Αντικείμενο της εργασίας είναι η μελέτη και η ανάλυση επίδοσης πρωτοκόλλων πρόσβασης μέσου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα. Στην εργασία γίνεται εκτενής μελέτη του πρωτοκόλλου 802.16 της IEEE, αναφορές στην εμπορική υλοποίηση αυτού, WiMAΧ. Επίσης γίνεται η χρήση του εξομοιωτή OPNET modeller για εκτίμηση κάποιων QoS παραμέτρων του MAC επιπέδου του 802.16. / The subject of this thesis is the study and evaluation analysis of MAC layer in broadband wireless networks and especially in 802.16. Opnet Modeller is used to test some of 802.16 and WiMAX QoS features.

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. 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. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία παρουσιάζουμε αναλυτικά τον multicast τρόπο λειτουργίας του MBMS και αναλύουμε την απόδοσή του με βάση το κόστος μετάδοσης των πακέτων κάτω από διάφορες τοπολογίες δικτύου και κατανομές χρηστών. Η ανάλυση του συνολικού κόστους μετάδοσης λαμβάνει υπόψη το κόστος αποστολής των πακέτων από τον αποστολέα στους παραλήπτες συμπεριλαμβανομένου του κόστους για το paging των χρηστών, το κόστος επεξεργασίας και μετάδοσης στους κόμβους του δικτύου και το κόστος που υπεισέρχεται στους συνδέσμους της τοπολογίας. Στα πλαίσια της αξιολόγηση της ανάλυσης εξετάζουμε όλα τα κανάλια μεταφοράς που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση των multicast δεδομένων πάνω από την ασύρματη διεπαφή του δικτύου. Η ανάλυση θα φανερώσει πως ανάλογα με την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου (πλήθος χρηστών, κατανομή χρηστών, κοκ), όλα τα διαθέσιμα κανάλια μεταφοράς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποδοτική μετάδοση των multicast δεδομένων στους κινητούς χρήστες / 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 replace 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), that constitutes 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. 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. 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 and application services such as IP Video Conferencing and Video Streaming. In this thesis, we analytically present the multicast mode of MBMS and analyze its performance in terms of packet delivery cost under various network topologies and multicast users’ distributions. The analysis of total packet delivery cost takes into account the paging cost, the processing cost and the transmission cost at nodes and links of the topology. Furthermore, for the evaluation of the scheme, we consider different transport channels for the transmission of the multicast data over the Iub and Uu interfaces of the UMTS architecture. The analysis reveals that depending on the current network conditions (user population, user distribution, etc.), all the available transport channels could be used for the efficient delivery of multicast data to mobile users.

- / -

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.

