Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/624
Title: Μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων με δυνατότητα προσαρμογής του ρυθμού μεταδόσης πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών
Authors: Μπαρούνης, Κωνσταντίνος
Issue Date: 2007-11-09T08:56:22Z
Keywords: Πολυμεσικά δεδομένα
Ασύρματα δίκτυα 3ης γενιάς
Μέθοδοι ελέγχου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων
Μέθοδοι προσαρμογής ρυθμού μετάδοσης δεδομένων
Keywords (translated): Multimedia content
3rd generation wireless networks
Control methods of transmission rate
Adaptation methods of transmission rate
Abstract: Η ασύρματη επικοινωνία, στις μέρες μας, αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, όπου η μορφολογία του εδάφους, δεν επιτρέπει σε αρκετά γεωγραφικά διαμερίσματα την εγκατάσταση και χρήση ευρυζωνικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας καθώς στις μέρες μας βιώνουμε το πέρασμα από τη δεύτερη γενιά συστημάτων κινητών τηλεπικοινωνιών προς την τρίτη. Στην εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας με σκοπό την παροχή μιας πληθώρας υπηρεσιών στους συνδρομητές. Η διπλωματική αυτή έχει σαν σκοπό να μελετήσει την μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων όπως εικόνα και ήχος μέσα από την έννοια του streaming, πάνω από ασύρματα δίκτυα 3ης γενιάς (UMTS). Λαμβάνοντας υπό όψη τις δυσκολίες που συνεπάγεται η ασύρματη μετάδοση δεδομένων, όπως απώλεια πακέτων εξαιτίας λαθών ή συμφόρησης στο δίκτυο, αλλά και την καθυστέρηση που πολλές φορές παρατηρείται, προτείνεται ένας μηχανισμός για τη δυνατότητα προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των πολυμεσικών δεδομένων. Στόχος είναι η αντιμετώπιση των παραπάνω προβλημάτων, αλλά και η προσπάθεια για την όσο το δυνατόν ανεμπόδιστη λειτουργία της streaming υπηρεσίας ακόμα και σε μη ευνοϊκές δικτυακές συνθήκες. Ο έλεγχος του ρυθμού μετάδοσης αποτελεί ένα σημαντικό θέμα τόσο στα ενσύρματα όσο και στα ασύρματα δίκτυα μιας και σχετίζεται με τη σταθερότητα του δικτύου, συμβάλλει στη δίκαιη κατανομή του bandwidth μεταξύ των ροών δεδομένων και στην ομαλή μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Μία μέθοδος ελέγχου και προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων πάνω από δίκτυα είναι γνωστή σαν TCP Friendly Rate Control (TFRC). Χρησιμοποιείται κυρίως στα ενσύρματα δίκτυα και σύμφωνα με αυτή, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι συνάρτηση κάποιων παραμέτρων οι οποίες αντιπροσωπεύουν την κατάσταση που επικρατεί στο δίκτυο. Οι παράμετροι αυτοί είναι το μέγεθος των πακέτων, ο ρυθμός απώλειας των πακέτων και το Round Trip Time (RTT). Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στα ασύρματα δίκτυα με τη βοήθεια απαραίτητων τροποποιήσεων/παραλλαγών αλλά και υπό την προϋπόθεση ότι λαμβάνονται υπόψη οι ιδιαιτερότητες της ασύρματης μετάδοσης. Στα πλαίσια της έρευνας που έγινε στην εργασία αυτή, θα δείξουμε την ικανότητα που μπορεί να έχει ένας streaming server για έλεγχο και προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων σύμφωνα με τα προβλήματα που προαναφέρθηκαν και τις τρέχουσες συνθήκες του δικτύου. Βασικό στοιχείο στην προσπάθεια αυτή αποτέλεσε η λειτουργία του TFRC μηχανισμού σε συνδυασμό με τη χρήση του RTP πρωτοκόλλου. Το Real-Time Transport Protocol (RTP) παρέχει μια από άκρο σε άκρο υπηρεσία για αποστολή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Εφαρμογές που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο αυτό είναι κυρίως υπηρεσίες για μετάδοση (streaming) ήχου (φωνή) και βίντεο. Παρόλο που το RTP πρωτόκολλο δεν παρέχει κάποια εγγύηση για την έγκαιρη παράδοση των πακέτων, εντούτοις περιέχει ένα μηχανισμό για την απεικόνιση της κατάστασης του δικτύου και των χαρακτηριστικών της σύνδεσης μεταξύ των δύο άκρων. Πρόκειται για το RTP Control Protocol (RTCP) το οποίο αποστέλλει πακέτα (αναφορές) μεταξύ του streaming server και ενός χρήστη, με πληροφορία όπως ο ρυθμός απώλειας πακέτων, η καθυστέρηση μετάδοσης και ο RTT χρόνος. Με τον τρόπο αυτό, και για τις ανάγκες της ασύρματης μετάδοσης βίντεο σε πραγματικό χρόνο από έναν server προς έναν κινητό χρήστη μπορεί να γίνει μια συνεργασία του TFRC μηχανισμού και των RTP και RTCP πρωτοκόλλων. Ο