλο πλήθος κινητών χρηστών όσο και τη βέλτιστη επίτευξη ελέγχου ισχύος. Προς αυτή την κατεύθυνση, θα πραγματοποιηθεί ανάλυση όλων των υπαρχόντων καναλιών μεταφοράς του UMTS καθώς και της τεχνολογίας HSDPA και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed–Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, και κατά συνέπεια με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν, την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη, τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της κυψέλης κ.α. Επίσης, αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η εύρεση ενός κατάλληλου σημείου εναλλαγής μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Θα διερευνηθούν τεχνικές μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος και θα προταθούν νέες παραλλαγές του Counting Mechanism με ανώτερα χαρακτηριστικά διαχείρισης και κατανομής πόρων ισχύος. Οι νέοι αυτοί μηχανισμοί υπόσχονται βελτιωμένη απόδοση, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών. Τέλος, θα διερευνηθούν και νέες, πιο αποδοτικές τεχνικές για τη μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων στα μελλοντικά δίκτυα LTE. Στην περίπτωση αυτή λαμβάνονται υπόψιν όλες οι βασικές τεχνικές μετάδοσης δεδομένων όπως τα MIMO κεραιοσυστήματα. / Due to rapid growth of mobile communications technology, the demand for wireless multimedia communications thrives in today’s consumer and corporate market. The need to evolve multimedia applications and services is at a critical point given the proliferation and integration of wireless systems. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide highspeed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. High Speed Packet Access (HSPA) constitutes a significant step towards the so-called Mobile Broadband. HSPA supports both downlink and uplink communication through the HSDPA and HSUPA channels, respectively. HSPA promises the provision of enhanced end-users’ experience with a wide range of novel, interactive applications, faster performance and reduced delays. Furthermore, from the operators’ prism, HSPA ensures improved network performance, increased capacity and higher coverage. Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) is a novel framework, extending the existing UMTS infrastructure that constitutes a significant step towards the so-called Mobile Broadband. MBMS is intended to efficiently use network and radio resources, both in the core network and, most importantly, in the air interface of UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), where the bottleneck is placed to a large group of users. Actually, MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. MBMS is an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia and application services such as IP Video Conferencing, Streaming Video by supporting both broadcast and multicast transmission modes. Long Term Evolution (LTE) will stretch the performance of 3G systems with improved coverage and system capacity, as well as increased data rates and reduced latency. LTE also provides a tight integration between unicast and multicast/broadcast MBMS transport bearers. Moreover, it also takes 3G-MBMS one step further to provide highly efficient multi-cell broadcast. By transmitting not only identical signals from multiple cell sites (with identical coding and modulation), but also synchronize the transmission timing between cells, the signal at the mobile terminal will appear exactly as a signal transmitted from a single cell site and subject to multi-path propagation. There is a growing demand for wireless data applications, which although face low penetration today, are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a ‘killer’ application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of some indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. However, increased improvements have to be made both in the uplink and downlink transmission and in better radio resource management, in order to meet future demands and provide rich multimedia services to large users’ population. In addition, several obstacles, mainly regarding the interoperability and ubiquitous access between different access technologies and services, have to be overcome (thus leading to 4G). The main target of this dissertation is the study of power control issues, the development and the performance evaluation of an efficient power scheme for the provision of broadband, multicast services and applications to mobile users. This will be effectively implemented through the efficient use of MBMS and HSPA technologies in both 3G and its evolution LTE. An important aspect of this work is the investigation of the selection of the most efficient radio bearer for the transmission of MBMS multicast data. MBMS services can be provided in each cell by either multiple Point to Point (PTP) channels or by a single Point to Multipoint (PTM) channel. PTM transmission uses a single channel reaching down to the cell edge, which conveys identical traffic. On the other hand, PTP transmission uses dedicated channel allocated to each user, which conveys identical content. Obviously, a decision has to be made on the threshold between these two approaches. Therefore, improvements of the currently existing Counting Mechanism in MBMS will be studied. Although relative research work in this field considers the need for a power-based Counting Mechanism and not a UE-based Counting Mechanism, the case of HSDPA usage in such a power mechanism could be further investigated, taking also into account the availability of multi-mode cells. This could lead to an optimal scheme for the MBMS Counting Mechanism. The fundamental selection criterion of channel type is the amount of base station power required to transmit to a group of users. To this direction, the role of power control in the MBMS multicast transmission in UMTS is studied and analysed. A power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS is then proposed. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station.

Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Οι υπηρεσίες που απευθύνονται σε ομάδες χρηστών θα αποτελέσουν μία νέα κατηγορία προηγμένων υπηρεσιών προς στους κινητούς χρήστες. Στα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα, η χρήση multicast μηχανισμών είναι αυτή που συνήθως ενδείκνυται για αυτή την κατηγορία υπηρεσιών. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting καθώς ελαχιστοποιεί τη χρήση των πόρων του δικτύου. Επομένως, η εφαρμογή του multicasting σε ένα κινητό δίκτυο έχει αρκετά διαφορετικά χαρακτηριστικά σε σχέση με την εφαρμογή του στο Internet. Κατά συνέπεια, δημιουργείται η ανάγκη για νέους μηχανισμούς οι οποίοι θα καλύψουν τις ιδιαιτερότητες των κινητών δικτύων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία προτείνεται ένας μηχανισμός που εκτελεί multicast μετάδοση δεδομένων στο σύστημα UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκμεταλλεύεται τη δενδρική τοπολογία των κινητών δικτύων και εισάγει τη χρήση των Routing Lists (RLs) στους κόμβους του UMTS. Η χρήση και η ενημέρωση των RLs γίνεται από τον προτεινόμενο μηχανισμό με τρόπο που παρουσιάζεται αναλυτικά. Επίσης, εξετάζονται διεξοδικά τα πιθανά σενάρια τα οποία περιλαμβάνουν όλες τις περιπτώσεις κινητικότητας των χρηστών. Ειδικότερα, εξετάζονται οι διάφοροι τύποι handover καθώς και η διαδικασία SRNS relocation. Τέλος, ο συγκεκριμένος μηχανισμός εξομοιώνεται στον network simulator ns-2. Μέσω της εξομοίωσης διερευνάται η ορθότητα του μηχανισμού καθώς και η αποδοτικότητά του. / It is a matter of fact that the third generation cellular networks are being deployed all over the world. A set of new services which will be provided by these networks, are those who address to user groups. Wireline networks use multicast mechanisms for the provision of similar services. A multicast mechanism transmits the same data once over each link of the path from the source to the destinations. Obviously, multicasting leads to the efficient use of the network resources. Nevertheless, the adoption of this kind of mechanisms by a mobile network is quite complicated and new schemes are required. In this master thesis, I present a mechanism for the multicast transmission of data in UMTS. This mechanism takes advantage of the tree topology of the examined networks and introduces the use of Routing Lists (RLs) in the nodes of UMTS. The use and the update of RLs are performed by the proposed mechanism and each step of these procedures is described in detail. Furthermore, I analyze the handling of special cases such as user mobility scenarios. Especially, the various handover types are examined along with the SRNS relocation procedure. Finally, I implement this approach in the ns-2 simulator. Through this simulation, I investigate the correctness and the efficiency of the proposed mechanism.

Τα Long Term Evolution (LTE) δίκτυα αποτελούν το πιο πρόσφατο πρότυπο στην τεχνολογία της ιεραρχίας των κινητών δικτύων (GSM/EDGE και UMTS/HSPA τεχνολογίες δικτύων). Οι απαιτήσεις για γρήγορη κινητή, ευρυζωνική πρόσβαση αυξάνει εκθετικά τις τελευταίες δεκαετίες και αναμένεται μεγαλύτερη ακόμα ανάπτυξη στο μέλλον, το οποίο απαιτεί απεριόριστες δυνατότητες σε υπηρεσίες και εφαρμογές διαδικτύου και ανάπτυξη σε συσκευές χειρός και κινητούς εξοπλισμούς. Για να επιτευχθούν αυτές οι απαιτήσεις για μεγάλους ρυθμούς δεδομένων στα κινητά δίκτυα, η International Telecommunication Union (ITU) όρισε τα αρχικά επίπεδα για την εξέλιξη των 4ης γενιάς δικτύων. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας στόχος είναι η υλοποίηση του φυσικού κατερχόμενου καναλιού Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) του Long Term Evolution (LTE), ενός φυσικού καναλιού μεταφοράς δεδομένων (κάνει τη μετάδοση του DL-SCH καναλιού μεταφοράς). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναδρομή στην εξέλιξη των δικτύων μέχρι να φτάσουμε στην σημερινή εποχή και το LTE. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η αρχιτεκτονική που ακολουθεί το LTE. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν το OFDMA, της τεχνικής διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται στην κατερχόμενη μετάδοση. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι MIMO τεχνολογίες, ενώ στο πέμπτο περιγράφεται αναλυτικά το συγκεκριμένο κανάλι και τέλος στο έκτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα. / LTE Networks is the latest standard in mobile networks technologies hierarchy (GSM/EDGE and UMTS/HSPA). The requirements for fast mobile, broadband access increases exponentially during the last decades and even larger and even more significant development is expected in the future, which (future) is guided from the unlimited features in services and internet applications and from the development of mobile equipment and portable devices).To fulfill these demands for the large data rates in mobile networks , International Telecommunication Union (ITU) defined those primal levels for 4th Generation Networks evolution. The purpose of this thesis is the implementation of LTE’s Physical Downlink Shared Channel (PDSCH), a physical channel for data transfer . In the first chapter a recursion is made through the development of networks and up to current technologies and LTE. In chapter two LTE architectures are described. In chapter three, basic OFDMA principles are described , which is the modulation method used in downlink transmission. In chapter four MIMO technologies are described while in the fifth chapter the particular channel is described in depth. Finally in chapter six are laid down the results and conclusions.

