No description available.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse étudie un certain nombre d'outils (rassemblés dans la WiBox) nécessaires pour une réception fiable de vidéo diffusée sur WiMAX, puis rediffusée sur Wifi. Il s'agit de fournir des services WiMAX à des utilisateurs WiFi, avec une qualité de réception vidéo raisonnable, même avec un très faible signal WiMAX. Pour cela, des techniques de décodage conjoint de paquets erronés sont indispensables afin de limiter les retards liés aux retransmissions. Dans la première partie de cette thèse, nous considérons le problème de la délinéation de paquets agrégés en macro-paquets. Cette opération d'agrégation est réalisée dans de nombreux protocoles afin d'améliorer le rapport en-tête/charge utile des systèmes de communication. Plusieurs méthodes de délinéation sont proposées. Elles exploitent d'une part les informations souples provenant des couches protocolaires basses ainsi que la redondance présente dans les paquets devant être séparés. L'ensemble des successions possibles de paquets au sein d'un macro-paquet est décrit à l'aide d'un trellis. Le problème de délinéation est transformé en un problème d'estimation de l'état d'une variable aléatoire Markovienne, pour lequel de nombreux algorithmes (BCJR, Viterbi) sont disponibles. Cette technique est très efficace mais complexe. De plus, elle nécessite la réception de l'ensemble du macro-paquet, ce qui peut induire des latences importantes. Dans une deuxième étape, nous proposons une technque où le décodage se fait sur une fenêtre glissante contenant une partie du macro-paquet. Un treillis glissant est considéré cette fois. La taille de la fenêtre permet d'ajuster un comproimis entre complexité et efficacité de décodage. Enfin, une méthode de décodage à la volée exploitant un automate à 3 état et des tests d'hypothèses Bayésiens permet de réaliser une délinéation moins efficace, mais sans latence. Ces méthodes sont comparées sur un problème de délinéation de paquets MAC dans des macro-paquets PHY dans WiMAX. Dans la deuxième partie de la thèse, nous proposons de réaliser un décodage souple des codes en blocs utilisés dans certaines couches de piles protocolaires pour le multimédia. Cdes sorties souples sont générées afin de permettre un décodage conjoint des en-têtes et de la charge utile au niveau des couches supérieures. Nous avons en particulier étudié des outils de décodage souple ldans le cas de la norme RTP FEC, et avons comparé les performances du décodeur proposé avec des approches classiques de décodage. En résumé, les techniques de décodage conjoint proposées permettent de réduire le nombre de paquets perdus, d'augmenter le nombre de paquets transmis vers les couches applicatives où des décodeurs source-canal conjoints peuvent être utilisés pour améliorer la qualité de la vidéo reçue.

Recently, erasure networks have received significant attention in the literature as they are used to model both wireless and wireline packet-switched networks. Many packet-switched data networks like wireless mesh networks, the Internet, and Peer-to-peer networks can be modeled as erasure networks. In any erasure network, path diversity works by setting up multiple parallel connections between the end points using the topological path redundancy of the network. Our analysis of diversity over erasure networks studies the problem of rate allocation (RA) across multiple independent paths, coding over erasure channels, and the trade-off between rate and diversity gain in three consecutive chapters. In the chapter 2, Forward Error Correction (FEC) is applied across multiple independent paths to enhance the end-to-end reliability. We prove that the probability of irrecoverable loss (P_E) decays exponentially with the number of paths. Furthermore, the RA problem across independent paths is studied. Our objective is to find the optimal RA, i.e. the allocation which minimizes P_E. Using memoization technique, a heuristic suboptimal algorithm with polynomial runtime is proposed for RA over a finite number of paths. This algorithm converges to the asymptotically optimal RA when the number of paths is large. For practical number of paths, the simulation results demonstrate the close-to-optimal performance of the proposed algorithm. Chapter 3 addresses the problem of lower-bounding the probability of error (PE) for any block code over an input-independent channel. We derive a lower-bound on PE for a general input-independent channel and find the necessary and sufficient condition to meet this bound with equality. The rest of this chapter applies this lower-bound to three special input-independent channels: erasure channel, super-symmetric Discrete Memoryless Channel (DMC), and q-ary symmetric DMC. It is proved that Maximum Distance Separable (MDS) codes achieve the minimum probability of error over any erasure channel (with or without memory). Chapter 4 addresses a fundamental trade-off between rate and diversity gain of an end-to-end connection in erasure networks. We prove that there exist general erasure networks for which any conventional routing strategy fails to achieve the optimum diversity-rate trade-off. However, for any general erasure graph, we show that there exists a linear network coding strategy which achieves the optimum diversity-rate trade-off. Unlike the previous works which suggest the potential benefit of linear network coding in the error-free multicast scenario (in terms of the achievable rate), our result demonstrates the benefit of linear network coding in the erasure single-source single-destination scenario (in terms of the diversity gain).