server, κατά τη διάρκεια αποστολής (streaming) πολυμεσικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο προς ένα κινητό χρήστη, θα μπορεί να γνωρίζει ανά πάσα στιγμή τα χαρακτηριστικά της ασύρματης σύνδεσης, βασιζόμενος στα RTCP πακέτα που θα του στέλνει ο χρήστης και στη συνέχεια με τη βοήθεια του TFRC να κάνει υπολογισμό ενός άνω φράγματος για τον επιτρεπτό ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Η δυνατότητα για αλλαγή του ρυθμού μετάδοσης από τον server ανάλογα με τις δικτυακές συνθήκες, βασίζεται στο γεγονός της ικανότητας να επιλέγει το προς μετάδοση βίντεο μέσα από ένα σύνολο διαφορετικών κωδικοποιήσεων του βίντεο αυτού. Με άλλα λόγια, ο streaming server διατηρεί διάφορες εκδόσεις (αρχεία) του ίδιου βίντεο, με τη μόνη διαφορά ότι είναι κωδικοποιημένα σε διαφορετικούς ρυθμούς (Kbps) με βάση κάποιο πρότυπο (π.χ MPEG-2). Βέβαια είναι γεγονός, ότι ένας χαμηλός ρυθμός κωδικοποίησης της πολυμεσικής πληροφορίας, σε σχέση με ένα υψηλό ρυθμό, συνεπάγεται μια μέτρια ποιότητα στην εικόνα του βίντεο. Από την άλλη όμως πλευρά, η μετάδοση μέτριας ποιότητας (χαμηλού ρυθμού) βίντεο, συνδέεται με το χαμηλό ρυθμό στην μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων, γεγονός που είναι επιθυμητό σε περιπτώσεις όπου στο δίκτυο παρατηρείται συμφόρηση, μεγάλες καθυστερήσεις και απώλειες πακέτων. Κατά ανάλογο τρόπο, όταν στο δίκτυο δεν παρατηρούνται ιδιαίτερα προβλήματα, είναι επιθυμητή η μετάδοση από τον streaming server βίντεο υψηλού ρυθμού (καλής ποιότητας), καθώς το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι σε θέση να εξυπηρετήσει τις απαιτήσεις για μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων με υψηλό ρυθμό. Για την επιβεβαίωση των όσων αναφέρθηκαν παραπάνω, έγιναν μια σειρά από πειράματα κάνοντας χρήση ενός εμπορικού δικτύου κινητής τηλεφωνίας βασισμένο στην τεχνολογία 3ης γενιάς. Κάποιες υποθέσεις που έγιναν σχετικά με το σενάριο αυτό, αφορούν το διαθέσιμο bandwidth του ασύρματου καναλιού, το ρυθμό απώλειας πακέτων, το μέγεθος των πακέτων και την κίνηση στο δίκτυο. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η απώλεια των πακέτων μπορεί να οφείλεται τόσο στο ενδεχόμενο να παρατηρείται μεγάλη κίνηση στους κόμβους του δικτύου αλλά και σε αυτό της μη σωστής λήψης, εξαιτίας των παραγόντων εκείνων που επηρεάζουν την ασύρματη μετάδοση. Για την υλοποίηση του παραπάνω σεναρίου και των πειραμάτων έγινε χρήση ενός φορητού υπολογιστή (laptop) ο οποίος είχε τον ρόλο του κινητού χρήστη εξοπλισμένος με μια κάρτα για την ασύρματη πρόσβαση σε 3G δίκτυο παρόχου κινητής τηλεφωνίας. Η αποστολή των δεδομένων και ο έλεγχος του ρυθμού μετάδοσης έγινε με την βοήθεια ενός RTSP Server, που υλοποιήθηκε, βασισμένος στις βιβλιοθήκες του open source project LIVE555 (www.live555.com), στο εργαστήριο Κατανεμημένων Συστημάτων και Τηλεματικής του τμήματος. Τέλος θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ερευνητική διατριβή που έγινε στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας οδήγησε στην παρακάτω δημοσίευση σε διεθνές συνέδριο. An efficient mechanism for adaptive multimedia transmission in 3G networks. IADIS International Conference Wireless Applications and Computing 2007 (WAC 2007), Lisbon, Portugal, A. Alexiou, K. Barounis, C. Bouras, 6-8 July 2007. Αbstract: Η εργασία αυτή προτείνει ένα μηχανισμό για τον έλεγχο της συμφόρησης (congestion control) και την μετάδοση πολυμεσικής πληροφορίας (video) πάνω από το UMTS. Ο μηχανισμός αυτός εφαρμόζεται όταν ο κινητός χρήστης διαχειρίζεται πληροφορία πραγματικού χρόνου (real time), και παράλληλα υιοθετεί την θεωρία μίας ευρέως αποδεκτής μεθόδου για έλεγχο ου ρυθμού (rate control) στα ενσύρματα δίκτυα, γνωστή και ως equation based rate control. Σε αυτή την προσέγγιση, ο server προσαρμόζει τον ρυθμό μετάδοσης πολυμεσικής πληροφορίας λαμβάνοντας υπόψη τις εξής δικτυακές παραμέτρους: α) ρυθμός απώλειας πακέτων, β) round-trip χρόνος και γ) μέγεθος του πακέτου. Μέσα από μια σειρά εξομοιώσεων και πειραμάτων έγινε αξιολόγηση της ορθότητας και της επίδοσης του μηχανισμού. Αρχικά ο μηχανισμός αξιολογείται χρησιμοποιώντας το περιβάλλον του ns-2 εξομοιωτή, και στη συνέχεια γίνονται κάποια πειράματα σε δίκτυο UMTS εμπορικής χρήσης γνωστής τηλεπικοινωνιακής εταιρείας.