Η εργασία αυτή ασχολείται με το πρόβλημα της εκτίμησης καναλιού σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Το πρόβλημα αυτό συγκεντρώνει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, καθώς συναντάται σε ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών. Η άγνωστη συνάρτηση μεταφοράς του καναλιού στα ασύρματα συστήματα μετάδοσης, καθιστά απαραίτητη την εκτίμησή του πριν από οποιαδήποτε διαδικασία μετάδοσης. Στη συγκεκριμένη μεταπτυχιακή εργασία, αντικείμενο εξέτασης αποτελεί η επίδραση καναλιού με μη γραμμικά χαρακτηριστικά σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Αρχικά, παρουσιάζεται ένας βελτιωμένος αλγόριθμος εκτίμησης καναλιού, ο οποίος βασίζεται σε ένα παραμετρικό μοντέλο. Η απόκριση συχνότητας του καναλιού εκτιμάται χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο με L μονοπάτια. Γίνεται χρήση της μεθόδου ESPRIT για την αρχική εκτίμηση των πολυδρομικών καθυστερήσεων, ενώ η διαδικασία παρακολούθησης γίνεται με την τεχνική IPIC DLL. Με γνωστή την πληροφορία για τις πολυδρομικές καθυστερήσεις, εκτιμάται η απόκριση του καναλιού στο πεδίο της συχνότητας με τη μέθοδο του ελαχίστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος. Ιδιαίτερης μνείας χρήζει το κριτήριο MDL (Minimum Description Length) που χρησιμοποιείται για την εύρεση των ενεργών μονοπατιών του καναλιού. Σύμφωνα με το κριτήριο, υπολογίζεται ο ιδιοχώρος, δηλαδή οι ιδιοτιμές και τα ιδιοδιανύσματα, του πίνακα αυτοσυσχέτισης του καναλιού. Ο ιδιοχώρος αυτός εμφανίζει ιδιαίτερη δομή και μπορεί να αναλυθεί σε κάθετους μεταξύ τους υποχώρους: τον υποχώρο του σήματος (signal subspace) και αυτόν του θορύβου (noise subspace). Έχει αποδειχθεί ότι η χρήση παραμετρικού μοντέλου καναλιού μπορεί να μειώσει δραστικά τις διαστάσεις του υποχώρου του σήματος και κατά συνέπεια να βελτιώσει την απόδοση της εκτίμησης του καναλιού. Στη συνέχεια εξετάζεται η δυνατότητα εφαρμογής του αλγόριθμου PAST κατά τη διαδικασία παρακολούθησης των πολυδρομικών καθυστερήσεων και η σύγκρισή του με την απόδοση του IPIC DLL. Ο αλγόριθμος PAST έχει χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα καθώς στηρίζεται σε αναδρομικές τεχνικές παρακολούθησης του ιδιοχώρου. Στα πλαίσια της μεταπτυχιακής εργασίας έγινε συγκριτική μελέτη των τεχνικών εκτίμησης καναλιού σε συστήματα μετάδοσης OFDM. Περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά των κυριότερων αλγορίθμων της βιβλιογραφίας και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σε περιβάλλον MATLAB. Με βάση τη θεωρητική μελέτη των μεθόδων εκτίμησης και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, εξάγονται συμπεράσματα για τη βελτίωση της απόδοσης που παρουσιάζουν σε σχέση με τις μη παραμετρικές τεχνικές. Τέλος, υλοποιήθηκε ένας νέος αλγόριθμος για την εύρεση του υποχώρου του σήματος, ο οποίος βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του κριτηρίου MDL. / The basic concept in this thesis is the problem of Channel Estimation in multipath fading chanels. The method we use is based on parametric channel modeling. Firstly, we use the MDL (Minimum Descreption Length) criterium in order to estimate the number of paths in the channel. Next the ESPRIT method calculates the Time Delays for every estimated path. The second part of the algorithm is used for tracking of time delays. We firstly use an IPIC DLL (InterPath Interference Cancellation Delay Locked Loop) technique and then the path gains are calculated via a MMSE estimator. There is also a study in Subspace Tracking problem. We use the PAST and PASTd algorithms to calculate the signal subspace for every OFDM symbol transmited. The two techniques we described increase the SER performance of the non parametric channel estimator by 2dB and the MSE performance by 5dB. We also describe a new algorithm which has better performance than the MDL criterium.

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.

Face à la croissance exponentielle des réseaux mobiles très haut débit, les opérateurs de téléphonie mobile se sont lancé dans le déploiement des réseaux dits hiérarchiques (HetNet), composés par des sous-réseaux avec des caractéristiques divergentes en termes de type des cellules déployées et des technologies d’accès radio utilisées. Avec ce caractère hétérogène des réseaux cellulaire, l’exploitation de ces derniers devienne de plus en plus compliquée et coûteuse impliquant le déploiement, la configuration et la reconfiguration de stations de base et d’équipements de différentes caractéristiques. Ainsi, l’intégration dans les réseaux HetNet de fonctionnalités d’auto-configuration automatisant et simplifiant l’exploitation des réseaux deviennent une demande forte des opérateurs. Cette thèse a pour objectif l’étude et le développement de solutions de gestion dynamique de l’équilibrage de charges entre les différentes couches composant un même HetNet, pour une expérience utilisateur (QoE) améliorée. Dans ce contexte, une classe des algorithmes d’équilibrage de charges dite ‘équilibrage de charges par adaptation dynamique des paramètres de la procédure de handover’ est étudiée. Pour commencer, nous développons un modèle théorique basé sur des solutions et des outils de la géométrie stochastique et incorporant le caractère hétérogène des réseaux cellulaires. Ensuite nous exploitons ce modèle pour introduire des algorithmes d’adaptation des paramètres de handover basés sur la maximisation de la puissance reçue et du rapport signal/brouillage plus bruit (SINR). Nous exploitons ces résultats pour implémenter et étudier, par simulation à évènements discrets, des algorithmes d’équilibrage de charges dans le contexte des réseaux LTE HetNet auto-organisés basés sur les spécifications 3GPP. Ces travaux soulignent l’importance de l’équilibrage de charges afin de booster les performances des réseaux cellulaires en termes de débit global transmis, perte de paquets de données et utilisation optimisée des ressources radio. / High demands on mobile networks provide a fresh opportunity to migrate towardsmulti-tier deployments, denoted as heterogeneous network (HetNet), involving a mix of cell types and radio access technologies working together seamlessly. In this context, network optimisation functionalities such as load balancing have to be properly engineered so that HetNet benefit are fully exploited. This dissertation aims to develop tractable frameworks to model and analyze load balancing dynamics while incorporating the heterogeneous nature of cellular networks. In this context we investigate and analyze a class of load balancingstrategies, namely adaptive handover based load balancing strategies. These latter were firstly studied under the general heading of stochastic networks using independent and homogeneous Poisson point processes based network model. We propose a baseline model to characterize rate coverage and handover signalling in K-tier HetNet with a general maximum power based cell association and adaptive handover strategies. Tiers differ in terms of deployment density and cells characteristics (i.e. transmit power, bandwidth, and path loss exponent). One of the main outcomes is demonstrating the impact of offloading traffic from macro- to small-tier. This impact was studied in terms of rate coverage and HO signalling. Results show that enhancement in rate coverage is penalized by HO signalling overhead. Then appropriate algorithms of LB based adaptive HO are designed and their performance is evaluated by means of extensive system level simulations. These latter are conducted in 3GPP defined scenarios, including representation of mobility procedures in both connectedstate. Simulation results show that the proposed LB algorithms ensure performance enhancement in terms of network throughput, packet loss ratio, fairness and HO signalling.