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.

Context: Video streaming over best-effort networks is complicated by a number of factors including unknown and time-varying bandwidth, transmission delay, and high packet losses. Excessive packet loss can causes significant degradation in quality of video perceived by users of real-time video applications. Recent studies suggest that error control schemes using Forward Error Correction (FEC) is a good candidate for decreasing the negative impact of packet loss on video quality. With FEC scheme, redundant information is transmitted along with the original information so that the lost original video data can be recovered at least in part from the redundant information. Although sending additional redundancy increases the probability of recovering lost packets, it also increases the bandwidth requirements which in turn increase loss rate of the video stream due to congestion. For this reason FEC is characterized as effective when the redundancy is sufficient to recover the lost data, ineffective when the redundancy is little to recover the lost data and inefficient when the redundancy is high for the lost data. To provide best performance for the streaming application and the network, it is important to determine, in real time, the proper amount of redundant information according to the loss behavior of the network. However it not clears how to choose optimal redundancy given the constraints mentioned above at any given point in time. Objective: This thesis investigated the limitations of existing static FEC schemes and suggested alternative approaches that can achieve effectiveness through sending the appropriate amount of FEC redundancy in real-time. Three dynamic redundancy adaptation control systems On-Off, Proportional, Proportional-Integral have been design and implemented based on existing conventional FEC mechanisms. Moreover the performance evaluation of each mechanism is performed on simulated environment. Method: A performance evaluation methodology using network simulation and key evaluation criteria to test the mechanisms under different network conditions and the scenarios for each different network are considered. The proposed mechanisms were implemented in a simulation environment by using NS2. After the implementation and validation of the techniques, several simulation experiments have been conducted to study the performance of each redundancy adjustment schemes. Results: The result of the simulation experiments and performance analysis showed that both Proportional and Proportional-Integral (PI) redundancy controller based on Adaptive Forward Error Correction (AFEC) mechanisms significantly reduce the number of discarded video blocks as compared with the On-Off based scheme. On the other hand On-Off based AFEC mechanisms added small number of excess redundancy. The amount of excess redundancy added by the Proportional and PI controllers significantly increases as the packet drop rate of the transmission channel increases. Conclusion: Based on the findings of this study, using the PI adaptation based AFEC mechanisms is potentially viable option for enhancing the performance of video streaming applications over the network. / +46762356096 +251929003705/+46739691250

