izpis_h1_title_alt

ZAGOTAVLJANJE KAKOVOSTI KOMUNIKACIJE V VEČUPORABNIŠKEM SISTEMU OFDM
RUGELJ, MIHA (Avtor), Kos, Andrej (Mentor) Več o mentorju... Povezava se odpre v novem oknu

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (9,43 MB)

Izvleček
Hiter tehnološki razvoj in vedno večja razširjenost komunikacijskih omrežij sta v zadnjem desetletju omogočila uporabnikom dostop do novih telekomunikacijskih storitev in aplikacij. V sodobnih telekomunikacijskih sistemih predstavlja vse večji izziv ne samo zagotavljanje QoS, ampak tudi QoE. QoS je tradicionalni način merjenja zmogljivosti sistema z vidika omrežne perspektive in zajema obsežen nabor mehanizmov. V omrežjih IP se QoS zagotavlja z uporabo različnih mehanizmov, kot so integrirane in diferencirane storitve. Ti mehanizmi večinoma temeljijo na različnih parametrih omrežja, kot so zakasnitev, variacija zakasnitve, izguba paketov in pasovna širina. Omenjeni mehanizmi so večinoma togi, zagotavljajo malo dinamike in temeljijo na objektivnih metrikah QoS. Parametri, ki jih optimizirajo mehanizmi QoS, so merjeni na omrežnem nivoju oziroma na nivoju paketov in ne prispevajo neposredno h kakovosti, kot jo dojema končni uporabnik. še več, ti mehanizmi ne vključujejo celotne poti komunikacije, človeške percepcije kakovosti, predhodnih izkušenj, uporabnikovih pričakovanj in različnih psiholoških, socioloških in demografskih dejavnikov. Na znanstveno-raziskovalnem področju tudi še ni eksplicitno in natančno določeno, kako uporaba različnih optimizacijskih algoritmov in mehanizmov QoS vpliva na izboljšanje kakovosti, kot jo dojema končni uporabnik. Merjenje in zagotavljanje QoE postaja zato vse pomembnejši koncept v sodobnih telekomunikacijskih omrežjih. Pomemben je tako za končne uporabnike, kot za ponudnike internetnih storitev. človeška percepcija kakovosti je na psihožičnem področju dobro raziskana in natančno defnirana. V literaturi lahko zasledimo različne modele, ki vzpostavljajo povezavo med QoS in QoE, predvsem za časovno kritične storitve realnega časa. Po drugi strani pa obstaja le malo raziskav za interaktivne aplikacije, ki delujejo po principu najboljših zmožnosti. Glavni problem predstavlja predvsem pomanjkanje ustreznih matematičnih modelov percepcije kakovosti in nepoznavanje različnih objektivnih in subjektivnih parametrov, ki posredno ali neposredno vplivajo na uporabnikov QoE. V prvem delu disertacije smo se osredotočili na teoretično in eksperimentalno študijo odkrivanja relacij med človeško percepcijo kakovosti, različnimi kontekstualnimi dejavniki in objektivnimi parametri QoS za interaktivne aplikacije. Znano je, da je spletno brskanje trenutno najpomembnejša in najbolj razširjena interaktivna aplikacija, ki deluje na principu prenosnega načina najboljših zmožnosti. Razumevanje človeške percepcije kakovosti za spletno brskanje in modeliranje le-tega, tako predstavlja dober vpogled v zagotavljanje kakovosti za širok spekter interaktivnih aplikacij. V disertaciji smo izvedli dva različna laboratorijska eksperimenta za spletno brskanje, kar obsega pripravo, načrtovanje, izbor testne množice in analizo rezultatov. V prvem eksperimentu smo preučevali vpliv omrežnih parametrov QoS in predhodne uporabniške izkušnje na človeško percepcijo kakovosti. Dokazali smo, da zakasnitev prikaza spletne strani in predhodna izkušnja značilno vplivata na QoE končnega uporabnika. Na podlagi pridobljenih podatkov smo določili dva matematična modela percepcije kakovosti za spletno brskanje, in sicer: logaritemski (psihofizična teorija Weber-Fetchner) in eksponenti model. V skladu z rezultati eksperimenta smo določili subjektivni prag QoE in ocenili potrebno količino sistemskih virov za doseganje le-tega. Rezultat drugega eksperimenta je Markovski model QoE. Modeliranje QoE z verjetnostno teorijo Markovskih procesov je trenutno še neraziskano področje. Elemente Markovskega modela smo določili na podlagi verjetnostne teorije diskretnih stohastičnih procesov. Iz podatkov eksperimenta smo določili enostopenjsko verjetnostno matriko