Contribution to broadband metropolitan networking infrastructures utilising digital terrestrial television (DVB-T)

Abstract

This Ph.D. thesis contributes to the issue of broadband metropolitan area networking infrastructures by designing, implementing and evaluating a prototype architecture that utilises digital television as a backhaul/middle-mile network, enabling users/citizens to access linear, interactive and on-demand broadband services at guaranteed QoS. Building upon the issue of technology and services convergence, and by exploiting the intrinsic characteristic of DVB-T technology to combine heterogeneous data traffic into the same transport stream, it proposes the realisation of DVB-T in regenerative configurations for the establishment of a common IP backbone that is present and available within the entire broadcasting area. This IP-backbone acts as a backhaul/middle-mile connection, which extends the core metropolitan network to reach every user within the broadcasting footprint. Users access this IP-backbone, via intermediate communication nodes (namely Cell Main Nodes-CMN), utilising wired and/or wireless links, both for delivering and consuming broadband services. Efficient network operation and guaranteed QoS provisioning are confronted by designing, implementing and deploying, in a decentralised approach, a services-differentiation mechanism making use of QoS-aware rules according to each user’s privileges and services attributes. Following the system design of the overall network architecture, the thesis elaborates on the implementation of a prototype metropolitan network infrastructure, consisting of one regenerative DVB-T platform and two CMNs, one located within an urban area and another at a rural region. This prototype sensed as a testbed for carrying out experiments and network performance evaluation measurements. The experimental results verified the capacity of die proposed architecture in establishing broadband metropolitan networking infrastructures with QoS guarantees, besides drew-up fields for future research and exploitation.

Η Διδακτορική Διατριβή αυτή συμβάλει στις ευρυζωνικές μητροπολιτικές δικτυακές υποδομές μέσω της σχεδίασης, υλοποίησης και αξιολόγησης μίας πρωτότυπης αρχιτεκτονικής, η οποία αξιοποιεί την ψηφιακή τηλεόραση ως ένα οπισθοζευκτικό δίκτυο (backhaul/middle-mile), δίνοντας τη δυνατότητα πρόσβασης των χρηστών/πολιτών σε μονόδρομες, διαδραστικές και κατά-παραγγελία ευρυζωνικές υπηρεσίες, με εγγυημένη ποιότητα-υπηρεσίας (QoS). Βασιζόμενη σε θέματα σύγκλισης τεχνολογιών και υπηρεσιών, καθώς στην αξιοποίηση του ενδογενούς χαρακτηριστικού της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης να συνδυάζει ετερογενή δεδομένα στο ίδιο ρεύμα μεταφοράς (MPEG-2 TS), η Διδακτορική Διατριβή προτείνει τη χρήση του προτύπου DVB-T σε αναγεννητικές διαρθρώσεις (regenerative configuration) για την υλοποίηση ενός κοινού ευρυζωνικού δικτυακού κορμού, ο οποίος είναι διαθέσιμος σε όλη την περιοχή ευρυεκπομπής. Αυτός ο δικτυακός κορμός δρα ως οπισθοζευκτικό δίκτυο, το οποίο επεκτείνει τον κεντρικό κορμό του μητροπολιτικού δικτύου, έτσι ώστε αυτός να είναι προσπελάσιμος από κάθε χρήστη μέσα στο αποτύπωμα κάλυψης της ευρυεκπομπής (broadcasting footprint). Η πρόσβαση των χρηστών σε αυτόν τον κοινό δικτυακό κορμό επιτυγχάνεται μέσω ενδιάμεσων κόμβων (Cell Main Nodes-CMN), οι οποίοι κάνουν χρήση ενσύρματων ή ασύρματων τεχνολογιών επικοινωνίας. Για την αποδοτική λειτουργία του δικτύου καθώς και για την παροχή δεδομένων με εγγυημένη ποιότητα-υπηρεσίας, η Διατριβή αυτή παρουσιάζει τη μελέτη, σχεδίαση, υλοποίηση και ενσωμάτωση, σε μία αποκεντρωμένη δικτυακή αρχιτεκτονική, ενός μηχανισμού διαφοροποίησης των υπηρεσιών (services differentiation), με βάση τις απαιτήσεις του κάθε χρήστη και τα χαρακτηριστικά της κάθε υπηρεσίας. Σύμφωνα με την προτεινόμενη γενική αρχιτεκτονική και το σχεδίασμά του συστήματος, η Διατριβή αναλύει και παρουσιάζει την υλοποίηση μίας πρωτότυπης μητροπολιτικής υποδομής, η οποία αποτελείται από μία πλατφόρμα DVB-T σε αναγεννητική διάρθρωση και δύο ενδιάμεσους κόμβους πρόσβασης, ο ένας εκ των οποίων βρίσκεται (γεωγραφικά) κοντά στον κεντρικό κορμό του μητροπολιτικού δικτύου (urban-area) ενώ ο άλλος σε μία απομακρυσμένη περιοχή (rural-area). Αυτή η πρότυπη μητροπολιτική υποδομή αποτέλεσε την πειραματική διάταξη (testbed) πάνω στην οποία σχεδιάστηκαν και πραγματοποιήθηκαν μία σειρά πειραμάτων και μετρήσεων αξιολόγησης των δικτυακών επιδόσεων του συστήματος. Τα αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων επιβεβαίωσαν αρχικά την ικανότητα της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής στη δημιουργία μητροπολιτικών ευρυζωνικών δικτύων με δυνατότητες παροχής εγγυημένης ποιότητας-υπηρεσίας (QoS) και παράλληλα ανέδειξαν πεδία για μελλοντική έρευνα και αξιοποίηση.