L'émergence et la croissance rapide des services multimédia dans les réseaux IP ont créé de nouveaux défis pour les fournisseurs de services réseau, qui, au-delà de la Qualité de Service (QoS) issue des paramètres techniques de leur réseau, doivent aussi garantir la meilleure qualité de perception utilisateur (Quality of Experience, QoE) dans des réseaux variés avec différentes technologies d'accès. Habituellement, différentes méthodes et techniques sont utilisées pour prédire le niveau de satisfaction de l'utilisateur, en analysant l'effet combiné de multiples facteurs. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la commande du réseau en intégrant à la fois des aspects qualitatifs (perception du niveau de satisfaction de l'usager) et quantitatifs (mesure de paramètres réseau) dans l'objectif de développer des mécanismes capables, à la fois, de s'adapter à la variabilité des mesures collectées et d'améliorer la qualité de perception. Pour ce faire, nous avons étudié le cas de deux services multimédia populaires, qui sont : le streaming vidéo, et la voix sur IP (VoIP). Nous investiguons la QoE utilisateur de ces services selon trois aspects : (1) les méthodologies d'évaluation subjective de la QoE, dans le cadre d'un service vidéo, (2) les techniques d'adaptation de flux vidéo pour garantir un certain niveau de QoE, et (3) les méthodes d'allocation de ressource, tenant compte de la QoE tout en économisant l'énergie, dans le cadre d'un service de VoIP (LTE-A). Nous présentons d'abord deux méthodes pour récolter des jeux de données relatifs à la QoE. Nous utilisons ensuite ces jeux de données (issus des campagnes d'évaluation subjective que nous avons menées) pour comprendre l'influence de différents paramètres (réseau, terminal, profil utilisateur) sur la perception d'un utilisateur d'un service vidéo. Nous proposons ensuite un algorithme de streaming vidéo adaptatif, implémenté dans un client HTTP, et dont le but est d'assurer un certain niveau de QoE et le comparons à l'état de l'art. Notre algorithme tient compte de trois paramètres de QoS (bande passante, taille de mémoires tampons de réception et taux de pertes de paquets) et sélectionne dynamiquement la qualité vidéo appropriée en fonction des conditions du réseau et des propriétés du terminal de l'utilisateur. Enfin, nous proposons QEPEM (QoE Power Efficient Method), un algorithme d'ordonnancement basé sur la QoE, dans le cadre d'un réseau sans fil LTE, en nous intéressant à une allocation dynamique des ressources radio en tenant compte de la consommation énergétique / The emerging and fast growth of multimedia services have created new challenges for network service providers in order to guarantee the best user's Quality of Experience (QoE) in diverse networks with distinctive access technologies. Usually, various methods and techniques are used to predict the user satisfaction level by studying the combined impact of numerous factors. In this thesis, we consider two important multimedia services to evaluate the user perception, which are: video streaming service, and VoIP. This study investigates user's QoE that follows three directions: (1) methodologies for subjective QoE assessment of video services, (2) regulating user's QoE using video a rate adaptive algorithm, and (3) QoE-based power efficient resource allocation methods for Long Term Evaluation-Advanced (LTE-A) for VoIP. Initially, we describe two subjective methods to collect the dataset for assessing the user's QoE. The subjectively collected dataset is used to investigate the influence of different parameters (e.g. QoS, video types, user profile, etc.) on user satisfaction while using the video services. Later, we propose a client-based HTTP rate adaptive video streaming algorithm over TCP protocol to regulate the user's QoE. The proposed method considers three Quality of Service (QoS) parameters that govern the user perception, which are: Bandwidth, Buffer, and dropped Frame rate (BBF). The BBF method dynamically selects the suitable video quality according to network conditions and user's device properties. Lastly, we propose a QoE driven downlink scheduling method, i.e. QoE Power Escient Method (QEPEM) for LTE-A. It esciently allocates the radio resources, and optimizes the use of User Equipment (UE) power utilizing the Discontinuous Reception (DRX) method in LTE-A

High Performance Computing (HPC) has become an indispensable tool for the scientific community to perform simulations on models whose complexity would exceed the limits of a standard computer. An unfortunate trend concerning HPC systems is that their power consumption under high-demanding workloads increases. To counter this trend, hardware vendors have implemented power saving mechanisms in recent years, which has increased the variability in power demands of single nodes. These capabilities provide an opportunity to increase the energy efficiency of HPC applications. To utilize these hardware power saving mechanisms efficiently, their overhead must be analyzed. Furthermore, applications have to be examined for performance and energy efficiency issues, which can give hints for optimizations. This requires an infrastructure that is able to capture both, performance and power consumption information concurrently. The mechanisms that such an infrastructure would inherently support could further be used to implement a tool that is able to do both, measuring and tuning of energy efficiency. This thesis targets all steps in this process by making the following contributions: First, I provide a broad overview on different related fields. I list common performance measurement tools, power measurement infrastructures, hardware power saving capabilities, and tuning tools. Second, I lay out a model that can be used to define and describe energy efficiency tuning on program region scale. This model includes hardware and software dependent parameters. Hardware parameters include the runtime overhead and delay for switching power saving mechanisms as well as a contemplation of their scopes and the possible influence on application performance. Thus, in a third step, I present methods to evaluate common power saving mechanisms and list findings for different x86 processors. Software parameters include their performance and power consumption characteristics as well as the influence of power-saving mechanisms on these. To capture software parameters, an infrastructure for measuring performance and power consumption is necessary. With minor additions, the same infrastructure can later be used to tune software and hardware parameters. Thus, I lay out the structure for such an infrastructure and describe common components that are required for measuring and tuning. Based on that, I implement adequate interfaces that extend the functionality of contemporary performance measurement tools. Furthermore, I use these interfaces to conflate performance and power measurements and further process the gathered information for tuning. I conclude this work by demonstrating that the infrastructure can be used to manipulate power-saving mechanisms of contemporary x86 processors and increase the energy efficiency of HPC applications.