Abstract This thesis proposes cross-layer approaches which enable to improve energy efficiency of wireless sensor networks and wireless body area networks (WSN & WBAN). The focus is on the physical (PHY) and medium access control (MAC) layers of communication protocol stack and exploiting their interdependencies. In the analysis of the PHY and MAC layers, their relevant characteristics are taken into account, and cross-layer models are developed to study the effect of these layers on energy efficiency. In addition, cross-layer analysis is applied at the network level by addressing hierarchical networks' energy efficiency. The objective is to improve energy efficiency by taking into account that substantial modifications to current standards and techniques are not required to take advantage of the proposed methods. The studied scenarios of WSN take advantage of the wake-up radio (WUR). A generic WUR-based MAC (GWR-MAC) protocol with objective to improve energy efficiency by avoiding idle listening is proposed. First, the proposed cross-layer model is developed at a general level and applied to study the forward error correction (FEC) code rate selection effect on the length of the transmission period and energy efficiency in a star topology network. Then an energy efficiency model for intelligent hierarchical architecture based on GWR-MAC is proposed and performance comparison with a duty-cycle radio (DCR) approach is performed. Interactions between different layers' devices are taken into account, and the WUR and DCR approaches are compared as a function of event frequency. The third cross-layer model focuses on the effect of the FEC code rate and data packet payload length on the energy efficiency of the IEEE Std 802.15.6-based WBANs using IR-UWB PHY. The results acquired by using analytical modelling and simulations with the Matlab software clearly illustrates the potential energy gains that can be achieved with the proposed cross-layer approaches. The developed WUR-based MAC protocol, analytical models and achieved results can be exploited by other researchers in the WSN and WBAN field. The contribution of this thesis is also to stimulate further research on these timely topics and foster development of short-range communication, which has a crucial role in future converging networks such as the Internet of Things. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa ehdotetaan protokollakerrosten välistä tietoa hyödyntäviä (cross-layer) lähestymistapoja, jotka mahdollistavat energiatehokkuuden parantamisen langattomissa sensori- ja kehoverkoissa. Työ kohdistuu fyysisen- ja kanavanhallintakerroksen välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen. Fyysisen- ja kanavanhallintakerrosten analyysissä huomioidaan niiden tärkeimmät ominaisuudet ja tutkitaan kerrosten yhteistä energiatehokkuutta. Lisäksi kerrosten välistä analyysiä sovelletaan verkkotasolle tutkimalla hierarkkisen verkon energiatehokkuutta. Tavoitteena on energiatehokkuuden parantamisen mahdollistaminen siten, että merkittäviä muutoksia nykyisiin standardeihin ja tekniikoihin ei tarvitse tehdä hyödyntääkseen ehdotettuja menetelmiä. Tutkitut sensoriverkkoskenaariot hyödyntävät heräteradiota. Väitöskirjassa ehdotetaan geneerinen heräteradiopohjainen kanavanhallintaprotokolla (GWR-MAC), jolla parannetaan energiatehokkuutta vähentämällä turhaa kanavan kuuntelua. Kerrosten välinen malli kehitetään ensin yleisellä tasolla ja sen avulla tutkitaan virheenkorjauskoodisuhteen valinnan vaikutusta lähetysperiodin pituuteen ja energiatehokkuuteen tähtitopologiaan pohjautuvissa sensoriverkoissa. Sitten väitöskirjassa ehdotetaan energiatehokkuusmalli älykkäälle GWR-MAC -protokollaan perustuvalle hierarkkiselle arkkitehtuurille ja sen suorituskykyä vertaillaan toimintajaksoperiaatteella toimivaan lähestymistapaan. Eri kerroksilla olevien laitteiden väliset vuorovaikutukset huomioidaan heräteradio- ja toimintajaksoperiaatteella toimivien verkkojen suorituskykyvertailussa tapahtumatiheyden funktiona. Kolmas malli kohdistuu virheenkorjauskoodisuhteen ja datapaketin hyötykuorman pituuden energiatehokkuusvaikutuksen tutkimiseen IEEE 802.15.6 -standardiin perustuvissa langattomissa kehoverkoissa. Analyyttinen mallinnus ja Matlab-ohjelmiston avulla tuotetut simulointitulokset osoittavat selvästi energiatehokkuushyödyt, jotka saavutetaan ehdotettuja menetelmiä käyttämällä. Kehitetty GWR-MAC -protokolla, analyyttiset mallit ja tulokset ovat hyödynnettävissä sensori- ja kehoverkkotutkijoiden toimesta. Tämän väitöskirjan tavoitteena on myös näiden ajankohtaisten aiheiden jatkotutkimuksen stimulointi sekä lyhyen kantaman viestinnän kehityksen vauhdittaminen, sillä niillä on erittäin merkittävä rooli tulevaisuuden yhteen liittyvissä verkoissa, kuten esineiden ja asioiden Internetissä.