Σε έναν κόσμο που αλλάζει με ταχύτατους ρυθμούς, που η γνώση σχεδόν διπλασιάζεται κάθε 10 χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Ειδικά σε μια χώρα όπως η Ελλάδα που η μορφολογία του εδάφους δεν επιτρέπει την χρησιμοποιήση των οπτικών ινών, η ασύρματη επικοινωνία αποκτά πολύ σημαντικό ρόλο. Το τελευταίο καιρό έχει επεκταθεί η χρήση των κινητών δικτύων 3ης γενιάς, που αντικαθιστούν τα προηγούμενα της 2ης γενιάς προσφέροντας στους χρήστες παραπάνω υπηρεσίες. Οι προηγμένες υπηρεσίες που παρέχονται σε ομάδες κινητών χρηστών είναι εφάμιλες με αυτές των συμβατικών ενσύρματων δικτύων όπως mobile internet, mobile streaming, mobile TV κ.α. Στην περίπτωση του ενσύρματου δικτύου είναι εύκολο να κατανοήσουμε ότι ο multicast αυτός μηχανισμός αποστέλνει τα δεδομένα μόνο μία φορα πάνω απο κάθε σύνδεσμο,που είναι τμήμα των μονοπατιών των προορισμών. Στα κινητά δίκτυα που έχουμε την MBMS υπηρεσία (Multimedia Broadcast / Multicast Service) που υποστηρίζει IP εφαρμογές πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Αντικείμενο στην προκείμενη διπλωματική εργασία είναι η μελέτη της τεχνολογιας hsdpa για την μετάδοση multicast δεδομένων σε δίκτυα κινητών επικοινωνών Τρίτης γενιάς .Οπου η σημαντικότερη πρόκληση που αντιμετωπίζει σήμερα η παγκόσμια αγορά κινητών τηλεπικοινωνιών είναι η παροχή νέων, ελκυστικών και διαδραστικών υπηρεσιών προς τους τελικούς χρήστες. Η τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA) αποτελεί τη φυσιολογική εξέλιξη του WCDMA προς αυτή την κατεύθυνση, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) και ήδη έχει υιοθετηθεί από πολλά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας ανά τον κόσμο. Η εισαγωγή του HSPA κρίθηκε απαραίτητη καθώς, στην πράξη, οι μέγιστοι ρυθμοί μετάδοσης για τα UMTS δίκτυα αποδείχθηκαν χαμηλοί για εφαρμογές πολυμέσων. Ουσιαστικά, το HSPA αποτελεί μία σημαντική αναβάθμιση των UMTS δικτύων προσφέροντας υψηλότερο εύρος ζώνης στους κινητούς χρήστες και αυξημένη χωρητικότητα για τους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους με αποτέλεσμα την παροχή υπηρεσιών και εφαρμογών αυξημένης διαδραστικότητας. Η ορολογία HSPA αναφέρεται σε μία γενικότερη έννοια που υιοθετήθηκε από το UMTS Forum προκειμένου να τονίσει τις αναβαθμίσεις του UMTS Radio Interface στις εκδόσεις 5 και 6 του 3GPP στάνταρ. Η συμβολή της HSPA τεχνολογίας, προσεγγίζει μόνο το δίκτυο πρόσβασης, δηλαδή το UTRAN, χωρίς να επεμβαίνει καθόλου στη δομή και τη λειτουργικότητα του Core Network του UMTS. Πιο συγκεκριμένα, το HSPA αναφέρεται σε βελτιώσεις που πραγματοποιήθηκαν τόσο στον κατερχόμενο ασύρματο σύνδεσμο, μέσω του High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) όσο και στον ανερχόμενο, μέσω του High Speed Uplink Packet Access (HSUPA). Αξίζει να αναφερθεί ότι τόσο το HSDPA όσο και το HSUPA μπορούν να υλοποιηθούν στο ίδιο εύρος ζώνης με το UMTS (των 5 MHz), γεγονός που επιτρέπει την παράλληλη λειτουργία τόσο του HSPA όσο και του κλασσικού UMTS. / Due to rapid growth of mobile communications technology, the demand for wireless multimedia communications thrives in today’s consumer and corporate market. The need to evolve multimedia applications and services is at a critical point given the proliferation and integration of wireless systems. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide high-speed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. High Speed Packet Access (HSPA) constitutes a significant step towards the so-called Mobile Broadband. HSPA supports both downlink and uplink communication through the HSDPA and HSUPA channels, respectively. HSPA promises the provision of enhanced end-users’ experience with a wide range of novel, interactive applications, faster performance and reduced delays. Furthermore, from the operators’ prism, HSPA ensures improved network performance, increased capacity and higher coverage. Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) is a novel framework, extending the existing UMTS infrastructure that constitutes a significant step towards the so-called Mobile Broadband. MBMS is intended to efficiently use network and radio resources, both in the core network and, most importantly, in the air interface of UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), where the bottleneck is placed to a large group of users. Actually, MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. MBMS is an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia and application services such as IP Video Conferencing, Streaming Video by supporting both broadcast and multicast transmission modes. Long Term Evolution (LTE) will stretch the performance of 3G systems with improved coverage and system capacity, as well as increased data rates and reduced latency. LTE also provides a tight integration between unicast and multicast/broadcast MBMS transport bearers. Moreover, it also takes 3G-MBMS one step further to provide highly efficient multi-cell broadcast. By transmitting not only identical signals from multiple cell sites (with identical coding and modulation), but also synchronize the transmission timing between cells, the signal at the mobile terminal will appear exactly as a signal transmitted from a single cell site and subject to multi-path propagation. There is a growing demand for wireless data applications, which although face low penetration today, are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a ‘killer’ application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of some indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. However, increased improvements have to be made both in the uplink and downlink transmission and in better radio resource management, in order to meet future demands and provide rich multimedia services to large users’ population. In addition, several obstacles, mainly regarding the interoperability and ubiquitous access between different access technologies and services, have to be overcome (thus leading to 4G). The main target of this dissertation is the study of power control issues, the development and the performance evaluation of an efficient power scheme for the provision of broadband, multicast services and applications to mobile users. This will be effectively implemented through the efficient use of MBMS and HSPA technologies in both 3G and its evolution LTE. An important aspect of this work is the investigation of the selection of the most efficient radio bearer for the transmission of MBMS multicast data. MBMS services can be provided in each cell by either multiple Point to Point (PTP) channels or by a single Point to Multipoint (PTM) channel. PTM transmission uses a single channel reaching down to the cell edge, which conveys identical traffic. On the other hand, PTP transmission uses dedicated channel allocated to each user, which conveys identical content. Obviously, a decision has to be made on the threshold between these two approaches. Therefore, improvements of the currently existing Counting Mechanism in MBMS will be studied. Although relative research work in this field considers the need for a power-based Counting Mechanism and not a UE-based Counting Mechanism, the case of HSDPA usage in such a power mechanism could be further investigated, taking also into account the availability of multi-mode cells. This could lead to an optimal scheme for the MBMS Counting Mechanism. The fundamental selection criterion of channel type is the amount of base station power required to transmit to a group of users. To this direction, the role of power control in the MBMS multicast transmission in UMTS is studied and analysed. A power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS is then proposed. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station