Nowadays, reducing the energy consumption of large scale and distributed infrastructures has truly become a challenge for both industry and academia. This is corroborated by the many efforts aiming to reduce the energy consumption of those systems. Initiatives for reducing the energy consumption of large scale and distributed infrastructures can without loss of generality be broken into hardware and software initiatives.Unlike their hardware counterpart, software solutions to the energy reduction problem in large scale and distributed infrastructures hardly result in real deployments. At the one hand, this can be justified by the fact that they are application oriented. At the other hand, their failure can be attributed to their complex nature which often requires vast technical knowledge behind proposed solutions and/or thorough understanding of applications at hand. This restricts their use to a limited number of experts, because users usually lack adequate skills. In addition, although subsystems including the memory are becoming more and more power hungry, current software energy reduction techniques fail to take them into account. This thesis proposes a methodology for reducing the energy consumption of large scale and distributed infrastructures. Broken into three steps known as (i) phase identification, (ii) phase characterization, and (iii) phase identification and system reconfiguration; our methodology abstracts away from any individual applications as it focuses on the infrastructure, which it analyses the runtime behaviour and takes reconfiguration decisions accordingly.The proposed methodology is implemented and evaluated in high performance computing (HPC) clusters of varied sizes through a Multi-Resource Energy Efficient Framework (MREEF). MREEF implements the proposed energy reduction methodology so as to leave users with the choice of implementing their own system reconfiguration decisions depending on their needs. Experimental results show that our methodology reduces the energy consumption of the overall infrastructure of up to 24% with less than 7% performance degradation. By taking into account all subsystems, our experiments demonstrate that the energy reduction problem in large scale and distributed infrastructures can benefit from more than "the traditional" processor frequency scaling. Experiments in clusters of varied sizes demonstrate that MREEF and therefore our methodology can easily be extended to a large number of energy aware clusters. The extension of MREEF to virtualized environments like cloud shows that the proposed methodology goes beyond HPC systems and can be used in many other computing environments.

