Μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε ασύρματα κινητά ad hoc δίκτυα

Thumbnail Image
Date
2013-06-11
Authors
Αδάμ, Γιώργος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Τα ασύρματα κινητά Ad Hoc δίκτυα γίνονται ολοένα και πιο δημοφιλή λόγω της αυξανόμενης χρήσης κινητών συσκευών. Οι κόμβοι αυτών των δικτύων μπορούν να κινούνται ελεύθερα στον χώρο, έχοντας ταυτόχρονα πολλαπλούς ρόλους αφού μπορούν να λάβουν και να στείλουν πληροφορία προερχόμενη από οποιοδήποτε πόρο του δικτύου. Αυτό σημαίνει ότι ένας κόμβος μπορεί να έχει το ρόλο του αποστολέα, του παραλήπτη και του αναμεταδότη. Η ικανότητα αυτών των δικτύων να αυτοπροσαρμόζονται και να δημιουργούν ένα συνεκτικό δίκτυο μέσω ασύρματων συνδέσεων, τα κάνει κατάλληλα για μια σειρά από εφαρμογές στις οποίες τα άλλα δίκτυα αποτυγχάνουν. Τέτοιες εφαρμογές περιλαμβάνουν τοπολογίες που στήνονται σε συνθήκες έκτακτης ανάγκης, δίκτυα αισθητήρων και γενικά τοπολογίες στις οποίες δεν υπάρχει προκαθορισμένη υποδομή ή η υποδομή που υπήρχε έχει καταστραφεί. Τα ασύρματα κινητά δίκτυα παρέχουν την ελευθερία στους κόμβους να κινηθούν ακόμα και μακρυά από σταθμούς βάσης ή και να αποσυνδεθούν προσωρινά από το υπόλοιπο δίκτυο, με αποτέλεσμα να καθιστούν δύσκολο το πρόβλημα της δρομολόγησης. Τα πρωτόκολλα δρομολόγησης που έχουν αναπτυχθεί για τέτοιου τύπου δίκτυα επηρεάζουν άμεσα τα χαρακτηριστικά της μετάδοσης δεδομένων και την απόδοση των σχετικών εφαρμογών. Κάθε πρωτόκολλο έχει τη δική του στρατηγική δρομολόγησης έτσι ώστε να καταφέρει να συνδέσει δυο κινητούς κόμβους του δικτύου. Η απόδοση μεταβάλλεται ανάλογα με την κατάσταση του δικτύου και τις επικρατούσες συνθήκες όπως η πυκνότητα των κόμβων σε μια συγκεκριμένη περιοχή, η ταχύτητα και η κατεύθυνση τους. Είναι προφανές ότι η επιλογή του κατάλληλου πρωτοκόλλου δρομολόγησης ανάλογα με τα χαρακτηριστικά και τις παραμέτρους του δικτύου παίζει πολύ σημαντικό ρόλο. Η ενσωμάτωση των κινητών συσκευών σε κινούμενα οχήματα έχει οδηγήσει σε έναν νέο τύπο δικτύων, τα ονομαζόμενα Ad Hoc δίκτυα οχημάτων ή Vehicular Ad hoc Networks (VANETs). Αυτά τα δίκτυα απαιτούν εξειδικευμένα πρωτόκολλα δρομολόγησης εξαιτίας της φύσης των κινητών Ad Hoc δικτύων. Η απόδοση αυτών των πρωτοκόλλων έχει αξιολογηθεί για την περίπτωση της γενικευμένης κίνησης αλλά όχι υπό το πρίσμα της μετάδοσης πολυμέσων και ειδικότερα της μετάδοσης βίντεο. Αρχικός στόχος αυτής της εργασίας είναι η πραγματοποίηση ενός συνόλου από εξομοιώσεις με στόχο την αξιολόγηση της απόδοσης των τριών από τα πιο δημοφιλή πρωτόκολλα δρομολόγησης για τα κινητά Ad Hoc δίκτυα MANETs και VANETs: AODV, DSR, και OLSR. Ο σκοπός της αξιολόγησης είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των πρωτοκόλλων όταν μεταβάλλεται το πλήθος των ταυτόχρονων μεταδόσεων βίντεο. Οι μετρικές που προτείνονται είναι • το ποσοστό απώλειας πακέτων • η καθυστέρηση από άκρο σε άκρο • η διακύμανση της καθυστέρησης (jitter) • η επιβάρυνση του δικτύου με πακέτα δρομολόγησης Η μετάδοση πολυμέσων μέσα από τα ασύρματα κινητά Ad Hoc δίκτυα δεν είναι πάντοτε αποδοτική εξαιτίας των υψηλών απαιτήσεων που υπάρχουν, όπως το υψηλό εύρος ζώνης και οι χαμηλοί χρόνοι καθυστέρησης. Δηλαδή, αυτά τα δίκτυα δεν δείχνουν ικανά να υποστηρίξουν μεταδόσεις πολυμέσων υψηλής ποιότητας και ειδικότερα μεταδόσεις βίντεο. Στα πλαίσια της εργασίας αναπτύσσεται και παρουσιάζεται ένας διαστρωματικός μηχανισμός για αποδοτική μετάδοση βίντεο πάνω σε ασύρματα Ad Hoc δίκτυα οχημάτων (VANETs). Ο