Long Term Evolution (LTE) είναι το όνομα που έδωσε το 3GPP στο πρόγραμμα εξέλιξης των κινητών συστημάτων επικοινωνιών τρίτης γενιάς UMTS, με στόχο την αντιμετώπιση των μελλοντικών απαιτήσεων της αγοράς των κινητών δικτύων. Βασικοί στόχοι του νέου προτύπου LTE αποτελούν η αυξημένη απόδοση, το μικρότερο κόστος υλοποίησης, η μείωση της πολυπλοκότητας λειτουργίας και η παροχή νέων εξελιγμένων υπηρεσιών, κάνοντας χρήση νέων φασμάτων λειτουργίας. Οι προσδοκίες από το LTE είναι ιδιαίτερα υψηλές και βασίζονται στην παροχή υπηρεσιών απαλλαγμένων από τις απώλειες. Συνεπώς, η επιτυχία του LTE θα καθοριστεί από την ικανότητα παροχής κινητών συσκευών και ασύρματης υποδομής που θα ανταποκρίνονται στα πρότυπα του 3GPP και θα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στις απώλειες της ασύρματης μετάδοσης, ώστε να προσφέρονται βελτιωμένες υπηρεσίες υψηλής απόδοσης. Μία βασική πτυχή των προδιαγραφών του συστήματος LTE είναι η ενίσχυση της υπηρεσίας Multimedia Broadcast/Multicast Services, όπου το ίδιο περιεχόμενο μεταδίδεται σε πολλαπλούς χρήστες που βρίσκονται σε μία συγκεκριμένη περιοχή μετάδοσης της υπηρεσίας. Η υπηρεσία MBMS πρωτοπαρουσιάστηκε σαν ένα νέο χαρακτηριστικό στην έκδοση 6 του 3GPP, ώστε να προσφέρει broadcast και multicast μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε κινητούς χρήστες μέσω MBMS ασύρματων φορέων μετάδοσης. Η υπηρεσία MBMS παρέχει δύο διαφορετικές μεθόδους διανομής περιεχομένου, τη μέθοδο download και τη μέθοδο streaming. Για να υποστηρίξει την αποδοτική διανομή MBMS περιεχομένου, το 3GPP συμπεριέλαβε ένα μηχανισμό Forward Error Correction στο επίπεδο εφαρμογών (AL-FEC). Το FEC είναι μία μέθοδος που προσφέρει έλεγχο λαθών κατά τη μετάδοση δεδομένων, η οποία χρησιμοποιείται για να υποστηρίξει ή να αντικαταστήσει άλλες μεθόδους παροχής αξιοπιστίας. Στο FEC, ο αποστολέας εισάγει πλεονάζουσα πληροφορία στη μετάδοση δεδομένων. Αυτή η πληροφορία επιτρέπει στο δέκτη να ανακατασκευάσει τα αρχικά δεδομένα. Τέτοια σχήματα αναπόφευκτα προσθέτουν ένα σταθερό overhead στα μεταδιδόμενα δεδομένα με αποτέλεσμα να είναι υπολογιστικά ακριβά. Παρόλα αυτά στα multicast πρωτόκολλα, η χρήση FEC τεχνικών προσφέρει πολύ ισχυρά κίνητρα. Η κωδικοποίηση μπορεί να εξαλείψει τις ανεξάρτητες απώλειες στους διαφορετικούς δέκτες. Επιπρόσθετα, η δραματική μείωση του ρυθμού απώλειας πακέτων μειώνει κατά ένα μεγάλο μέρος την ανάγκη επαναποστολής των χαμένων πακέτων από τον αποστολέα. Επομένως, οι FEC τεχνικές είναι πολύ εύκολο να εκπληρώσουν έναν πρωταρχικό σκοπό των multicast κινητών υπηρεσιών, που είναι η προσαρμοστικότητα σε εφαρμογές με μεγάλο αριθμό δεκτών. Αυτός είναι ο λόγος που το 3GPP συνιστά τη χρήση του AL-FEC για την υπηρεσία MBMS και πιο συγκεκριμένα, υιοθετεί τη χρήση των συστηματικών κωδίκων Raptor. Λαμβάνοντας υπόψιν τα παραπάνω, στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της απόδοσης του AL-FEC πάνω σε υπηρεσίες MBMS, εστιάζοντας στην υπηρεσία της streaming μεθόδου παράδοσης δεδομένων. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα εργασία μελετάμε την εφαρμογή του μηχανισμού AL-FEC πάνω σε multicast streaming υπηρεσίες των LTE, διερευνώντας πως το ποσό της πλεονάζουσας πληροφορίας ποικίλλει σε πολλαπλούς χρήστες χρησιμοποιώντας ρεαλιστικά περιβάλλοντα προσομοίωσης. Επίσης, εξετάζουμε την απόδοση του AL-FEC για διάφορες διατάξεις του δικτύου ασύρματης πρόσβασης, διάφορα μοντέλα κινητικότητας των χρηστών καθώς και διάφορες παραμέτρους της FEC κωδικοποίησης. / Long Term Evolution (LTE) is the name given to a project within the Third Generation Partnership Project (3GPP) to improve the UMTS 3G mobile system standard to cope with future requirements. Goals include improving efficiency, lowering cost, reducing complexity and improving services, making use of new spectrum opportunities. Expectations are high for LTE and are based on the premise of fault-free performance. Therefore, LTE’s initial success will be determined by the ability of handset and radio infrastructure manufacturers to deliver products that conform to 3GPP standards and are robust enough to allow operators to introduce improved services. A key aspect of LTE specifications is the enhancement of Multimedia Broadcast/Multicast Services (MBMS), where the same content is transmitted to multiple users located in a specific service area. MBMS was firstly standardized as a new feature in 3GPP Release 6, in order to broadcast and multicast multimedia content to mobile terminals via MBMS radio bearer. The MBMS provides two different delivery methods, the download delivery and the streaming delivery method. To support efficient download and streaming delivery, 3GPP has included Application Layer Forward Error Correction (AL-FEC) in the MBMS standard. FEC is a method for error control for data transmission that is used to augment or replace other reliability methods. In FEC, the sender introduces redundant information in the data transmitted. This information allows the receiver to reconstruct the source data. Such schemes inevitably add a constant overhead in the transmitted data and are computationally expensive. In multicast protocols however, the use of FEC techniques has very strong motivations. The encoding eliminates the effect of independent losses at different receivers. This makes these schemes able to scale irrespectively of the actual loss pattern at each receiver. Additionally, the dramatic reduction in the packet loss rate largely reduces the need for retransmission of lost data from the sender. FEC schemes are therefore so simple as to meet a prime objective for mobile multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. This is the reason why 3GPP recommends the use of AL-FEC for MBMS and, more specifically, adopts the use of systematic Raptor code. After taking into account the above analysis, objective of this master thesis is the study of AL-FEC in MBMS, focusing on the streaming delivery method. To this direction, in this work we study the application of AL-FEC for the streaming delivery method over LTE networks. We investigate how the amount of FEC overhead varies at multiple receivers using realistic simulation scenarios and we investigate the performance of AL-FEC overhead considering different cell deployments, user mobility models and FEC encoding parameters.

