38 research outputs found

    Geographic Admission Control for Vehicle Area Networks

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    Abstract-A vehicle area network (VAN) is a local area network deployed onboard a moving vehicle, e.g., a train, bus, or a private car, to provide high-speed Internet access to the passengers. A VAN may face temporary network disconnection when the vehicle passes through challenging radio environments, e.g., deep tunnels. Such disconnections disrupt the ongoing network services causing passenger dissatisfaction. Given that tunnel locations are known, we propose to use geographical knowledge in the admission control function of the VAN to reduce the probability of service disruption. A geographic admission controller (GAC) rejects a new call request based on the vehicle's current location if it can be determined that the vehicle would enter a tunnel within a short period of time. By rejecting a new call prior to entering a tunnel, GAC reduces the probability of an admitted call to be disrupted, but it does so at the expense of increasing probability that a new request would be blocked. For a quantitative investigation of the trade-off between these two important probabilities, we propose a 2-D Markov Chain model. Using the model, we derive both probabilities as a function of the time interval from the moment the GAC starts rejecting new requests until the vehicle actually enters the tunnel. This time interval is a configurable parameter which controls both probabilities. The model is validated using simulation. Our model reveals that the disruption probability can be reduced quadratically with a linear increase in the blocking probability

    Reliable and Secure Drone-assisted MillimeterWave Communications

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    The next generation of mobile networks and wireless communication, including the fifth-generation (5G) and beyond, will provide a high data rate as one of its fundamental requirements. Providing high data rates can be accomplished through communication over high-frequency bands such as the Millimeter-Wave(mmWave) one. However, mmWave communication experiences short-range communication, which impacts the overall network connectivity. Improving network connectivity can be accomplished through deploying Unmanned Ariel Vehicles(UAVs), commonly known as drones, which serve as aerial small-cell base stations. Moreover, drone deployment is of special interest in recovering network connectivity in the aftermath of disasters. Despite the potential advantages, drone-assisted networks can be more vulnerable to security attacks, given their limited capabilities. This security vulnerability is especially true in the aftermath of a disaster where security measures could be at their lowest. This thesis focuses on drone-assisted mmWave communication networks with their potential to provide reliable communication in terms of higher network connectivity measures, higher total network data rate, and lower end-to-end delay. Equally important, this thesis focuses on proposing and developing security measures needed for drone-assisted networks’ secure operation. More specifically, we aim to employ a swarm of drones to have more connection, reliability, and secure communication over the mmWave band. Finally, we target both the cellular 5Gnetwork and Ad hoc IEEE802.11ad/ay in typical network deployments as well as in post-disaster circumstances