μηχανισμός αυτός αποτελείται από έναν αλγόριθμο χρονοπρογραμματισμού και ανάθεσης προτεραιότητας στο επίπεδο δικτύου. Ακόμα προτείνεται και αξιολογείται η χρήση του προτύπου IEEE 802.11e στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων. Ο αλγόριθμος χρονοπρογραμματισμού και ανάθεσης προτεραιότητας στοχεύει στο να αξιοποιεί την πληροφορία που αφορά στον τύπο των πλαισίων των MPEG-4 βίντεο, με στόχο να παρέχει διαφορετικές προτεραιότητες ανάλογα με τη σημαντικότητα του κάθε πλαισίου. Στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων το πρωτόκολλο IEEE 802.11e προτείνεται να αναθέτει τη μέγιστη προτεραιότητα στα πακέτα βίντεο με στόχο την καλύτερη εξυπηρέτηση των εφαρμογών μετάδοσης πολυμέσων. Αυτή η επιλογή γίνεται για τη μείωση της καθυστέρησης και της απώλειας πακέτων εξαιτίας της κίνησης ανταγωνιστικών δεδομένων. Ο σχεδιασμός που παρουσιάζεται είναι εύκολα ενσωματώσιμος σε κάθε ασύρματο Ad Hoc δίκτυο, σαν επέκταση του δημοφιλούς πρωτοκόλλου δρομολόγησης AODV. Οι εφαρμογές μετάδοσης πολυμέσων συνήθως χρησιμοποιούν το UDP ως πρωτόκολλο μεταφοράς. Με αυτή την επιλογή αποφεύγονται οι καθυστερήσεις που προκαλούνται από αναμεταδόσεις πακέτων και από τους μηχανισμούς ελέγχου συμφόρησης του TCP, αλλά δημιουργούνται δυο σημαντικά προβλήματα. Το πρώτο πρόβλημα έχει να κάνει με τους πιθανούς περιορισμούς εύρους ζώνης με αποτέλεσμα τα πακέτα πολυμέσων να μην ελέγχονται από μηχανισμούς ελέγχου ροής και συμφόρησης, οδηγώντας σε αυξημένη απώλεια πακέτων. Το δεύτερο πρόβλημα είναι σχετικό με τη φιλικότητα προς το TCP πρωτόκολλο. Κάτω υπό ορισμένες συνθήκες, η μετάδοση πακέτων χωρίς κάποιον ελεγκτικό μηχανισμό μπορεί να οδηγήσει σε μια κατάσταση στην οποία οι εφαρμογές του δικτύου που χρησιμοποιούν το TCP να μην εξυπηρετούνται. Στα πλαίσια της εργασίας προτείνονται διαστρωματικές τεχνικές και μηχανισμοί που στοχεύουν στη βελτίωση της μετάδοσης βίντεο, μέσω του πρωτοκόλλου TFRC το οποίο είναι φιλικό ως προς την συνυπάρχουσα TCP κίνηση. Ο σχεδιασμός περιλαμβάνει μηχανισμούς που δίνουν προτεραιότητα στα πακέτα βίντεο, ενώ παράλληλα αξιοποιούνται πληροφορίες από τα κατώτερα επίπεδα του μοντέλου OSI. Συγκεκριμένα, αξιοποιούνται πληροφορίες που συλλέγονται από το στρώμα ζεύξης δεδομένων οι οποίες αφορούν την ποιότητα του λαμβανόμενου σήματος. Ο προτεινόμενος μηχανισμός χρησιμοποιεί τις μετρήσεις της ενέργειας σήματος ως προς τον θόρυβο του καναλιού (SNR) σε όλο το μήκος ενός μονοπατιού, προκειμένου να βελτιώσει την αποδοτικότητα του πρωτοκόλλου δρομολόγησης AODV και συγκεκριμένα τη διαδικασία ανακατασκευής μονοπατιών. Η αξιολόγηση που προτείνεται είναι με εξομοιώσεις στον εξομοιωτή δικτύων ns-2. Συμπερασματικά, στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων μέσω διαφόρων πρωτοκόλλων δρομολόγησης σε συνθήκες αστικού περιβάλλοντος. Επίσης, στόχος είναι η μελέτη και η ανάπτυξη διαστρωματικών μηχανισμών προσαρμοστικής μετάδοσης και η πιθανή βελτίωση ή παραμετροποίηση υπαρχόντων μηχανισμών για την αποδοτικότερη μετάδοση πάνω από τα ασύρματα κινητά Ad Hoc δίκτυα. Ο κεντρικός άξονας στην ανάπτυξη αυτών των μηχανισμών στηρίζεται στην παροχή προτεραιότητας στα πακέτα που περιέχουν δεδομένα πολυμέσων, στην ενίσχυση των μηχανισμών ελέγχου ροής και συμφόρησης και στη βελτίωση των πρωτοκόλλων δρομολόγησης αξιοποιώντας στοιχεία του φυσικού δικτύου, με απώτερο στόχο τη βελτίωση της απόδοσης της μετάδοσης πολυμεσικών δεδομένων.
Description
Keywords
Ασύρματα κινητά ad hoc δίκτυα, Πολυμέσα
Citation