Τη σημερινή εποχή γινόμαστε καθημερινά μάρτυρες μίας ταχέως αναπτυσσόμενης αγοράς, που δεν είναι άλλη από αυτή των κινητών πολυμεσικών εφαρμογών, όπως του Mobile TV και του Mobile Streaming. Υπηρεσίες όπως αυτές έχουν ή αναμένεται να έχουν υψηλή διείσδυση στη βιομηχανία της κινητής πολυμεσικής επικοινωνίας. Για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις αυτών των υπηρεσιών για υψηλές ταχύτητες μετάδοσης, ο οργανισμός 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ανέπτυξε το Long Term Evolution Advanced (LTE-A), μία τεχνολογία η οποία αποτελεί την εξέλιξη των κινητών τηλεπικοινωνιακών τεχνολογιών 3ης γενιάς. Το LTE-A χρησιμοποιεί την τεχνολογία Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). Η συγκεκριμένη τεχνολογία μπορεί να προσφέρει νέες υψηλής χωρητικότητας ευρυζωνικές εφαρμογές και υπηρεσίες, ενώ παρέχει αποτελεσματική, από πλευράς κόστους, καθολική κάλυψη. Επιπλέον, ο οργανισμός 3GPP εισήγαγε την τεχνολογία Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS), ως μέσο πανεκπομπής και πολυεκπομπής πληροφοριών στους χρήστες κινητών, με το Mobile TV να είναι η κύρια υπηρεσία που παρέχεται. Η υποδομή του LTE-A προσφέρει στο MBMS την επιλογή να χρησιμοποιήσει ένα uplink κανάλι για την αλληλεπίδραση μεταξύ της υπηρεσίας και του χρήστη, η οποία στα συνήθη δίκτυα πανεκπομπής δεν είναι απλό θέμα. Στο πλαίσιο των LTE-A συστημάτων, το MBMS έχει εξελιχθεί σε e-MBMS (το "e-" αντιστοιχεί στη λέξη evolved, δηλαδή εξελιγμένο). Αυτό θα επιτευχθεί μέσα από την αυξημένη απόδοση της ασύρματης διεπαφής που περιλαμβάνει μία νέα τεχνολογία μετάδοσης που ονομάζεται MBMS over Single Frequency Network (MBSFN). Κατά τη λειτουργία του MBSFN, τα MBMS δεδομένα μεταδίδονται ταυτόχρονα μέσω του αέρα από πολλαπλά κελιά τα οποία είναι αυστηρά χρονο-συγχρονισμένα. Το σύνολο των κελιών που λαμβάνουν αυτά τα δεδομένα, καλείται MBSFN περιοχή. Δεδομένου ότι οι MBSFN μεταδόσεις ενισχύουν σημαντικά το λόγο σήματος προς παρεμβολή και θόρυβο, μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές βελτιώσεις στη φασματική απόδοση σε σύγκριση με την πολυεκπομπή μέσω των συστημάτων 3ης γενιάς. Αυτό είναι εξαιρετικά επωφελές στα όρια των κελιών, όπου οι μεταδόσεις (που στα συστήματα 3ης γενιάς, όπως το Universal Mobile Telecommunications System - UMTS, θεωρούνται ως παρεμβολή) μεταφράζονται σε χρήσιμη ενέργεια σήματος και ως εκ τούτου η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος είναι αυξημένη, ενώ την ίδια στιγμή η ισχύς παρεμβολής μειώνεται σε μεγάλο βαθμό. Για να αξιοποιηθούν πλήρως τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας MBSFN και να βελτιωθεί η φασματική απόδοση, θα πρέπει να επιλεχθεί με προσοχή το σχήμα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης για τη μετάδοση των δεδομένων. Η σχέση μεταξύ της απόδοσης του MBSFN και της επιλογής του σχήματος διαμόρφωσης και κωδικοποίησης έχει μελετηθεί διεξοδικά σε προηγούμενες ερευνητικές εργασίες. Ωστόσο οι περισσότερες (αν όχι όλες) από τις εργασίες αυτές επικεντρώνονται μόνο στην πλευρά των χρηστών και ως εκ τούτου δεν μπορούν να θεωρηθούν πλήρεις. Μερικές φορές ο στόχος του παρόχου μπορεί να είναι η μεγιστοποίηση της φασματικής απόδοσης σε όλους τους χρήστες της τοπολογίας ή η παροχή της υπηρεσίας σε όλους τους χρήστες ανεξάρτητα από τις συνθήκες που βιώνουν. Επίσης, οι περισσότερες από αυτές τις εργασίες καθορίζουν το σχήμα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης κατά τις MBSFN μεταδόσεις εξετάζοντας μόνο την περίπτωση της μετάδοσης από ένα πομπό σε ένα δέκτη και δεν εξετάζουν τα οφέλη που μπορούν να προσφέρουν οι τεχνικές Multiple Input Multiple Output (MIMO) στη συνολική απόδοση του συστήματος. Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι να επεκτείνει τις προηγούμενες ερευνητικές εργασίες και, επιπλέον, να προτείνει μια λύση στο πρόβλημα της επιλογής του σχήματος διαμόρφωσης και κωδικοποίησης. Προς την κατεύθυνση αυτή, αναλύουμε πρώτα μία διαδικασία τριών βημάτων η οποία επιλέγει το σχήμα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης και υπολογίζει τη φασματική απόδοση στην περίπτωση ενός μόνο χρήστη. Στη συνέχεια, ακολουθεί η γενίκευση της υπόθεσης ενός χρήστη και προτείνονται τρεις προσεγγίσεις που επιλέγουν το σχήμα κωδικοποίησης για την μετάδοση των MBSFN δεδομένων σε σενάρια πολλαπλών χρηστών. Οι προσεγγίσεις αξιολογούνται για τρεις διαφορετικούς τρόπους μετάδοσης, έτσι ώστε να εξεταστεί η επίδραση των τεχνικών MIMO στην επιλογή σχήματος διαμόρφωσης για διαφορετικές κατανομές χρηστών. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης δείχνουν ότι, ανάλογα με το στόχο που έχει θέσει ο πάροχος (π.χ. μεγιστοποίηση της φασματικής απόδοσης ή επίτευξη μίας συγκεκριμένης τιμής φασματικής απόδοσης) κάθε προσέγγιση θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιωμένη απόδοση. / Today we are witnesses of a rapidly increasing market for mobile multimedia applications, such as Mobile TV and Mobile Streaming. Services like these have or are expected to have high penetration in the mobile multimedia communications industry. In order to confront such high requirements for services that demand higher data rates, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) developed the Long Term Evolution Advanced (LTE-A) technology which constitutes the evolution of the 3rd Generation (3G) mobile telecommunications technologies. LTE-A utilizes Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). This radio technology is optimized to enhance networks by enabling new high capacity mobile broadband applications and services, while providing cost efficient ubiquitous mobile coverage. In addition, 3GPP has introduced the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) as a means to broadcast and multicast information to mobile users, with Mobile TV being the main service offered. LTE-A infrastructure offers to MBMS an option to use an uplink channel for interaction between the service and the user, which is not a straightforward issue in usual broadcast networks. In the context of LTE-A systems, the MBMS will evolve into e-MBMS (“e-” stands for evolved). This will be achieved through the increased performance of the air interface that will include a new transmission scheme called MBMS over Single Frequency Network (MBSFN). In MBSFN operation, MBMS data are transmitted simultaneously over the air from multiple tightly time-synchronized cells. A group of those cells, which are targeted to receive these data, is called MBSFN area. Since the MBSFN transmission greatly enhances the Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR), the MBSFN transmission mode leads to significant improvements in Spectral Efficiency (SE) in comparison to multicasting over 3G systems. This is extremely beneficial at the cell edge, where transmissions (which in 3G systems, like Universal Mobile Telecommunications System - UMTS, are considered as inter-cell interference) are translated into useful signal energy and hence the received signal strength is increased, while at the same time the interference power is largely reduced. In order to fully exploit the benefits of MBSFN and to improve its performance in terms of SE, the Modulation and Coding Scheme (MCS) for the transmission of the data should be carefully selected. The relationship between MBSFN performance and MCS selection has been thoroughly studied in previous research works; however most (if not all) of these works focus only on the users’ side and therefore may not be sufficient. Sometimes the operator’s goal may be the maximization of the SE over all users of the topology or the provision of the service to all the users irrespectively of the conditions that they experience. In addition, most of these works determine the MCS scheme for MBSFN considering only the case of single antenna transmissions and they do not examine the benefits that Multiple Input Multiple Output (MIMO) transmissions may offer on the overall performance. The goal of this thesis is to extend the previous research works and, furthermore, to tackle the problems addressed. To this direction, we first analyze a 3-step procedure that selects the MCS and calculates the SE in the case of a single user. Then, we generalize the single-user case and we propose three approaches that select the MCS for the delivery of the MBSFN data in multiple-users scenarios. The approaches are evaluated for three different transmission modes, so as to examine the impact of multiple antennas techniques on the MCS selection, and for different users’ distributions. The evaluation results indicate that depending on the target that the operator may set (i.e. SE maximization or achievement of a specific SE) each approach could lead to improved performance.