Η χρήση πολλαπλών κεραιών παίζει πλέον ένα πολύ σημαντικό ρόλο στη βελτίωση των ραδιοτηλεπικοινωνιών. Για το λόγο αυτό, ο τομέας των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων πολλαπλών κεραιών μετάδοσης – λήψης (συστήματα ΜΙΜΟ) βρίσκεται στο προσκήνιο της ασύρματης έρευνας. Πρόσφατα, αποτελέσματα ερευνών έδειξαν ότι υπάρχει δυνατότητα αύξησης της χωρητικότητας στα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά συστήματα χρησιμοποιώντας τεχνικές διαφοροποίησης μεταξύ πομπού – δέκτη (antenna diversity), δηλαδή δημιουργίας πολλαπλών ανεξάρτητων καναλιών ανάμεσα τους. Στην παρούσα εργασία μελετούνται τεχνικές κωδικοποίησης που εκμεταλλεύονται τη χωρική διαφοροποίηση κάνοντας χρήση χωροχρονικών κωδικών (space – time coding). Η μελέτη εστιάζεται στη χρήση χωροχρονικών κωδικών ανά μπλοκ από την πλευρά του πομπού, εξαιτίας της απλότητας υλοποίησης τους καθώς και της ικανότητας υποστήριξης πολλαπλών κεραιών από τη πλευρά του σταθμού βάσης. Η ανάλυσή τους γίνεται με βάση την εφαρμογή τους σε συστήματα που χρησιμοποιούν διαμόρφωση με πολυπλεξία ορθογώνιων φερουσών (OFDM). Η διαμόρφωση αυτή επιλέχθηκε γιατί υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς δεδομένων στα ασύρματα συστήματα και δείχνει άριστη συμπεριφορά σε κανάλια με επιλεκτική παραμόρφωση στη συχνότητα. Στη συνέχεια μελετώνται αλγόριθμοι επαναληπτικής αποκωδικοποίησης, δίνοντας έμφαση σε ένα ευρέως διαδεδομένο αλγόριθμο, τον Μέγιστο εκ των Υστέρων (MAP). Αναλύονται διεξοδικά τα βήματα του, καθώς και διάφορες τροποποιήσεις – βελτιστοποιήσεις του. Οι επαναληπτικοί αλγόριθμοι αποκωδικοποίησης αποτελούν πλέον ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για την αποκωδικοποίηση Forward Error Correction κωδικοποιήσεων με χρήση συνελικτικών κωδικών, προσδίδοντας στα συστήματα αποδόσεις κοντά στο όριο του Shannon. Τέλος, πραγματοποιούνται κατάλληλες υλοποιήσεις που προέκυψαν από το συνδυασμό των εν λόγω αλγορίθμων επαναληπτικής αποκωδικοποίησης με τους χωροχρονικούς κώδικες ανά μπλοκ πάνω σε ένα σύστημα κεραιών με χρήση OFDM. Γίνεται σύγκριση της απόδοσης των συστημάτων αυτών με βάση την αντίστοιχη υλοποίηση του εκάστοτε αλγορίθμου επαναληπτικής αποκωδικοποίησης και μελετούνται σε βάθος διάφορες τροποποιήσεις που μπορούν δεχθούν με κριτήριο τη χαμηλή πολυπλοκότητα υλοποίησης. Για την αξιολόγηση της απόδοσης, γίνεται μία περαιτέρω σύγκριση με χρήση αναπαράστασης σταθερής υποδιαστολής και εξάγονται σειρά συμπερασμάτων από τις πειραματικές μετρήσεις που προέκυψαν. / The use of multiple antennas is an essential issue in telecommunications, nowadays. So, multiple input – multiple output systems (MIMO) has attracted a lot of attention in wireless research. Lately, it has been shown that it can be an improvement in the capacity of wireless communication systems by using antenna diversity, that’s different independent channels between transmitter and receiver. In this thesis, we study coding techniques that exploit space diversity by using space – time codes. Particularly, we focus on space – time block coding (STBC) from the transmitter’s point of view, because of the simplicity of its implementation and the ability to support multiple antennas at the base stations. The analysis is based on the systems that use Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems (OFDM). This technique was chosen because it can support high data rates and it behaves very well in a frequency selective fading channel. Moreover, we study iterative decoding algorithms and we focus on a very well known algorithm, the Maximum A Posteriori (MAP). There, we analyze its steps and its modifications and improvements. The iterative decoding algorithms are a cornerstone on decoding Forward Error Correction codes, such as Convolutional codes, almost reaching the Shannon limit. Finally, there are different kinds of implementations using suitable iterative decoding algorithms in concatenation with space – time block coding with antennas and ODFM. We compare the performance of the corresponding systems and investigate the complexity trying to maintain it in a low level. For a thorough investigation, we also use fixed point arithmetic in these implementations.