La consommation des systèmes de communication pour l'IoT peut être réduite grâce à un nouveau paradigme de réception radio. La technique consiste à ajouter un récepteur supplémentaire à chaque noeud IoT, appelé Wake Up Radio (WU-RX). Le rôle du WU-RX est de surveiller le canal de communication et de réveiller le récepteur principal (aussi appelé récepteur de données) lors de la réception d'une demande de communication. Une analyse des implémentations des WU-RX existants montre que les systèmes de l'état de l'art sont suffisamment sensibles par rapport aux récepteurs de données classiques mais manquent de robustesse face aux brouilleurs. Pour améliorer cette caractéristique nous proposons un étage de filtrage accordable `a fréquence intermédiaire qui nous permet de scanner toute la bande FI en cherchant le canal utilisé pour la demande de réveil. Ce filtre a été implémenté en utilisant les principes du traitement numérique de données à temps continu et consiste en un CAN suivi par un processeur numérique à temps continu. Le principe de fonctionnement du CAN est basé sur les modulateurs delta, avec une boucle de retour améliorée qui lui permet la quantification des signaux de fréquence plus élevé pour une consommation énergétique plus faible. Par conséquent, il a une plage de fonctionnement entre 10MHz et 50MHz ; pour un SNDR entre 32dB et 42dB et une consommation de 24uW. Cela se traduit par une figure de mérite entre 3fJ/conv-step et 10fJ/conv-step, une des meilleures pour la gamme de fréquences sélectionnée. Le processeur numérique est constitué d'un filtre IIR suivi par un filtre FIR. L'atténuation hors bande apportée par le filtre IIR permet de réduire le taux d'activité vu par le filtre FIR qui, par conséquent, consomme moins d'énergie. Nous avons montré, en simulation, une réduction de la puissance consommée par le filtre FIR d'un facteur entre 2 et 3. Au total, les deux filtres atteignent plus que 40dB de réjection hors bande, avec une bande passante de 2MHz qui peut être délacée sur toute la bande passante du CAN. Dans un pire cas, le système proposé (CAN et processeur numérique) consomme moins de 100uW, cependant la configuration des signaux à l'entrée peut rendre cette consommation plus faible. / Wake-Up Receivers (WU-RX) have been recently proposed as candidates to reduce the communication power budget of wireless networks. Their role is to sense the environment and wake up the main receivers which then handle the bulk data transfer. Existing WU-RXs achieve very high sensitivities for power consumptions below 50uW but severely degrade their performance in the presence of out-of-band blockers. We attempt to tackle this problem by implementing an ultra low power, tunable, intermediate frequency filtering stage. Its specifications are derived from standard WU-RX architectures; it is shown that classic filtering techniques are either not tunable enough or demand a power consumption beyond the total WU-RX budget of 100uW. We thus turn to the use of Continuous Time Digital Signal Processing (CT-DSP) which offers the same level of programmability as standard DSP solutions while providing an excellent scalability of the power consumption with respect to the characteristics of the input signal. A CT-DSP chain can be divided into two parts: the CT-ADC and the CT-DSP itself; the specifications of these two blocks, given the context of this work, are also discussed. The CT-ADC is based on a novel, delta modulator-based architecture which achieves a very low power consumption; its maximum operation frequency was extended by the implementation of a very fast feedback loop. Moreover, the CT nature of the ADC means that it does not do any sampling in time, hence no anti-aliasing filter is required. The proposed ADC requires only 24uW to quantize signals in the [10MHz 50MHz] bandwidth for an SNR between 32dB and 42dB, resulting in a figure of merit of 3-10fJ/conv-step, among the best reported for the selected frequency range. Finally, we present the architecture of the CT-DSP which is divided into two parts: a CT-IIR and a CT-FIR. The CT-IIR is implemented by placing a standard CT-FIR in a feedback loop around the CT-ADC. If designed correctly, the feedback loop can now cancel out certain frequencies from the CT-ADC input (corresponding to those of out-of-band interferers) while boosting the power of the useful signal. The effective amplitude of the CT-ADC input is thus reduced, making it generate a smaller number of tokens, thereby reducing the power consumption of the subsequent CT-FIR by a proportional amount. The CT-DSP consumes around 100uW while achieving more than 40dB of out-of-band rejection; for a bandpass implementation, a 2MHz passband can be shifted over the entire ADC bandwidth.