    Traffic and mobility management in large-scale networks of small cells

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    The growth in user demand for higher mobile data rates is driving Mobile Network Operators (MNOs) and network infrastructure vendors towards the adoption of innovative solutions in areas that span from physical layer techniques (e.g., carrier aggregation, massive MIMO, etc.) to the Radio Access Network and the Evolved Packet Core, amongst other. In terms of network capacity, out of a millionfold increase since 1957, the use of wider spectrum (25x increase), the division of spectrum into smaller resources (5x), and the introduction of advanced modulation and coding schemes (5x) have played a less significant role than the improvements in system capacity due to cell size reduction (1600x). This justifies the academic and industrial interest in short-range, low-power cellular base stations, such as small cells. The shift from traditional macrocell-based deployments towards heterogeneous cellular networks raises the need for new architectural and procedural frameworks capable of providing a seamless integration of massive deployments of small cells into the existing cellular network infrastructure. This is particularly challenging for large-scale, all-wireless networks of small cells (NoS), where connectivity amongst base stations is provided via a wireless multi-hop backhaul. Networks of small cells are a cost-effective solution for improving network coverage and capacity in high user-density scenarios, such as transportation hubs, sports venues, convention centres, dense urban areas, shopping malls, corporate premises, university campuses, theme parks, etc. This Ph.D. Thesis provides an answer to the following research question: What is the architectural and procedural framework needed to support efficient traffic and mobility management mechanisms in massive deployments of all-wireless 3GPP Long-Term Evolution networks of small cells? In order to do so, we address three key research challenges in NoS. First, we present a 3GPP network architecture capable of supporting large-scale, all-wireless NoS deployments in the Evolved Packet System. This involves delegating core network functions onto new functional entities in the network of small cells, as well as adapting Transport Network Layer functionalities to the characteristics of a NoS in order to support key cellular services. Secondly, we address the issue of local location management, i.e., determining the approximate location of a mobile terminal in the NoS upon arrival of an incoming connection from the core network. This entails the design, implementation, and evaluation of efficient paging and Tracking Area Update mechanisms that can keep track of mobile terminals in the complex scenario of an all-wireless NoS whilst mitigating the impact on signalling traffic throughout the local NoS domain and towards the core network. Finally, we deal with the issue of traffic management in large-scale networks of small cells. On the one hand, we propose new 3GPP network procedures to support direct unicast communication between LTE terminals camped on the same NoS with minimal involvement from functional entities in the Evolved Packet Core. On the other hand, we define a set of extensions to the standard 3GPP Multicast/Broadcast Multimedia Service (MBMS) in order to improve the quality of experience of multicast/broadcast traffic services in high user-density scenarios.El crecimiento de la demanda de tasas de transmisión más altas está empujando a los operadores de redes móviles y a los fabricantes de equipos de red a la adopción de soluciones innovadoras en áreas que se extienden desde técnicas avanzadas de capa física (agregación de portadoras, esquemas MIMO masivos, etc.) hasta la red de acceso radio y troncal, entre otras. Desde 1957 la capacidad de las redes celulares se ha multiplicado por un millón. La utilización de mayor espectro radioeléctrico (incremento en factor 25), la división de dicho espectro en recursos más pequeños (factor 5) y la introducción de esquemas avanzados de modulación y codificación (factor 5) han desempeñado un papel menos significativo que las mejoras en la capacidad del sistema debidas a la reducción del tamaño de las celdas (factor 1600). Este hecho justifica el interés del mundo académico y de la industria en estaciones base de corto alcance y baja potencia, conocidas comúnmente como small cells. La transición de despliegues tradicionales de redes celulares basados en macroceldas hacia redes heterogéneas pone de manifiesto la necesidad de adoptar esquemas arquitecturales y de procedimientos capaces de proporcionar una integración transparente de despliegues masivos de small cells en la actual infraestructura de red celular. Este aspecto es particularmente complejo en el caso de despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells (NoS, en sus siglas en inglés), donde la conectividad entre estaciones base se proporciona a través de una conexión troncal inalámbrica multi-salto. En general, las redes de small cells son una solución eficiente para mejorar la cobertura y la capacidad de la red celular en entornos de alta densidad de usuarios, como núcleos de transporte, sedes de eventos deportivos, palacios de congresos, áreas urbanas densas, centros comerciales, edificios corporativos, campus universitarios, parques temáticos, etc. El objetivo de esta Tesis de Doctorado es proporcionar una respuesta a la siguiente pregunta de investigación: ¿Cuál es el esquema arquitectural y de procedimientos de red necesario para soportar mecanismos eficientes de gestión de tráfico y movilidad en despliegues masivos de redes inalámbricas de small cells LTE? Para responder a esta pregunta nos centramos en tres desafíos clave en NoS. En primer lugar, presentamos una arquitectura de red 3GPP capaz de soportar despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells en el Evolved Packet System, esto es, el sistema global de comunicaciones celulares LTE. Esto implica delegar funciones de red troncal en nuevas entidades funcionales desplegadas en la red de small cells, así como adaptar funcionalidades de la red de transporte a las características de una NoS para soportar servicios celulares clave. En segundo lugar, nos centramos en el problema de la gestión de movilidad local, es decir, determinar la localización aproximada de un terminal móvil en la NoS a la llegada de una solicitud de conexión desde la red troncal. Esto incluye el diseño, la implementación y la evaluación de mecanismos eficientes de paging y Tracking Area Update capaces de monitorizar terminales móviles en el complejo escenario de redes de small cells inalámbricas que, a la vez, mitiguen el impacto sobre el tráfico de señalización en el dominio local de la NoS y hacia la red troncal. Finalmente, estudiamos el problema de gestión de tráfico en despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells. Por un lado, proponemos nuevos procedimientos de red 3GPP para soportar comunicaciones unicast directas entre terminales LTE registrados en la misma NoS con mínima intervención por parte de entidades funcionales en la red troncal. Por otro lado, definimos un conjunto de extensiones para mejorar la calidad de la experiencia del servicio estándar 3GPP de transmisión multicast/broadcast de tráfico multimedia (MBMS, en sus siglas en inglés) en entornos de alta densidad de usuarios

    MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

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    184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

    Service Provisioning in Edge-Cloud Continuum Emerging Applications for Mobile Devices

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    Disruptive applications for mobile devices can be enhanced by Edge computing facilities. In this context, Edge Computing (EC) is a proposed architecture to meet the mobility requirements imposed by these applications in a wide range of domains, such as the Internet of Things, Immersive Media, and Connected and Autonomous Vehicles. EC architecture aims to introduce computing capabilities in the path between the user and the Cloud to execute tasks closer to where they are consumed, thus mitigating issues related to latency, context awareness, and mobility support. In this survey, we describe which are the leading technologies to support the deployment of EC infrastructure. Thereafter, we discuss the applications that can take advantage of EC and how they were proposed in the literature. Finally, after examining enabling technologies and related applications, we identify some open challenges to fully achieve the potential of EC, and also research opportunities on upcoming paradigms for service provisioning. This survey is a guide to comprehend the recent advances on the provisioning of mobile applications, as well as foresee the expected next stages of evolution for these applications

    Mobility-aware Software-Defined Service-Centric Networking for Service Provisioning in Urban Environments

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    Disruptive applications for mobile devices, such as the Internet of Things, Connected and Autonomous Vehicles, Immersive Media, and others, have requirements that the current Cloud Computing paradigm cannot meet. These unmet requirements bring the necessity to deploy geographically distributed computing architectures, such as Fog and Mobile Edge Computing. However, bringing computing close to users has its costs. One example of cost is the complexity introduced by the management of the mobility of the devices at the edge. This mobility may lead to issues, such as interruption of the communication with service instances hosted at the edge or an increase in communication latency during mobility events, e.g., handover. These issues, caused by the lack of mobility-aware service management solutions, result in degradation in service provisioning. The present thesis proposes a series of protocols and algorithms to handle user and service mobility at the edge of the network. User mobility is characterized when user change access points of wireless networks, while service mobility happens when services have to be provisioned from different hosts. It assembles them in a solution for mobility-aware service orchestration based on Information-Centric Networking (ICN) and runs on top of Software-Defined Networking (SDN). This solution addresses three issues related to handling user mobility at the edge: (i) proactive support for user mobility events, (ii) service instance addressing management, and (iii) distributed application state data management. For (i), we propose a proactive SDN-based handover scheme. For (ii), we propose an ICN addressing strategy to remove the necessity of updating addresses after service mobility events. For (iii), we propose a graph-based framework for state data placement in the network nodes that accounts for user mobility and latency requirements. The protocols and algorithms proposed in this thesis were compared with different approaches from the literature through simulation. Our results show that the proposed solution can reduce service interruption and latency in the presence of user and service mobility events while maintaining reasonable overhead costs regarding control messages sent in the network by the SDN controller

    Modellierung und Evaluierung der “Required Communication Performance” von Luft-Boden Datenverbindungen mit “Erasure Codes”.

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    In this work, a model to calculate the air-ground data link performance using the “Required Communication Performance” metric used in aviation is proposed. This model is applied to evaluate the performance of data links and to estimate the minimum link performance required to meet the safety requirements. The results show that it is highly unlikely that air-ground data links achieve the minimum performance. “Erasure codes” and a multiple link concept are proposed and evaluated to improve the performance of the links.Diese Arbeit beschreibt ein Modell, mit welcher die Leistung von Luft-Boden Datenverbindungen unter Verwendung der in der Luftfahrt verwendeten Metrik „Required Communication Performance“, berechnet werden. Dieses Modell wird angewendet, um die Leistung von Datenverbindungen zu bewerten und die minimale Verbindungsleistung abzuschätzen, die erforderlich ist, um die Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Die Ergebnisse zeigen, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass Luft-Boden Datenverbindungen die Mindestleistung erreichen. Zur Verbesserung der Leistung der Links werden Konzepte basierend auf “Erasure Codes" und mehreren Links vorgeschlagen und evaluiert
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