Abstract (translated): Wireless communication has become valuable, in a country like Greece, where the morphology of the ground does not allow the massive use of alternative means of communication like fiber optics. Especially, the field of mobile telecommunications has shown a remarkable growth over the past years, as we are now witnessing the pass from the second generation (2G) networks to the third generation (3G). However, this evolution can be regarded as the result of the demands for an integrated and functional mobile telecommunication system, with a plethora of new services offered to its users. The aim of this master thesis is to make a research in the transmission of multimedia content over a UMTS network, with the capability of adapting the transmission rate, depending on the network conditions. The control of the transmission rate is a very important aspect, not only in the wired networks, but also in the wireless networks, as it is responsible for the stability of the network, the fair sharing of the bandwidth between the traffic flows and the unaffected transmission of multimedia, like video and voice. One method for the control and the adaptation of the transmission rate over networks is known as TCP Friendly Rate Control (TFRC). This method is mainly used in wired networks and according to its function, the transmission rate is the outcome of various parameters across the network. These parameters are the size of the packets, the packet loss rate, and the Round Trip Time (RTT). This method can also be used in wireless networks as long as some modifications take place and that special needs of the wireless transmission have been taken into consideration. During this research, we can show how the TFRC mechanism and the Real-Time Transport Protocol (RTP) can be combined together for the needs of multimedia streaming over a wireless network. The RTP protocol provides end-toend delivery services for data with real-time characteristics such as interactive audio and video, while applications typically run RTP on top of UDP. RTP itself does not provide any mechanism to ensure timely delivery or other quality-ofservice guarantees. However, RTP consists of the RTP Control Protocol (RTCP), which monitors the quality of service like packet loss, delay, round trip time and conveys information about the participants in an on-going session. By this way, during a streaming session, the server would be able to have an image of the network conditions thanks to the RTCP information sent by the mobile client. Then, using the TFRC mechanism an upper bound for the transmission rate can be calculated in order to take advantage of the available bandwidth and to avoid causing network instability or abuse. The server would have the same video in different versions, depending on the coding in Kbits per second (Kbps) and then would have the capability of increasing or decreasing the transmission rate by switching the video files during the streaming session. In order to examine this scenario in real network conditions, some parameters will be taken into consideration, like the available bandwidth of the wireless network, the packet loss rate, the packet size and the network traffic. It must be noticed, that the packet loss could be caused by overloading the network or by those factors which can cause problems in the wireless transmission. For testing all the above, we perform some experiments using a laptop with a network card for having access in a 3G network as a mobile user, and a RTSP server for streaming the multimedia data to the client. The server is implemented, based on the Live555 (www.live555.com) libraries, where some extra functions are added in order to work according to the streaming scenario. Finally it should be mentioned that this thesis has been published on the IADIS International Conference, Wireless Applications and Computing 2007 with the title “An Efficient Mechanism for Adaptive Multimedia Transmission in 3G Networks” held in Lisbon, Portugal, July 6-8, 2007.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nimertis_Barounis.pdf1.8 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.