De nos jours, la demande en trafic mobile a considérablement augmenté. Face à cette croissance, plusieurs propositions font l'objet d'étude pour remédier à un tel défi. L’architecture des réseaux d’accès de type Cloud (C-RAN) est l’une des propositions pour faire face à cette demande croissante, et constitue une solution candidate potentielle pour les réseaux futurs 5G. L'architecture C-RAN dissocie deux éléments principaux de la station de base: La BBU ou ``Baseband Unit", qui constitue une unité intelligente pour le traitement des données en bande de base, et le RRH ou ``Remote Radio Head", constituant en une antenne passive pour fournir l'accès aux utilisateurs (UEs). Grâce à l’architecture C-RAN, les BBUs sont centralement regroupées, alors que les RRHs sont distribués sur plusieurs sites. Plusieurs avantages sont ainsi dérivés, tels que le gain en multiplexage statistique, l’efficacité d’utilisation des ressources, et l’économie de puissance. Contrairement à l’architecture conventionnelle où chaque RRH est exclusivement associé à une BBU, dans l’architecture C-RAN, plusieurs RRHs sont regroupés en une seule BBU lorsque les conditions de charge sont faibles. Ceci présente plusieurs avantages, tel que l’amélioration en efficacité énergétique et la minimisation en consommation de puissance. Dans cette thèse, nous adressons le problème d’optimisation des associations BBU-RRH. Nous nous intéressons à l’optimisation des regroupements des RRHs aux BBUs en tenant compte de critères multiples. Plusieurs contraintes sont ainsi envisagées, tel que la réduction de la consommation d'énergie sous garantie de Qualité de Service (QoS) minimale. En outre, la prise en compte du changement du niveau d’interférence en activant/désactivant les BBUs est primordiale pour l’amélioration de l’efficacité spectrale. En plus, décider dynamiquement de la réassociation des RRHs aux BBUs sous des conditions de charges variables représente un défi, vu que les UEs connectés aux RRHs changeant leurs associations font face à des ``handovers" (HOs). / The demand on mobile traffic has been largely increasing nowadays. Facing such growth, several propositions are being studied to cope with this challenge. Cloud-Radio Access Networks Architecture (C-RAN) is one of the proposed solutions to address the increased demand, and is a potential candidate for future 5G networks. The C-RAN architecture dissociates two main elements composing the base station: The Baseband Unit (BBU), consisting in an intelligent element to perform baseband tasks functionalities, and the Remote Radio Head (RRH), that consists in a passive antenna element to provide access for serviced User Equipments (UEs). In C-RAN architecture, the BBUs migrate to a Cloud data center, while RRHs remain distributed across multiple sites. Several advantages are derived, such as statistical multiplexing gain, efficiency in resource utilization and power saving. Contrarily to conventional architecture, where each RRH is associated to one BBU, in C-RAN architecture, multiple RRHs can be embraced by one single BBU when network load conditions are low, bringing along several benefits, such as enhanced energy efficiency, and power consumption minimization. In this thesis, the BBU-RRH association optimization problem is addressed. Our aim is to optimize the BBU-RRH association schemes, taking into consideration several criteria. The problem presents many constraints: For example, achieving minimized power consumption while guaranteeing a minimum level of Quality of Service (QoS) is a challenging task. Further, taking into account the interference level variation while turning ON/OFF BBUs is paramount to achieve enhanced spectral efficiency. Moreover, deciding how to re-associate RRHs to BBUs under dynamic load conditions is also a challenge, since connected UEs face handovers (HOs) when RRHs change their associations.

De nos jours, réduire la consommation énergétique des infrastructures de calcul à grande échelle est devenu un véritable challenge aussi bien dans le monde académique qu’industriel. Ceci est justifié par les nombreux efforts visant à réduire la consommation énergétique de ceux-ci. Ces efforts peuvent sans nuire à la généralité être divisés en deux groupes : les approches matérielles et les approches logicielles.Contrairement aux approches matérielles, les approches logicielles connaissent très peu de succès à cause de leurs complexités. En effet, elles se focalisent sur les applications et requièrent souvent une très bonne compréhension des solutions proposées et/ou de l’application considérée. Ce fait restreint leur utilisation à un nombre limité d’experts puisqu’en général les utilisateurs n’ont pas les compétences nécessaires à leurs implémentation. Aussi, les solutions actuelles en plus de leurs complexités de déploiement ne prennent en compte que le processeur alors que les composants tel que la mémoire, le stockage et le réseau sont eux aussi de gros consommateurs d’énergie. Cette thèse propose une méthodologie de réduction de la consommation énergétique des infrastructures de calcul à grande échelle. Elaborée en trois étapes à savoir : (i) détection de phases, (ii) caractérisation de phases détectées et (iii) identification de phases et reconfiguration du système ; elle s’abstrait de toute application en se focalisant sur l’infrastructure dont elle analyse le comportement au cours de son fonctionnement afin de prendre des décisions de reconfiguration.La méthodologie proposée est implémentée et évaluée sur des grappes de calcul à haute performance de tailles variées par le biais de MREEF (Multi-Resource Energy Efficient Framework). MREEF implémente la méthodologie de réduction énergétique de manière à permettre aux utilisateurs d’implémenter leurs propres mécanismes de reconfiguration du système en fonction des besoins. Les résultats expérimentaux montrent que la méthodologie proposée réduit la consommation énergétique de 24% pour seulement une perte de performance de moins de 7%. Ils montrent aussi que pour réduire la consommation énergétique des systèmes, on peut s’appuyer sur les sous-systèmes tels que les sous-systèmes de stockage et de communication. Nos validations montrent que notre méthodologie s’étend facilement à un grand nombre de