Tα τελευταία χρόνια τα κινητά δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες χώρες όπως και στην Ελλάδα. Παρόλο που αυτή η γενιά κινητών δικτύων προσφέρει προηγμένες υπηρεσίες στους χρήστες, η διαρκής ανάγκη για μεγαλύτερες ταχύτητες πρόσβασης που φτάνουν στα όρια της ευρυζωνικότητας, οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των κινητών δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών. Ο κυριότερος εκπρόσωπός τους είναι η τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+ προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3rd Generation (3G) προτύπου. Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό προτυποποίησης για τις νέες κινητές τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν για τη νέα δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Η νέα αυτή τεχνολογία αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρους ζώνης. Κύρια προοπτική της τεχνολογίας LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Είναι προφανές ότι η τεχνολογία κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας». Είναι αναμενόμενο ότι ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία καθώς και για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας που θα παρέχει πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους χρήστες των κινητών δικτύων επικοινωνιών. Από την άλλη πλευρά, ταυτόχρονα με τις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις των χρηστών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της multicast μετάδοσης δεδομένων στα κινητά δίκτυα με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Με αυτό τον τρόπο οι χρήστες των κινητών δικτύων θα έχουν πλέον πρόσβαση σε εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για κινητές υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως το mobile TV, το mobile gaming και το mobile streaming. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η έναρξη τη προτυποποίησης της υπηρεσίας Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών broadcast και multicast, επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργία η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Το multicast είναι μία αποδοτική μέθοδος μετάδοσης δεδομένων προς πολλαπλούς προορισμούς καθώς χρησιμοποιεί λιγότερους πόρους από το δίκτυο. Το πλεονέκτημά του είναι ότι τα δεδομένα του αποστολέα μεταδίδονται μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που είναι κοινός στα διάφορα μονοπάτια προς ένα σύνολο από αποδέκτες. Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη διερεύνηση της εφαρμογής διάφορων μηχανισμών βελτιστοποίησης της εφαρμογής του multicast στη μετάδοση δεδομένων πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Η διεξαχθείσα έρευνα εστιάζει στην υπηρεσία MBMS και εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο θα βελτιστοποιηθεί η εφαρμογή της στα κινητά δίκτυα. Επίσης, μελετά μηχανισμούς που εξασφαλίζουν τον έλεγχο συμφόρησης στις MBMS συνόδους καθώς και στην εφαρμογή του Forward Error Correction (FEC) για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Η πρώτη σημαντική συνεισφορά που περιλαμβάνει η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι ένας νέος μηχανισμός για τη multicast μετάδοση δεδομένων πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Αυτός ο μηχανισμός έχει σχεδιαστεί με βάση τις τρέχουσες προδιαγραφές έτσι όπως αυτές έχουν καθοριστεί από το 3GPP. Ο σχεδιασμός έχει γίνει με στόχο την ελαχιστοποίηση των απαιτούμενων πακέτων και τη βελτιστοποίηση της χρήσης των πόρων του δικτύου. Εκτός από την κανονική multicast μετάδοση δεδομένων, λαμβάνονται υπόψη ειδικές περιπτώσεις οι οποίες προκαλούνται από διάφορα σενάρια κινητικότητας των χρηστών. Βασικός στόχος του μηχανισμού είναι να μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα στα υπάρχοντα δίκτυα και να εισάγει ελάχιστες τροποποιήσεις στην αρχιτεκτονική των κινητών δικτύων και τους μηχανισμούς διαχείρισης της κινητικότητας των χρηστών. Ο προτεινόμενος μηχανισμός υλοποιήθηκε στον εξομοιωτή δικτύων ns-2 προκειμένου να διερευνηθεί σε βάθος μέσω πειραμάτων εξομοίωσης. Τα πειράματα εξομοίωσης έδειξαν ότι η κινητικότητα των χρηστών μπορεί να αντιμετωπιστεί χωρίς καμία διακοπή παροχής της υπηρεσίας και χωρίς καμία απώλεια δεδομένων. Επίσης, είναι πολύ σημαντικό ότι το υλοποιημένο τμήμα λογισμικού στον ns-2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω ως πλατφόρμα αξιολόγησης άλλων μηχανισμών που βασίζονται στη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Κάποιες ενδεικτικές περιοχές έντονης έρευνας που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από το υλοποιημένο τμήμα λογισμικού είναι η διαχείριση multicast ομάδων, η διαχείριση ασύρματων πόρων, η ανάλυση σεναρίων κινητικότητας χρηστών κ.α.. Στο παρόν ερευνητικό έργο, το νέο αυτό τμήμα του ns-2 χρησιμοποιήθηκε ως πλατφόρμα για την αξιολόγηση μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης κατά τη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα. Ο έλεγχος συμφόρησης είναι ένας μηχανισμός που προσαρμόζει το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων της πηγής ανάλογα με τις συνθήκες συμφόρησης του δικτύου. Στο IP multicast, για το επίπεδο μεταφοράς χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο User Datagram Protocol (UDP). Το πρωτόκολλο αυτό δεν εμπεριέχει κανέναν υλοποιημένο έλεγχο συμφόρησης. Αντίθετα, το πρωτόκολλο Transmission Control Protocol (TCP) προσαρμόζει το ρυθμό μετάδοσης ανάλογα με τις συνθήκες συμφόρησης του δικτύου. Είναι προφανές ότι η συνύπαρξη κίνησης multicast με κίνηση TCP μπορεί να οδηγήσει σε έλλειψη δικαιοσύνης στην κατανομή των πόρων του δικτύου. Προκειμένου να αποφευχθεί η κατάσταση αυτή είναι απαραίτητη η εφαρμογή του ελέγχου συμφόρησης στη multicast μετάδοση. Αυτού του είδους ο έλεγχος συμφόρησης ονομάζεται TCP-friendliness. Η υιοθέτηση ελέγχου συμφόρησης στη multicast μετάδοση πάνω από κινητά δίκτυα θέτει ένα πρόσθετο σύνολο από προκλήσεις. Αυτό συμβαίνει διότι όλοι οι αλγόριθμοι ελέγχου συμφόρησης αντιμετωπίζουν τις απώλειες πακέτων σα μία προφανή εκδήλωση συμφόρησης του δικτύου. Όμως αυτή η υπόθεση δεν είναι πάντα ο κανόνας σε δίκτυα με ασύρματους συνδέσμους. Στους ασύρματους συνδέσμους οι απώλειες πακέτων πολλές φορές οφείλονται σε λόγους που δε σχετίζονται με συμφόρηση δικτύου. Τέτοιοι λόγοι είναι ο θόρυβος ή σφάλμα στον ασύρματο σύνδεσμο. Προφανώς, σε τέτοιες περιπτώσεις η δραστική μείωση του ρυθμού μετάδοσης δεν αποτελεί λύση. Ένα άλλο περιοριστικό στοιχείο είναι η υπολογιστική ισχύς των κινητών τερματικών συσκευών. Οι συσκευές αυτές δεν μπορούν να εκτελέσουν πολύπλοκες στατιστικές μετρήσεις και παρακολούθηση της κίνησης. Κατά συνέπεια, αυτού του είδους οι διαδικασίες δεν πρέπει να εκτελούνται στις συσκευές αυτές. Στο τμήμα της διδακτορικής διατριβής που σχετίζεται με τον έλεγχο συμφόρησης μελετάται η εφαρμογή δύο ήδη γνωστών μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης πάνω σε κινητά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Οι εξεταζόμενοι μηχανισμοί είναι ο TCP-Friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) και ο Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Οι δύο αυτοί μηχανισμοί ανήκουν στην ομάδα των μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης μοναδικού ρυθμού οι οποίοι αναπόφευκτα δεν προσφέρουν πολλαπλούς ρυθμούς μετάδοσης όπως κάνουν οι πολύ-επίπεδοι μηχανισμοί. Παρόλα αυτά είναι τόσο απλοί ώστε να εξυπηρετούν μία θεμελιώδη απαίτηση για τη multicast μετάδοση σε UMTS δίκτυα που είναι η επεκτασιμότητα για τις εφαρμογές που απευθύνονται σε χιλιάδες χρήστες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αποδεικνύεται ότι η υποβάθμιση των ασύρματων καναλιών του δικτύου ασύρματης πρόσβασης δημιουργεί δυσλειτουργίες στους υπάρχοντες μηχανισμούς TFMCC και PGMCC. Η συνεισφορά του έργου αυτού έγκειται στο γεγονός ότι οι υπάρχοντες μηχανισμοί έχουν υποστεί μία μερική τροποποίηση και έχουν επεκταθεί προκειμένου να υποστηρίξουν τις ιδιαιτερότητες του δικτύου ασύρματης πρόσβασης. Οι προτάσεις που γίνονται δεν εισάγουν παρά μόνο ελάχιστες τροποποιήσεις στην αρχιτεκτονική των κινητών δικτύων. Επιπλέον, αποφεύγεται η εκτέλεση πολύπλοκων λειτουργιών στις κινητές τερματικές συσκευές. Στα πλαίσια της αξιολόγησης των προτεινόμενων μηχανισμών η απόδοσή τους μελετάται μέσω πειραμάτων εξομοίωσης. Η απόδοση των προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνεται με αυτή των αντίστοιχων υπαρχόντων και, τέλος, οι αποδόσεις των δύο προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνονται μεταξύ τους. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η διεξαχθείσα έρευνα που περιγράφεται εστιάζει επίσης στην εφαρμογή του FEC για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Γενικότερα στη βιβλιογραφία, έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για την εξασφάλιση αξιοπιστίας κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Η πιο γνωστή μέθοδος είναι η Automatic Repeat re-Quest (ARQ) η οποία δουλεύει αποτελεσματικά κυρίως κατά την unicast μετάδοση. Όταν η μέθοδος ARQ εφαρμόζεται σε μία multicast σύνοδο, οι αποδέκτες στέλνουν αιτήσεις για αναμετάδοση χαμένων πακέτων μέσω καναλιών επικοινωνίας προς τον αποστολέα. Η μέθοδος ARQ γενικά είναι αποτελεσματική κατά τη multicast μετάδοση και αποτελεί ένα αξιόπιστο εργαλείο. Παρόλα αυτά, όταν ο αριθμός των αποδεκτών αυξάνει, οι περιορισμοί στις δυνατότητες της μεθόδου αυτής αποκαλύπτονται. Ένας σημαντικός περιορισμός είναι το πρόβλημα του καταιγισμού ανατροφοδοτήσεων. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν πολλοί αποδέκτες στέλνουν ταυτόχρονα αιτήσεις για αναμετάδοση στον αποστολέα. Ένα δεύτερο πρόβλημα είναι ότι, για ένα δεδομένο ρυθμό απώλειας πακέτων, όσο ο αριθμός των αποδεκτών αυξάνει, τόσο η πιθανότητα να αναμεταδοθεί ένα πακέτο τείνει προς τη μονάδα. Με άλλα λόγια, ένας μεγάλος μέσος αριθμός από μεταδόσεις χρειάζονται για κάθε πακέτο. Σε ένα ασύρματο περιβάλλον, η μέθοδος ARQ έχει ένα ακόμα μεγάλο μειονέκτημα το οποίο οφείλεται στην προϋπόθεση ύπαρξης αμφίδρομου συνδέσμου επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, στα περισσότερα ενσύρματα δίκτυα είναι αυτονόητο ότι το κανάλι ανατροφοδότησης παρέχεται από το δίκτυο. Αντίθετα, στα ασύρματα δίκτυα η μετάδοση της ανατροφοδότησης από τον αποδέκτη μπορεί να κοστίζει ακριβά είτε με όρους κατανάλωσης ισχύος είτε λόγω περιορισμών στην τηλεπικοινωνιακή υποδομή. Το FEC είναι μία μέθοδος ελέγχου λαθών η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συμπληρώσει ή να αντικαταστήσει άλλες μεθόδους για αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων. Το βασικό χαρακτηριστικό των μηχανισμών FEC είναι ότι ο αποστολέας προσθέτει επιπλέον πληροφορία στα μηνύματα προς τον αποδέκτη. Αυτά τα επιπλέον δεδομένα δίνουν τη δυνατότητα στον αποδέκτη να ανακατασκευάσει την αρχική πληροφορία. Αναπόφευκτα, αυτού του είδους οι μηχανισμοί προκαλούν μία σταθερή επιβάρυνση στον όγκο των μεταδιδόμενων δεδομένων και είναι υπολογιστικά ακριβοί. Στα multicast πρωτόκολλα όμως, η χρήση των τεχνικών FEC έχει πολύ δυνατά πλεονεκτήματα. Η κωδικοποίηση περιορίζει το φαινόμενο των ανεξάρτητων απωλειών πακέτων σε διαφορετικούς αποδέκτες. Αυτό κάνει τους μηχανισμούς αυτούς να μπορούν να κλιμακωθούν σε πολλούς αποδέκτες ανεξάρτητα από το ρυθμό απώλειας πακέτων. Επιπλέον, η δραματική μείωση στο ρυθμό απώλειας πακέτων περιορίζει σημαντικά την ανάγκη για την αποστολή ανατροφοδότησης στον αποδέκτη. Επομένως, ένα κανάλι ανατροφοδότησης μπορεί να μην είναι απαραίτητο ή αν χρησιμοποιείται τέτοιου είδους κανάλι, η πιθανότητα εμφάνισης καταιγισμού από ανατροφοδοτήσεις εκμηδενίζεται. Είναι προφανές ότι οι μηχανισμοί FEC είναι τόσο απλοί ώστε να εξυπηρετούν ένα από τους βασικούς στόχους των multicast κινητών υπηρεσιών και ο οποίος είναι η επεκτασιμότητα σε εφαρμογές με χιλιάδες χρηστών. Αυτός είναι και ο λόγος που το 3GPP συστήνει τη χρήση του FEC στο επίπεδο εφαρμογής για την υπηρεσία MBMS και πιο συγκεκριμένα υιοθετεί τη χρήση του κώδικα Raptor FEC. Στο τμήμα της διδακτορικής διατριβής που σχετίζεται με το FEC διερευνάται η εφαρμογή του FEC στη multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Η έρευνα διεξάγεται με τη βοήθεια ενός νέου μηχανισμού ο οποίος ενσωματώνει ένα πιθανοτικό μοντέλο για την κατανομή των multicast χρηστών στο δίκτυο και καθορίζει το κόστος της multicast μετάδοσης δεδομένων. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετάται η επίδραση της χρήσης του FEC στην υπηρεσία MBMS. Γίνεται μία προσπάθεια για τον καθορισμό ενός αποδοτικού σημείου λειτουργίας στη διελκυστίνδα μεταξύ της επιβάρυνσης εξαιτίας του κώδικα και του κόστους αναμετάδοσης. Εξετάζεται εάν η χρήση του FEC είναι αποδοτική ή όχι, πώς η βέλτιστη διάσταση για τον κώδικα FEC μεταβάλλεται ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο, ποιες παράμετροι επηρεάζουν την επιλογή του βέλτιστου κώδικα FEC καθώς και ο τρόπος που το κάνουν. Επιπλέον, εξετάζεται ένα από τα ποιο κρίσιμα θέματα στη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα και το οποίο είναι ο έλεγχος ισχύος στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης. Ο προτεινόμενος μηχανισμός ενσωματώνει τις ιδιότητες ενός εξελιγμένου κινητού δικτύου που χρησιμοποιεί την τεχνολογία HSPA για την μετάδοση δεδομένων προς τις κινητές τερματικές συσκευές με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Η αξιολόγηση δε γίνεται μόνο μέσα από το πρίσμα της κατανάλωσης ισχύος αλλά επίσης και μέσα από τα πρίσματα της ταχύτητας μετάδοσης και της κατανάλωσης ενέργειας. Κάτι που είναι επίσης σημαντικό, είναι ότι η ανάλυση που γίνεται είναι πλήρως συμβατή με τις προδιαγραφές του 3GPP και λαμβάνει υπόψη όλου τους δυνατούς τρόπους επικοινωνίας στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης (σημείο-προς-σημείο, σημείο-προς-πολλαπλά σημεία καθώς και την υβριδική επικοινωνία που συνδυάζει και τους δύο φορείς του δικτύου ασύρματης πρόσβασης). Η δημιουργία αυτού του πλήρους και συμπαγούς πλαισίου είναι ένα από τα κίνητρα που κρύβονται πίσω από αυτό το ερευνητικό έργο. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία πλήρης και συμπαγής θεώρηση όλων των ζητημάτων που αφορούν την εφαρμογή του FEC κατά τη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα, κάποια από τα οποία δεν είχαν εξεταστεί καθόλου έως σήμερα. / In the recent years, the use of 3rd Generation (3G) cellular networks has begun to rise in most of the countries, as in Greece. 3G networks have the capability to offer advanced services to mobile users. However, the need for higher speeds that approach the capacity of broadband communication, led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. Despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel technology is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to existing mobile networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication and for a unified and functional system of mobile communications that is able to provide numerous broadband services to its users. On the other hand, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and reuse the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. Such mobile services include streaming live TV and streaming video. All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. Multicast is an efficient method for data transmission to multiple destinations. Its advantage is that the sender’s data are transmitted only once over the links which are shared along the paths to a targeted set of destinations. Data duplication is restricted only in nodes where the paths diverge to different subnetworks. The present dissertation describes the investigation of several schemes that optimize the deployment of multicast transmission over mobile communication networks. The conducted research focuses on the MBMS service and examines the way that its deployment should be performed. Additionally, it investigates schemes that can assure an effective congestion control over the MBMS sessions. Finally, it examines the use of Forward Error Correction (FEC) mechanisms for reliable data transmission during the mobile multicast communication. The first major contribution that is presented in this dissertation is a novel scheme for the multicast transmission of data over mobile communication networks. This scheme has been designed with respect to the current specifications of the MBMS service defined by the 3GPP. The design of the scheme has been performed in a way that minimizes the transmitted packets and makes efficient use of the network resources. Apart from the normal multicast transmission of data over UMTS the handling of special cases caused by user mobility scenarios, is considered. It was a major goal to develop an easily deployed scheme that introduces just minor modifications in the mobile network architecture and the mobility management mechanisms that already exist. The proposed scheme has been implemented as a new module in the widely used ns-2 network simulator in order to be evaluated. The simulation experiments show that the proposed scheme can cope with the user mobility without any disruption of the service provision or any packet loss. It is important to highlight that this new ns-2 module can be employed by researchers as a platform to validate and analyze multicast mechanisms over mobile networks. Some areas of active research that may be boosted by the deployment of this new module are MBMS service congestion control, mobile multicast group management, multicast radio resource management, MBMS Quality of Service and analysis and testing of user mobility scenarios. In this dissertation is ns-2 module has been used for the evaluation of two congestion control schemes for the multicast transmission over mobile networks. Congestion control is a policy that adapts the source transmission rate according to the network congestion. In IP multicast, User Datagram Protocol (UDP) is used for the transport layer. This protocol does not implement any congestion control. Instead, the Transmission Control Protocol (TCP) adapts its transmission rate according to network congestion. The coexistence of multicast traffic and TCP traffic may lead to unfair use of network resources. In order to prevent this situation, the deployment of multicast congestion control is indispensable. This kind of congestion control is well known as TCP-friendliness. The adoption of a multicast congestion control in cellular networks poses an additional set of challenges. All the algorithms for congestion control treat the packet loss as a manifestation of network congestion. This assumption does not always apply to networks with radio links, in which packet loss is often induced by reasons other than network congestion like noise or radio link error. In these cases, the network reaction should not be a drastic reduction of the sender’s transmission rate. Another limitation is that the mobile terminals’ computing power cannot afford complicated statistics and traffic measurements, which in turn means that such operations should not be executed on the mobile equipment. In the part of this dissertation that is related with the multicast congestion control over mobile networks, the applicability of two well-known multicast congestion control schemes over mobile networks is investigated. The examined schemes are namely: the TCP-Friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) and the Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Both schemes belong to the class of single-rate congestion control schemes. Such schemes are simple enough, so as to meet a prime objective for UMTS multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. It is showed that the degradation of the radio channels in the radio access network causes malfunctions in the legacy TFMCC and PGMCC schemes. The innovation of this work stems from the fact that the original schemes are partly modified and extended in order to support the particularities of the radio access network. It is proposed to introduce minor modifications in the mobile network architecture. Furthermore, complicated operations like statistics and traffic measurements are avoided to be performed on mobile equipment. Last but not the least, the performance of the modified TFMCC and PGMCC schemes is examined and presented in a comparative way. The other aspect that this dissertation examines, is the use of FEC during the mobile multicast communication. A lot of proposals to provide reliability in multicast transmission can be found in the literature. The best-known method that works efficiently for unicast transmission is the Automatic Repeat re-Quest (ARQ). When ARQ is applied in a multicast session, receivers send requests for retransmission of lost packets over a back channel towards the sender. Although ARQ is an effective and reliable tool for point-to-multipoint transmission, when the number of receivers increases, it reveals its limitations. One major limitation is the feedback implosion problem which occurs when too many receivers are transmitting back to the sender. A second problem is that for a given packet loss rate, and a set of receivers experiencing losses, the probability that every single data packet needs to be retransmitted quickly approaches unity as the number of receivers increases. In other words, a high average number of transmissions are needed per packet. In a wireless environment, ARQ has another major disadvantage, due to the requirement for a bidirectional communication link. On most wired networks the feedback channel comes for free, but on wireless networks the transmission of feedback from the receiver can be expensive, either in terms of power consumption, or due to limitations of the communication infrastructure. Forward Error Correction (FEC) is an error control method that can be used to augment or replace other