Dynamic network resource management and service adaptation in interactive digital broadcasting systems for achieving the maximum possible quality of service
Authors: Σιδέρης Ανάργυρος 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει στη βέλτιστη λειτουργία των αποκεντρωμένων δικτύων επίγειας ψηφιακής διαδραστικής ευρυεκπομπής για την μεταφορά πολυμεσικών υπηρεσιών με την μέγιστη δυνατή ποιότητα υπηρεσίας, λαμβάνοντας υπ’ όψιν τους διαθέσιμους – ανά πάσα στιγμή – διακτυακούς πόρους. Προς την κατεύθυνση αυτή σχεδιάστηκε, υλοποιήθηκε και αξιολογήθηκε ένας μηχανισμός για την δυναμική διαχείριση δικτυακών πόρων και προσαρμογή των πολυμεσικών υπηρεσιών, στον κάθε ενδιάμεσο κόμβο διανομής του δικτύου επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής. Στα πλαίσια αυτά και πρότερα του σχεδιασμού του προτεινόμενου μηχανισμού διεξάχθηκε βιβλιογραφική έρευνα, η οποία έδειξε την ύπαρξη μηχανισμών διαχείρισης δικτυακών πόρων και προσαρμογής υπηρεσιών που λειτουργούσαν ακολουθώντας κεντροποιημένες ή ημικατανεμημένες προσεγγίσεις, οι οποίες όμως αντιμετωπίζουν θέματα κλιμακοθεσιμότητας και αποτυχίας κεντρικού σημείου. Σε αντιδιαστολή, η παρούσα διατριβή προτείνει την υλοποίηση ενός μηχανισμού κατανεμημένης διαχείρισης των δικτυακών πόρων και προσαρμογής των υπηρεσιών, ο οποίος εδρεύει εξολοκλήρου στους περιφερειακούς κόμβους του δικτύου επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής, αντιμετωπίζοντας έτσι «εκ σχεδιασμού» τα προαναφερθέντα θέματα. Η αξιολόγηση του προτεινόμενου μηχανισμού έλαβε χώρα σε ένα πρότυπο δίκτυο διαδραστικής επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής, τόσο για UDP όσο και για TCP πολυμεσικές υπηρεσίες.Τα πειραματικά αποτελέσματα, αναφορικά με τη διαχείριση των δικτυακών πόρων, έδειξαν την ικανότητα της προτεινόμενης λύσης να λειτουργεί εξίσου καλά με τους υπάρχοντες κεντροποιημένους και ημικατανεμημένους μηχανισμούς διαχείρισης δικτυακών πόρων, παρέχοντας όμως, λόγω του κατανεμημένου σχεδιασμού, καλύτερη κλιμακοθεσιμότητα και ανοχή σε λάθη. Στα ίδια πλαίσια, η αξιολόγηση του συστήματος προσαρμογής υπηρεσιών έδειξε την ικανότητα του να προσαρμόζει αποδοτικά τόσο TCP όσο και UDP υπηρεσίες εικόνας/ήχου στους διαθέσιμους δικτυακούς πόρους, χρησιμοποιώντας είτε την τεχνική προσαρμογής του TCP διαφημιζόμενου παραθύρου είτε την τεχνική διακωδικοποίησης. Πιο ειδικά η πρώτη τεχνική όταν χρησιμοποιήθηκε για την προσαρμογή HTTP Adaptive Streaming υπηρεσιών έδωσε 88% μικρότερη αμφίδρομη καθυστέρηση (Round Trip Time-RTT) και μηδενικές TCP επανεκπομπές πακέτων, συγκρινόμενη με τη χρήση συμβατικών τεχνικών μορφοποίησης κίνησης· ένα αποτέλεσμα το οποίο μπορεί να επιφέρει μείωση στον αριθμό αλλά και στο εύρος των διακυμάνσεων του TCP ρυθμού ροής έχοντας έτσι σαν συνέπεια τη μείωση των εναλλαγών μεταξύ των διαφορετικών επιπέδων ποιότητας (Quality Profiles) που εμπεριέχει κάθε HTTP Adaptive Streaming υπηρεσία. Αναγνωρίζοντας ότι παρόλη τη χρήση των μηχανισμών διαχείρισης δικτυακών πόρων και προσαρμογής υπηρεσιών, οι περιορισμένοι δικτυακοί πόροι του καναλιού ευρυεκπομπής (UHF ζεύξη) αποτελούν μια σημαντική πρόκληση στην κλιμακοθεσιμότητα των αποκεντρωμένων δικτύων επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής—ιδιαίτερα όταν στο προσκήνιο μπαίνει η μεταφορά δημοφιλών διαδικτυακών υπηρεσιών εικόνας και ήχου (π.χ. YouTube video clips)—εισάγεται η χρήση ενός μηχανισμού ελαχιστοποίησης του δικτυακού φόρτου. Ο μηχανισμός αυτός στοχεύει ειδικά στις HTTP Adaptive Streaming υπηρεσίες, καθότι αναμένεται ότι το πλήθος των διαδικτυακών υπηρεσιών εικόνας/ήχου θα χρησιμοποιεί HTTP Adaptive Streaming, όπως το YouTube. Η πειραματική αξιολόγηση του εν λόγω μηχανισμού έδωσε μειώσεις δικτυακού φόρτου που αγγίζουν το 53% (το ποσοστό θα αυξάνει όσο αυξάνει και ο αριθμός των χρηστών που αιτείται παράλληλα την ίδια υπηρεσία). Τέλος, επισημαίνεται μια θετική παρενέργεια του εν λόγω μηχανισμού που είναι η εξάλειψη της άνισης κατανομής ποιότητα υπηρεσίας στους χρήστες, καθώς όλοι τους λαμβάνουν το ίδιο ποιοτικό επίπεδο (Quality Profile) της HTTP Adaptive Streaming υπηρεσίας.