Approved for public release, distribution is unlimited / Since the advent of Naval Warfare, Tactical Knowledge Management (KM) has been critical to the success of the On Scene Commander. Today's Tactical Knowledge Manager typically operates in a high stressed environment with a multitude of knowledge sources including detailed sensor deployment plans, rules of engagement contingencies, and weapon delivery assignments. However the WarFighter has placed a heavy reliance on delivering this data with traditional messaging processes while focusing on information organization vice knowledge management. This information oriented paradigm results in a continuation of data overload due to the manual intervention of human resources. Focusing on the data archiving aspect of information management overlooks the advantages of computational processing while delaying the empowerment of the processor as an automated decision making tool. Resource Description Framework (RDF) and XML provide the potential of increased machine reasoning within a KM design allowing the WarFighter to migrate from the dependency on manual information systems to a more computational intensive Knowledge Management environment. However the unique environment of a tactical platform requires innovative solutions to automate the existing naval message architecture while improving the knowledge management process. This thesis captures the key aspects for building a prototype Knowledge Management Model and provides an implementation example for evaluation. The model developed for this analysis was instantiated to evaluate the use of RDF and XML technologies in the Knowledge Management domain. The goal for the prototype included: 1. Processing required technical links in RDF/XML for feeding the KM model from multiple information sources. 2. Experiment with the visualization of Knowledge Management processing vice traditional Information Resource Display techniques. The results from working with the prototype KM Model demonstrated the flexibility of processing all information data under an XML context. Furthermore the RDF attribute format provided a convenient structure for automated decision making based on multiple information sources. Additional research utilizing RDF/XML technologies will eventually enable the WarFighter to effectively make decisions under a Knowledge Management Environment. / Civilian, SPAWAR System Center San Diego

Multimedia services and applications became the driving force in the development and widespread deployment of wireless broadband access technologies and high speed local area networks. Mobile phone service providers are offering wide range of multimedia applications over high speed wireless data networks. People can watch live TV, stream on-demand video clips and place videotelephony calls using multimedia capable mobile devices. Mobile devices will soon support capturing and displaying high definition video. Similar evolution is also occurring in the local area domain. The video receiver or storage devices were conventionally connected to display devices using cables. By using wireless local area networking (WLAN) technologies, convenient and cable-free connectivity can be achieved. Media over wireless home networks prevents the cable mess and provides mobility to portable TVs. However, there still exit challenges for improving the quality-of-service (QoS) of multimedia applications. Conventional service architectures, network structures and protocols lack to provide a robust distribution medium since most of them are not designed considering the high data rate and real-time transmission requirements of digital video. In this thesis the challenges of wireless video streaming are addressed in two main categories. Streaming protocol level issues constitute the first category. We will refer to the collection of network protocols that enable transmitting digital compressed video from a source to a receiver as the streaming protocol. The objective of streaming protocol solutions is the high quality video transfer between two networked devices. Novel application-layer video bit-rate adaptation methods are designed for handling short- and long-term bandwidth variations of the wireless local area network (WLAN) links. Both transrating and scalable video coding techniques are used to generate video bit-rate flexibility. Another contribution of this thesis study is an error control method that dynamically adjusts the forward error correction (FEC) rate based on channel bit-error rate (BER) estimation and video coding structure. The second category is the streaming service level issues, which generally surface in large scale systems. Service system solutions target to achieve system scalability and provide low cost / high quality service to consumers. Peer-to-peer assisted video streaming technologies are developed to reduce the load of video servers. Novel video file segment caching strategies are proposed for more efficient peer-to-peer collaboration.

Optimising the throughput performance for wireless networks is one of the challenging tasks in the objectives of communication engineering, since wireless channels are prone to errors due to path losses, random noise, and fading phenomena. The transmission errors will be worse in a multihop scenario due to its accumulative effects. Network Coding (NC) is an elegant technique to improve the throughput performance of a communication network. There is the fact that the bit error rates over one modulation symbol of 16- and higher order- Quadrature Amplitude Modulation (QAM) scheme follow a certain pattern. The Scattered Random Network Coding (SRNC) system was proposed in the literature to exploit the error pattern of 16-QAM by using bit-scattering to improve the throughput of multihop network to which is being applied the Random Linear Network Coding (RLNC). This thesis aims to improve further the SRNC system by using Forward Error Correction (FEC) code; the proposed system is called Joint RLNC and FEC with interleaving. The first proposed system (System-I) uses Convolutional Code (CC) FEC. The performances analysis of System-I with various CC rates of 1/2, 1/3, 1/4, 1/6, and 1/8 was carried out using the developed simulation tools in MATLAB and compared to two benchmark systems: SRNC system (System-II) and RLNC system (System- III). The second proposed system (System-IV) uses Reed-Solomon (RS) FEC code. Performance evaluation of System IV was carried out and compared to three systems; System-I with 1/2 CC rate, System-II, and System-III. All simulations were carried out over three possible channel environments: 1) AWGN channel, 2) a Rayleigh fading channel, and 3) a Rician fading channel, where both fading channels are in series with the AWGN channel. The simulation results show that the proposed system improves the SRNC system. How much improvement gain can be achieved depends on the FEC type used and the channel environment.