L’objectif de la thèse est d’évaluer la fiabilité des réseaux de capteurs (WSN) en milieu naturel. L’évaluation prend en compte les composants physiques des nœuds de capteurs, les cellules photovoltaïques éventuelles (PV), les batteries rechargeables ou non, les protocoles de communications et d’échange de données ainsi que les éléments nécessaires pour une détection efficace, en particulier les feux de forêt. L’étude traite d’abord du fonctionnement du réseau de capteur dans la nature en prenant en compte sa consommation d’énergie et les défaillances physiques et fonctionnelles pour évaluer sa fiabilité. Puis, la fiabilité est comparée entre un réseau sans PV (WSN) et avec PV (PV-WSN) dans des conditions d’échange de données difficiles. Enfin, l’évaluation de la fiabilité des PV-WSN est effectuée dans le cadre de la détection et de la propagation des feux de forêts avec les mêmes conditions d’échange de données. Les principales hypothèses considérées sont : des distributions de capteurs aléatoires dans des réseaux avec un seul nœud « sink », des nœuds identiques, l’affaiblissement du signal radio dû aux obstacles naturels, une propagation de feu uniforme et elliptique, une végétation homogène, une perte possible de paquets de données ainsi que l’utilisation du protocole de routage « Dynamic Source Routing (DSR) ». Un simulateur a été développé pour effectuer les différentes études. Les résultats obtenus montrent l’importance des défaillances physiques pour l’évaluation de la fiabilité et pour la prolongation de la durée de vie des WSN et PV-WSN / The objective of my thesis was to evaluate the reliability of wireless sensor networks (WSN) in natural settings. My evaluation takes into account the physical components of sensor nodes, photovoltaic (PV) cells, rechargeable and non-rechargeable batteries, communication and data transmission protocols, and elements necessary for effective detection, especially for the case of forest fires. The study first deals with the functioning of a WSN in nature by taking into account its energy consumption, and physical and functional failures to assess its reliability. Reliability is then compared between a PV-free (WSN) and PV- (PV-WSN) network under complex data exchange conditions. Finally, the evaluation of the reliability of the PV-WSN is carried out in the context of the detection and propagation of forest fires under the same conditions of data exchange. The main assumptions considered are: the WSN is structured randomly with one sink per cluster and identical sensors, environmental and orientation losses affect PV-cell recharge, the radio signal may be weakened by natural obstacles, fire propagation is uniform and elliptical, vegetation is homogeneous, and there is communication loss using the Dynamic Source Routing (DSR) protocol. A simulator was developed to carry out these assessments. The results obtained show the importance of physical failures in assessing reliability and extending WSN and PV-WSN lifetime