prehajanja stanj QoE, ki prikazuje in ovrednoti vpliv predhodne izkušnje na trenutno percepcijo kakovosti. V eksperimentalni študiji smo dokazali, da Markovski modeli pomembno pripomorejo k dodatnemu razumevanju percepcije kakovosti za interaktivne aplikacije. Z ustreznim načrtovanjem telekomunikacijskih sistemov in optimizacijo sistemskih virov, v skladu s predstavljenimi modeli QoE, lahko bistveno povečamo kakovost uporabniške izkušnje za različne tipe storitev in aplikacij. Vse bolj pomembno področje širokopasovnega dostopa predstavljajo brezžična in mobilna omrežja. Brezžični komunikacijski sistemi uporabljajo številne tehnike sodostopa do komunikacijskega kanala, kot so TDMA, FDMA, CDMA, SDMA in OFDMA. Najbolj razširjena tehnika prenosa z več nosilci je OFDM. Način sodostopa do kanala, na podlagi tehnike OFDM, se v znanstveno-raziskovalni literaturi označuje kot večuporabniški sistem OFDM (MU-OFDM) oziroma OFDMA. Zagotavljanje kakovosti v takšnih omrežjih predstavlja velik izziv predvsem zaradi skupnega komunikacijskega kanala in mnogih neželenih učinkov kanala, ki vplivajo na delovanje sistema. Zagotavljanje kakovosti v brezžičnih in mobilnih omrežjih naslednje generacije je zelo aktualna tematika na znanstveno-raziskovalnem področju. Obstaja širok nabor mehanizmov, ki zagotavljajo kakovost z različnimi optimizacijskimi metodami in dinamičnimi mehanizmi dodeljevanja virov. Dejstvo je, da ti mehanizmi večinoma temeljijo na objektivnih metrikah QoS. To predstavlja tudi glavni problem obstoječih metod dodeljevanja virov, saj trenutno ni jasno definirano, kako izboljšanje določenih parametrov QoS dejansko vpliva oziroma poveča kakovost, kot jo dojema končni uporabnik. V drugem delu disertacije smo predstavili in razvili popolnoma nov pristop k zagotavljanju kakovosti v brezžičnih in mobilnih omrežjih za večuporabniški sistem OFDM. Koncept temelji na uporabniško usmerjenem pristopu dodeljevanja virov in omogoča neposredno povečanje percepcije kakovosti končnega uporabnika. Glavno novost predstavlja neposredna vpeljava percepcije kakovosti, v smislu QoE, v proces dodeljevanja virov tako za interaktivne, kot tudi za časovno kritične storitve realnega časa. Za večuporabniški sistem OFDM smo definirali optimizacijski problem, ki temelj na konceptu QoE oziroma na matematičnih modelih percepcije kakovosti. Na podlagi optimizacijskega problema smo razvili dva uporabniško usmerjena algoritma dodeljevanja virov, ki z majhno kompleksnostjo dodeljujeta razpoložljive vire, v skladu s specifičnimi zahtevami heterogenih storitvenih podatkovnih tokov. Namen prvega algoritma (t.j., Max-Min MOS) je maksimiranje minimalne vrednosti MOS in predstavlja sub-optimalno rešitev predlaganega optimizacijskega problema. V sub-optimalnem algoritmu je optimizacija parametrov izvedena s strategijo združenega dodeljevanja podnosilcev in moči. Drugi algoritem (t.j., QoE-OFDM) vzpostavlja učinkovito ravnovesje med kakovostjo uporabniške izkušnje in spektralno učinkovitostjo sistema OFDMA. Algoritem QoE-OFDM odpravlja tudi nekatere pomanjkljivosti algoritma Max-Min MOS. Učinkovitost predlaganih algoritmov smo preverili z numeričnimi simulacijami. Algoritma smo primerjali z dobro znanimi algoritmi dodeljevanja virov v sistemu OFDMA. Rezultate simulacij smo primerjali z vidika dosežene kakovosti in spektralne učinkovitosti sistema. Rezultati so pokazali veliko učinkovitost sub-optimalne rešitve, ki z relativno majhno kompleksnostjo dosega skoraj optimalno zmogljivost sistema OFDMA. Nadalje so rezultati pokazali, da predlagana algoritma, v primerjavi z dobro znanimi metodami, bistveno povečata kakovost komunikacije, v smislu QoE, za heterogene storitve in aplikacije. Dokazali smo, da lahko z algoritmi, ki temeljijo na modelih človeške percepcije kakovosti, dosežemo pravično dodeljevanje kapacitete, veliko učinkovitost izrabe sistemskih virov, ustrezno ravnovesje med minimalnim pragom QoE ter visoko spektralno učinkovitostjo in pravično dodeljevanje virov med vse uporabnike heterogenega večuporabniškega sistema OFDM.

