Vorabübertragung schwach strukturierter Informationen in ortsbasierten mobilen Systemen

Abstract

Die rasant fortschreitende Entwicklung der Mobilkommunikation in Verbindung mit immer leistungsfähigeren mobilen Endgeräten weckt den Wunsch, an jedem Ort und zu jeder Zeit auf entfernte Informationen zugreifen zu können. Drahtlose Weitverkehrsnetze wie die Mobilfunknetze der zweiten oder dritten Generation bieten zwar nahezu überall eine Netzverbindung, weisen jedoch negative Eigenschaften wie eine hohe Latenz, hohe monetäre Kosten und unzuverlässige Verbindungen auf, die teilweise zum entkoppelten Betrieb führen können. Eine hohe Latenz führt dazu, dass auf Grund der hieraus entstehenden langen Übertragungszeiten der Informationen der Energieverbrauch der Funkschnittstelle ansteigt, was in Anbetracht der geringen Energieressourcen mobiler Endgeräte nicht wünschenswert ist. Um diesen Nachteilen entgegen zu wirken, wurden zugriffsoptimierende Methoden wie beispielsweise Caching oder die Vorabübertragung entwickelt, die jedoch unterschiedlichen Zielsetzungen folgen. Eine solche Methode ist die Vorabübertragung von Informationen an solchen Orten, an denen eine breitbandige und kostengünstige Verbindung zur Verfügung steht. In dieser Dissertation wird zur Optimierung des mobilen Informationszugriffs ein generisches Verfahren zur Vorabübertragung von beliebigen schwach strukturierten Informationen in ortsbasierten Anwendungen vorgestellt, das neben einer Verringerung der Latenz den entkoppelten Betrieb unterstützt. Für die Selektion der vorab zu übertragenden Informationen werden je nach Art der Informationen unterschiedliche Methoden angeboten. Als Basis wird eine Infrastruktur von so genannten Infostationen benötigt, an denen mobilen Benutzern mittels drahtloser lokaler Netze ein breitbandiger und kostengünstiger Zugriff auf Informationen ermöglicht wird. Sie sind in Gebieten verteilt, an denen sonst keine oder nur eine Kommunikation mit der maximalen Datenrate eines drahtlosen Weitverkehrsnetzes, wie beispielsweise GSM, GPRS oder UMTS möglich ist. Eine Infostation selektiert die in ihrem Dienstgebiet für einen Benutzer relevanten Informationen und überträgt sie vorab auf dessen mobiles Endgerät. Zukünftige Informationsanfragen können somit lokal aus dem Cache beantwortet werden, was jedoch eine gute Vorhersage voraussetzt. Um eine hohe Relevanz der vorab geladenen Informationen zu erreichen, werden als Selektionskriterium neben der Ortsabhängigkeit von Informationszugriffen auch Beziehungen zwischen den Informationen ausgewertet. Eine Infostation beobachtet das typische Zugriffsverhalten aller Benutzer, die sich in ihrem Dienstgebiet aufhalten und benutzt dieses Wissen zur Vorhersage der Informationen. Das Beobachten des kollektiven Zugriffsverhaltens hat den Vorteil, dass überwiegend diejenigen Informationen vorab geladen werden, die in einem Dienstgebiet zum aktuellen Zeitpunkt populär sind. Dieses Verfahren unterstützt somit auch solche Benutzer, die sich zum ersten Mal in diesem Gebiet aufhalten. Bisweilen können Informationen derart stark zusammenhängen, dass sie für einen Benutzer nur als Gruppe interessant sind und es keinen Sinn ergibt, einzelne Objekte dieser Gruppe isoliert von den anderen zu übertragen. In einem solchen Fall müssen Gruppen (Cluster) gebildet werden, die vollständig vorab übertragen werden. Des Weiteren resultiert die Auswertung des Zugriffsverhaltens einer Menge von Benutzern nicht immer in einer optimalen Entscheidung für einen individuellen Benutzer. Dieser Effekt kann jedoch verringert werden, wenn Nutzungsprofile in die Übertragungsentscheidung mit einbezogen werden. Das generische Vorabübertragungsverfahren wurde für den mobilen Zugriff auf das Web spezialisiert und evaluiert. Zur systematischen Leistungsbewertung wurde ein Modell für das Navigationsverhalten von Benutzern im Web entwickelt und implementiert, das Sequenzen von synthetischen Zugriffen auf das Web erzeugt. Mit dem clusterbasierten Auswahlverfahren konnten Trefferraten erzielt werden, die andere Ansätze um mehr als das Dreifache übertreffen. Schließlich ist der Energiebedarf der Funkschnittstelle ein nicht zu vernachlässigender Faktor für die Lebensdauer der Batterie, so dass die Zeit zum Senden und Empfangen von Daten möglichst gering gehalten werden sollte. In einem drahtlosen lokalen Netz steht eine um mindestens eine Größenordnung höhere Bandbreite als in drahtlosen Weitverkehrsnetzen zur Verfügung, wodurch die Übertragungszeit von Informationen deutlich verkürzt wird. Eine Analyse des Leistungsbedarfs von Funkschnittstellen beider Technologien hat gezeigt, dass durch den Einsatz des vorgestellten Verfahrens zur Vorabübertragung von Informationen in jedem Fall Energieeinsparungen möglich sind. Bei Kenntnis der zu erzielenden Trefferrate kann somit die Größe des Caches bestimmt werden, die den Energieverbrauch beim Laden der Informationen minimiert.

The proliferation of mobile devices and the fact that high-bandwidth and continuous connectivity is not available everywhere, has led to the creation of hoarding algorithms that attempt to mitigate the problems related with disconnected operation and with the operation in areas where bandwidth is either scarce or expensive. In this dissertation, a generic hoarding approach for semi-structured information is introduced that has been specialized and evaluated for Web page requests. The approach is based on an infrastructure of infostations that provide comparatively cheap high-speed access to the Web. It relies on clustering of semantically related data items by classifying pages into content and transit pages, where this classification is used to guide the clustering algorithm. It could be shown shown by means of experimental evaluation that the proposed hoarding scheme outperforms existing ones by a factor of more than three in terms of content hit ratio. Moreover, an analysis of energy consumption of wireless interfaces could show that the proposed hoarding scheme also allows for substantial energy savings of mobile devices when accessing data. The performance evaluation of Web applications usually requires the analysis of sequences of user requests for specific Web pages. These sequences can be obtained, for example, by applying empirical methods (recording the real sequence of requests), or by applying a formal model for generating synthetic results. In this dissertation, novel \textit{Web Browsing Model} is proposed. By taking into account the hyperlink structure as well as the different user behavior on the Web, the implementation of this model allows us to generate accurate synthetic data that can be used instead of empirically obtained requests. Additionally, it could be shown using empirical data that the probability of choosing some hyperlink from a given page as well as the probability of a user leaving a page without following a hyperlink is best characterized by a power-law. In order to validate the approach, I could show the flexibility and applicability of the Web Browsing Model by performing the required correlations to empirical data.