methods for reliable data transmission. The main attribute of FEC schemes is that the sender adds redundant information in the messages transmitted to the receiver. This additional data allow the receiver to reconstruct the source information. Such schemes inevitably add a constant overhead in the transmitted data and are computationally expensive. In multicast protocols however, the use of FEC techniques has very strong motivations. The encoding eliminates the effect of independent losses at different receivers. This makes these schemes able to scale irrespectively of the actual loss pattern at each receiver. Additionally, the dramatic reduction in the packet loss rate largely reduces the need to send feedback to the sender. Therefore a feedback channel may not be necessary or whenever feedback sending is possible, the feedback implosion is avoided. FEC schemes are therefore so simple as to meet a prime objective for mobile multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. This is the reason why 3GPP recommends the use of application layer FEC for MBMS and, more specifically, adopts the use of Raptor FEC code. In this dissertation, a complete study of the applicability of FEC over the multicast data transmission in mobile networks is presented. The investigation is performed with the aid of a novel scheme that incorporates a probabilistic model for the multicast user distribution in the network and analyzes the multicast data delivery cost. In this framework, the impact of FEC use in MBMS is investigated. It is tried to determine the efficient working point in the trade-off between the FEC code overhead and the retransmission cost. It is examined whether FEC use is beneficial or not, how the optimal FEC code dimensioning varies based on the network conditions, which parameters affect the optimal FEC code selection and how they do it. Additionally, the study focuses on one of the most critical aspects in mobile multicast transmission which is the power control in the radio access network. The proposed scheme incorporates the properties of an evolved mobile network that uses High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) technology for high speed data delivery to mobile terminals. The assessment is not only from power consumption point of view but also from energy consumption and time perspective. It is important that the analysis is compliant with the 3GPP specifications and considers the point-to-point, the point-to-multipoint as well as the hybrid transmission that combines both bearers in the radio access network. The creation of this complete and solid framework is the motivation behind this study. The result is a full view of all the aspects of the FEC application during mobile multicast transmission, some of which have not been considered so far.

Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του “Mobile Broadband”. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point-to-multipoint data transmission). Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία μηχανισμών στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και προτείνονται μηχανισμοί οι οποίοι προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου που επικρατούν στο δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί που ονομάζονται μηχανισμοί προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων είναι κυρίως μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μετάδοση εφαρμογών πραγματικού χρόνου όπως είναι για παράδειγμα η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο ή μια βιντεοκλήση μεταξύ δύο συνδρομητών ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Οι μηχανισμοί προσαρμογής της μετάδοσης πολυμέσων είναι μηχανισμοί μετάδοσης πολυμεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδομένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν τη μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση μηχανισμών προσαρμογής της μετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη μηχανισμών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρμογή των πολυμεσικών δεδομένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των μηχανισμών είναι η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες μεταβάλλονται. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). To MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Έτσι λοιπόν, όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία μηχανισμών, η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting λόγω του γεγονότος ότι εκμεταλλεύεται την κατανομή των χρηστών μέσα στο δίκτυο προς όφελος της οικονομίας στην αποστολή πακέτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται ένας multicast μηχανισμός ο οποίος προσφέρει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή προς μια ομάδα κινητών χρηστών ενός δικτύου UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκτός από τη λειτουργικότητα της multicast δρομολόγησης των πακέτων στους κόμβους του δικτύου, υποστηρίζεται επίσης από ένα σχήμα διαχείρισης της ομάδας των multicast χρηστών. Επιπλέον, στο μηχανισμό έχει ενσωματωθεί επιπλέον λειτουργικότητα η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση των δεδομένων στην ομάδα των multicast χρηστών ακόμα και όταν αυτοί βρίσκονται σε διαρκή κίνηση (Handover functionality). Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μια προσπάθεια να αξιολογηθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο UMTS για μετάδοση δεδομένων από έναν αποστολέα προς μια ομάδα παραληπτών. Συγκεκριμένα, οι τρεις μηχανισμοί που αναλύονται είναι ο Broadcast μηχανισμός, o Multiple Unicast μηχανισμός και ο Multicast μηχανισμός. Η αξιολόγηση των μηχανισμών γίνεται με χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου το οποίο μετρά το τηλεπικοινωνιακό κόστος μετάδοσης των δεδομένων από τον έναν κόμβο του δικτύου στον άλλον. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μηχανισμοί αξιολογούνται για διάφορες τοπολογίες του δικτύου και διαφορετικές κατανομές των χρηστών στο δίκτυο. Τέλος, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αξιολόγηση των καναλιών μεταφοράς του UMTS και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση των δεδομένων. Ειδικότερα, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed – Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν και τέλος την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη. / As communications technology is being developed, users’ demand for multimedia services raises. Meanwhile, the Internet has enjoyed tremendous growth in recent years. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide high-speed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. The recent years, the usage of third generation cellular networks has begun to rise all over the world. These new infrastructures substitute the existed second generation cellular networks and offer broadband services to mobile users. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. The main target of this dissertation is the study and the analysis of the mechanisms that are operated behind the above mentioned services and applications. More specifically, we analyze already existed mechanisms used for the transmission of real time services over 3G networks and furthermore we propose new mechanisms for the effective data transmission in 3G networks in terms of network performance and satisfaction of the mobile user. Generally, we consider two categories of mechanisms for the data transmission: • Mechanisms for point to point data transmission. • Mechanisms for point to multipoint data transmission. Regarding the first category of the mechanisms, in this dissertation, we analyze and propose mechanisms for real time data transmission in 3G networks. We focus firstly on schemes that reliable transmit the real time data to mobile users and secondly on mechanisms for adaptive multimedia transmission in UMTS. Bandwidth is a valuable and limited resource for UMTS and every wireless network, in general. Therefore, it is of extreme importance to exploit this resource in the most efficient way. It is essential for a wireless network to have an efficient bandwidth allocation scheme in order the mobile user to experience both real time applications and Internet applications such as HTTP or SMTP. Consequently, when a user experiences a real time application, there should be enough bandwidth available at any time for any other application that the mobile user might realize. In addition, when two different applications run together, the network should guarantee that there is no possibility for any of the above-mentioned applications to prevail against the other by taking all the available channel bandwidth. Taking into consideration the fact that Internet applications adopt mainly TCP as the transport protocol, while real time applications mainly use RTP, the network should guarantee that RTP does not prevail against the TCP traffic. Consequently, this means that there should be enough bandwidth available in the wireless channel for the Internet applications to run properly. To this direction, rate control of real time applications is an important issue in mobile networks. With the aid of rate control schemes the network could adapt the packet transmission rate of real time applications according to the current network conditions giving the opportunity to the mobile users to experience both real time and non real time applications at the same time in their mobile devices. Regarding the second category of the mechanisms, although UMTS networks offer high capacity, the expected demand will certainly overcome the available resources. Thus, the multicast transmission over the UMTS networks constitutes a challenge and an area of research. To this direction the third Generation Partnership Project (3GPP) is currently standardizing the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) framework of UMTS. In this dissertation, we present a new mechanism for the efficient multicast data routing in UMTS. The proposed mechanism is enhanced with multicast group management functionality as well as with functionality related to the user mobility (handover and relocation). Furthermore, it is known that multicasting is more efficient method of supporting group communication than unicasting or broadcasting, as it allows transmission and routing of packets to multiple destinations using fewer network resources. In this dissertation, the three above mentioned methods of supporting group communication in UMTS are analyzed in terms of their performance. The critical parameters of primary interest for the evaluation of any method are the packet delivery cost and the scalability of the method. Finally, this dissertation analyses the role of power control in the multicast transmission in UMTS. It is proposed a power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station.

Ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία. Στη ραγδαία εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας παράλληλα πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους πελάτες - χρήστες του. Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό που προτυποποιεί τις νέες τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Κατά συνέπεια, η αγορά κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας» (Mobile Broadband). Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής (multicasting) δεδομένων στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast), επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Το κρισιμότερο σημείο που εντοπίζεται κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι ο αποτελεσματικός έλεγχος ισχύος. Οι σταθμοί βάσης των κυψελωτών αυτών δικτύων διαθέτουν περιορισμένους πόρους ισχύος, γεγονός που περιορίζει τη χωρητικότητα της κυψέλης (cell) και επιβάλλει τη χρήση μίας βέλτιστης στρατηγικής για την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος στοχεύει στη μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος, στην ελαχιστοποίηση του θορύβου στο κυψελωτό δίκτυο και κατά συνέπεια στη διασφάλιση μεγαλύτερης χωρητικότητας επιπλέον χρηστών. Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς κατά τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων αποτελεί η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς για τη μετάδοση των δεδομένων στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS πρότυπο έχουν αναπτυχθεί διάφοροι μηχανισμοί, με χαρακτηριστικό τον MBMS Counting Mechanism. Στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UMTS/HSPA δικτύου. Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού, καθώς και των αρκετών άλλων μηχανισμών που έχουν προταθεί από το 3GPP, διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα των μηχανισμών αυτών είναι η απουσία ευρυζωνικών χαρακτηριστικών καθώς και η σπατάλη σημαντικού τμήματος των ούτως ή άλλως περιορισμένων πόρων ισχύος. Εν γένει, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των πολυμεσικών δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία μίας ολόκληρης κυψέλης. Γίνεται σαφές λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση των υπαρχόντων μηχανισμών για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων/μηχανισμών για τη βελτιστοποίηση του. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της διατριβής αυτής είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και αξιολογούνται όλα τα υπάρχοντα κανάλια μεταφοράς του UMTS και της τεχνολογίας HSPA τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, και κατά συνέπεια με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν, την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη, τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της κυψέλης κ.α. Οι ιδιαίτερα αυξημένες απαιτήσεις των MBMS υπηρεσιών μας οδήγησαν στη συνέχεια στη διερεύνηση και αξιολόγηση ορισμένων τεχνικών μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος, με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως μία MBMS υπηρεσία με ρυθμό μετάδοσης 128 Kbps μπορεί να καταναλώσει έως και το 80% των πόρων ισχύος ενός σταθμού βάσης. Επομένως, γίνεται κατανοητό ότι η μετάδοση MBMS υπηρεσιών με τόσο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης καθίσταται δύσκολη έως και αδύνατη. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί τεχνικές, όπως η FACH Dynamic Power Setting, η Macro Diversity Combining και το Rate Splitting, ικανές να μειώσουν τα επίπεδα ισχύος κατά τη μετάδοση multicast δεδομένων στους MBMS χρήστες. Η διδακτορική αυτή διατριβή εξετάζει την αποδοτικότητα της χρήσης αυτών των τεχνικών εξοικονόμησης ισχύος και παρουσιάζει πειραματικά αποτελέσματα που αποκαλύπτουν το ποσό ισχύος που εξοικονομείται από κάθε μία τεχνική. Η αξιολόγηση τόσο των καναλιών μεταφοράς όσο και των τεχνικών μείωσης ισχύος θα οδηγήσει στην εύρεση ενός κατάλληλου σχήματος/μηχανισμού, ο οποίος θα εξασφαλίζει την αποδοτική εναλλαγή μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ο μηχανισμός αυτός, τον οποίο καλούμε MBMS Channel Assignment Mechanism (ή χάριν συντομίας «MCAM»), αναμένεται να εξασφαλίσει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με τους αντίστοιχους μηχανισμούς που έχουν προταθεί από το 3GPP, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Ωστόσο, το πιο αξιοπρόσεκτο πλεονέκτημα του προτεινόμενου μηχανισμού, που ουσιαστικά τον διαφοροποιεί από τις άλλες προσεγγίσεις, είναι ότι προσαρμόζεται στις αυξημένες απαιτήσεις των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς για ταυτόχρονη παροχή πολλαπλών πολυμεσικών συνόδων. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών, θέτοντας κατά τον τρόπο αυτό τον MCAM σαν έναν ισχυρό υποψήφιο για τα δίκτυα επόμενης γενιάς. / The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication. The fast development of this area was mainly motivated by the requirements of modern market for a unified and functional system of mobile communications that, at the same time, may provide numerous broadband services to its users. More specifically, in the recent years, the usage of third generation (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) cellular networks has begun to rise in most European countries, as in Greece. 3G networks have replaced the second generation mobile networks and moreover, are in position of offering advanced services to mobile users. However, the need for higher (broadband) speeds led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. However, despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel project is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to UMTS and HSPA networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. Simultaneously, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and re-use the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a “killer” application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. The main requirement during the provision of MBMS multicast services is to make an efficient overall usage of radio and network resources. This necessity mainly translates into improved power control strategies, since the base stations’ transmission power is the limiting factor of downlink capacity in UMTS networks. Under this prism, power control is one of the most critical aspects in MBMS due to the fact that downlink transmission power in UMTS networks is a limited resource and must be shared efficiently among all MBMS users in a cell. Moreover, power control aims at minimizing the transmitted power, eliminating in this way the intercell interference. However, when misused, the use of power control may lead to a high level of wasted power and worse performance results. In order to have efficient power control in MBMS, one of the most critical aspects is the selection of the transport channel for the transmission of MBMS multicast traffic. MBMS services can be provided in each cell by either multiple point-to-point (PTP) channels or by a single point-to-multipoint (PTM) channel. A wrong channel selection may result to a significant capacity decrease, thus, preventing the mass delivery of multimedia applications. It is worth mentioning that channel selection is still an open issue in today’s MBMS infrastructure mainly due to its catalytic role in MBMS performance. In the frame of MBMS power control and transport channel selection several approaches have been proposed, with main representative the 3GPP MBMS Counting Mechanism. However, none of these approaches performs optimal transport channel selection either due to the fact that some of them do not consider the power consumption as the selection criterion or because of the fact that they do not consider all the available transport channels (or combination of them) for the transmission of the MBMS data. All the above stress the need for an advanced version of these mechanisms that could deliver multimedia content to a large number of mobile users in a more efficient and economic way. After taking into account the above analysis, objective of this dissertation is the study of power control issues in next generation mobile communication networks and the development of new approaches/ mechanisms for its optimization. To this direction, this dissertation analyzes and evaluates all the available UMTS and HSPA transport channels that could be used for the transmission of MBMS multicast services. Moreover, this dissertation investigates and evaluates several power saving techniques that aim at the efficient usage of radio and network resources. Techniques, such as Dynamic Power Setting, Macro Diversity Combining and Rate Splitting are capable of decreasing the power consumption during the provision of MBMS services and may enable the mass market delivery of multimedia services to mobile users. The evaluation of the available transport channels and power saving techniques will lead to the development of a novel scheme/mechanism that will enable the efficient selection of transport channels for the transmission of MBMS services. The proposed mechanism, which we call MBMS Channel Assignment Mechanism (or «MCAM»), is expected to optimally utilize the available power resources of base stations to MBMS sessions running in the network, resulting in that way to an extensive increase on the system’s capacity. Therefore, MCAM may allow the mass provision of multimedia data to a large number of mobile users, which makes MCAM a strong candidate for next generation networks.