grappes de calcul sensibles à l’énergie (energy aware). L’extension de MREEF dans les environnements virtualisés tel que le cloud montre que la méthodologie proposée peut être utilisée dans beaucoup d’autres environnements de calcul. / Nowadays, reducing the energy consumption of large scale and distributed infrastructures has truly become a challenge for both industry and academia. This is corroborated by the many efforts aiming to reduce the energy consumption of those systems. Initiatives for reducing the energy consumption of large scale and distributed infrastructures can without loss of generality be broken into hardware and software initiatives.Unlike their hardware counterpart, software solutions to the energy reduction problem in large scale and distributed infrastructures hardly result in real deployments. At the one hand, this can be justified by the fact that they are application oriented. At the other hand, their failure can be attributed to their complex nature which often requires vast technical knowledge behind proposed solutions and/or thorough understanding of applications at hand. This restricts their use to a limited number of experts, because users usually lack adequate skills. In addition, although subsystems including the memory are becoming more and more power hungry, current software energy reduction techniques fail to take them into account. This thesis proposes a methodology for reducing the energy consumption of large scale and distributed infrastructures. Broken into three steps known as (i) phase identification, (ii) phase characterization, and (iii) phase identification and system reconfiguration; our methodology abstracts away from any individual applications as it focuses on the infrastructure, which it analyses the runtime behaviour and takes reconfiguration decisions accordingly.The proposed methodology is implemented and evaluated in high performance computing (HPC) clusters of varied sizes through a Multi-Resource Energy Efficient Framework (MREEF). MREEF implements the proposed energy reduction methodology so as to leave users with the choice of implementing their own system reconfiguration decisions depending on their needs. Experimental results show that our methodology reduces the energy consumption of the overall infrastructure of up to 24% with less than 7% performance degradation. By taking into account all subsystems, our experiments demonstrate that the energy reduction problem in large scale and distributed infrastructures can benefit from more than “the traditional” processor frequency scaling. Experiments in clusters of varied sizes demonstrate that MREEF and therefore our methodology can easily be extended to a large number of energy aware clusters. The extension of MREEF to virtualized environments like cloud shows that the proposed methodology goes beyond HPC systems and can be used in many other computing environments.

Predložená doktorandská dizertačná práca (ďalej len práca) sa zaoberá rozsiahlou analýzou valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom a predikciou výkonových úspor dosiahnutých aplikáciou navrhnutého valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom v hydrostatickom pohone vybraných mobilných pracovných strojov. Teoretický rozbor princípov fungovania valčekového hydrogenerátora a teória jednorozmerného simulačného modelu sú popísané v prvej časti práce. Na základe odvodenej teórie je vytvorený simulačný model, ktorý je vhodný na predikciu priebehu tlaku v komorách valčekového hydrogenerátora, síl pôsobiacich na valček a na predikciu vnútorných únikov vzniknutých skratovaním rozvodovej dosky, ktoré majú priamy vplyv na objemovú účinnosť valčekového hydrogenerátora. Simulačný model bol úspešne použitý pre optimalizáciu rozvodových dosiek valčekového hydrogenerátora a vhodnosť simulačného modelu potvrdili následné merania Práca obsahuje aj analýzu síl pôsobiacich na vodiaci prstenec, ktorej výsledky boli taktiež potvrdené meraním. Analýza týchto síl môže vylepšiť v konečnom dôsledku parametre budúcich tlakových regulácii. Práca ďalej obsahuje základné porovnanie použitých tlakových regulácii. Všetky uskutočnené merania potvrdili, že valčekový hydrogenerátor s premenlivým geometrickým objemom s testovanými tlakovými reguláciami je schopný úspešne pracovať v hydrostatickej prevodovke. Druhá časť práce analyzuje potenciál výkonových úspor valčekového hydrogenerátora s premenlivým geometrickým objemom pre dve mobilné aplikácie - teleskopický nakladač s hmotnosťou 9 ton a kombajn s hmotnosťou 20 ton. Analýza vyžaduje jednorozmerný simulačný model hydrostatického pohonu s teplotnou predikciou hydrostatickej prevodovky. Dva rozdielne koncepty variabilného doplňovacieho systému hydrostatickej prevodovky sú porovnané so štandardným doplňovacím systémom pre pracovný a transportný režim oboch vybraných typov vozidiel. Simulácia pohonu vozidla s valčekovým hydrogenerátorom s premenlivým geometrickým objemom vo funkcii doplňovacieho hydrogenerátora a obtokovou clonou potvrdili vyššie úspory iba v prípadoch, kedy rýchlosť doplňovacieho hydrogenerátora bola výrazne vyššia a prietok cez obtokovú clonu do skrine hlavného hydrogenerátora zabezpečil dostatočné chladenie. Najvyššie výkonové úspory boli dosiahnuté s premenlivým preplachovacím systémom, ktorého prietok sa menil podľa požiadaviek hydrostatickej prevodovky. Záver druhej časti práce sa zaoberá metodikou dimenzovania veľkosti doplňovacieho hydrogenerátora.

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