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:človeška percepcija kakovosti, dinamično dodeljevanje virov, interaktivne aplikacije, kakovost storitve (QoS), kakovost uporabniške izkušnje (QoE), Markovski model QoE, predhodna uporabniška izkušnja, sistem OFDMA, spletno brskanje, srednja ocena mnenja (MOS), večuporabniški sistem OFDM (MUOFDM)
Vrsta gradiva:Doktorsko delo/naloga (mb31)
Organizacija:FE - Fakulteta za elektrotehniko
Leto izida:2015
Število ogledov:726
Število prenosov:279
Metapodatki:XML RDF-CHPDL DC-XML DC-RDF
 
Skupna ocena:(0 glasov)
Vaša ocena:Ocenjevanje je dovoljeno samo prijavljenim uporabnikom.
:
Objavi na: Bookmark and Share

Sekundarni jezik

Jezik:Angleški jezik
Naslov:PROVIDING QUALITY OF COMMUNICATION IN A MULTIUSER OFDM SYSTEM
Izvleček:
Future wireless and mobile communication systems should provide an appropriate level of QoE for heterogeneous services. In recent years, technical QoS has been an important research topic. Current telecommunications systems are mostly driven by QoS mechanisms, which include a comprehensive set of di_erent parameters. In IP networks the QoS is provided through the use of various mechanisms, such as integrated and di_erentiated services. These mechanisms are mostly based on network parameters, such as delay transfer, delay variation (jitter), packet loss and bandwidth. The aforementioned mechanisms are rigid, providing little dynamics and are typically based on the objective QoS metrics. Parameters optimized by such QoS mechanisms are measured at the packet level and do not directly contribute to the user perception of quality. Furthermore, these mechanisms do not include the complete end-to-end communication path, user perception of quality, previous user's experience, user's expectations and various psychological, sociological and demographic factors. Currently, it is also not clear to what degree the usage of di_erent optimization algorithms and QoS mechanisms is e_cient in terms of perceived improvements and experience from the user's perspective. Therefore, the ultimate goal of wireless network resource allocation provisioning and of design of e_cient services is to improve the subjective user's perception. This concept is very important for end users and internet service providers. Many de_nitions and specialized models have been proposed in the literature that provide mapping between QoS and QoE for time-critical real time services. On the other hand, only few studies exist for the best e_ort interactive applications. The main problem is that QoE is a complex concept consisting of many subjective and objective parameters involving di_erent psychological and technical factors that are not always well understood. Moreover, currently known contextual factors and mathematical models, which map network QoS parameters and user perception of quality, do no adequately describe the user's QoE. In the _rst part of the thesis we focused on the theoretical and experimental study of developing a connection between the user perception of quality, di_erent contextual factors and the objective parameters QoS for interactive applications. One of the most commonly used interactive services in mobile systems is web browsing, which is likely also the most varied application and is expected to be the dominant service in future broadband access networks. Focusing on web browsing can provide valuable insight into a wide range of use cases found in the majority of modern interactive applications. We conducted two di_erent experiments for web browsing scenarios, which includes the preparation and planning of the experiments, selection of the test participants and analysis of the results. The objective of the _rst experiment is to investigate and mathematically model the inuence of the network QoS parameters and the previous user experience on the current user perception of quality. We showed that di_erent response times and previous user experience signi_cantly a_ect the user perception of web browsing quality. From the collected data of the _rst experiment we proposed two mathematical models for web browsing quality estimation: the logarithmic model (i.e., psychophysical theory Weber-Fechner) and exponential model. Furthermore, from the experimental results we determined the subjective threshold QoE above which users are satis_ed and estimated the required amount of resources needed to achieve a certain level of satisfaction. The result of the second experiment is a novel Markov model QoE. For this purpose, the probability theory was employed, where the elements of the Markov model QoE were mathematically determined using a probability theory of discrete time stochastic process. From the experimental data we determined one-step transition probability matrix, which represents the inuence of previous user experience on current perception of quality. The experimental study shows that Markov model QoE presents a deeper understanding and an important insight into the user perception of quality for interactive applications. The presented QoE model can signi_cantly improve the level of user QoE with services in telecommunications systems if implemented within advanced system design, resource allocation algorithms and quality assurance procedures. Wireless communication systems use di_erent channel access methods for shared medium networks, such as TDMA, FDMA, CDMA, SDMA and OFDMA. OFDM is a promising technique, which is based on the concept of a multicarrier transmission. Assuring quality in MU-OFDM systems represents one of the most important challenges mainly due to complex communication channel that signi_cantly impacts the transmission quality. The assurance of quality in the next generation wireless and mobile networks is very interesting research topic. Many di_erent dynamic QoS resource allocation mechanisms have been proposed for wide range of services. Optimizing resources based on the objective QoS metrics represents the main problem of the current resource allocation methods, since it is not clear to what degree such resource allocation is e_cient in terms of the perceived improvement and experience from the user's perspective. In the second part of the thesis we introduced and developed a novel quality assurance approach for the downlink of heterogeneous MU-OFDM systems. The proposed concept provides a novel paradigm shift to a user-centric approach, which shows great potential for improving user's perceived quality. The main novelty is explicitly addressing the user's perceived quality for interactive and time-critical real-time services in terms of QoE. We de_ned the optimization problem for the MU-OFDM system with the objective of optimizing the human perception of quality by using the mathematical QoE models. Based on the de_ned optimization problem we proposed two novel user-oriented low-complexity QoE-aware radio resource allocation (RRA) algorithms, where resources are allocated by taking into account the speci_c requirements of each heterogeneous service data ow in terms of QoE. In the _rst algorithm (i.e., Max-Min MOS), we consider a utility function aimed at the maximization of the minimum MOS experienced by the users. The Max-Min MOS algorithm presents the suboptimal solution of the de_ned optimization problem. The proposed suboptimal algorithm reaches beyond the state-of-the art solutions by presenting practical joint subcarrier and power allocation method for QoE optimization. The second algorithm (i.e., QoE-OFDM) introduces e_cient balance between the level of QoE and the spectral e_ciency of the OFDMA system. Moreover, it also eliminates some issues of the Max-Min MOS algorithm. The theoretical framework is validated through numerical simulations. The simulation results of the proposed algorithms are compared with the other state-of-the-art methods. The results clearly present the e_ciency of the proposed suboptimal algorithm, where the near to optimal solution is obtained with low complexity. The numerical results also show that the proposed algorithms achieve signi_cant increase in the level of QoE for heterogeneous services compared to other existing methods. We showed that by incorporating the application parameters and functions describing the user's perception of quality for heterogeneous services into the RRA algorithms, adaptable allocation of system resources, precise control of user data rates and appropriate level of QoE can be achieved for each user of the OFDMA system.

Ključne besede:dynamic resource allocation, interactive applications, Markov model QoE, mean opinion score (MOS), multiuser OFDM (MU-OFDM), OFDMA, previous user experience, quality of experience (QoE), quality of service (QoS), user perception of quality, web browsing.

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Komentarji

Dodaj komentar

Za komentiranje se morate prijaviti.

Komentarji (0)
0 - 0 / 0
 
Ni komentarjev!

Nazaj