QoS Provisioning in Converged Satellite and Terrestrial Networks: A Survey of the State-of-the-Art

It has been widely acknowledged that future networks will need to provide significantly more capacity than current ones in order to deal with the increasing traffic demands of the users. Particularly in regions where optical fibers are unlikely to be deployed due to economical constraints, this is a major challenge. One option to address this issue is to complement existing narrow-band terrestrial networks with additional satellite connections. Satellites cover huge areas, and recent developments have considerably increased the available capacity while decreasing the cost. However, geostationary satellite links have significantly different link characteristics than most terrestrial links, mainly due to the higher signal propagation time, which often renders them not suitable for delay intolerant traffic. This paper surveys the current state-of-the-art of satellite and terrestrial network convergence. We mainly focus on scenarios in which satellite networks complement existing terrestrial infrastructures, i.e., parallel satellite and terrestrial links exist, in order to provide high bandwidth connections while ideally achieving a similar end user quality-of-experience as in high bandwidth terrestrial networks. Thus, we identify the technical challenges associated with the convergence of satellite and terrestrial networks and analyze the related work. Based on this, we identify four key functional building blocks, which are essential to distribute traffic optimally between the terrestrial and the satellite networks. These are the traffic requirement identification function, the link characteristics identification function, as well as the traffic engineering function and the execution function. Afterwards, we survey current network architectures with respect to these key functional building blocks and perform a gap analysis, which shows that all analyzed network architectures require adaptations to effectively support converged satellite and terrestrial networks. Hence, we conclude by formulating several open research questions with respect to satellite and terrestrial network convergence.This work was supported by the BATS Research Project through the European Union Seventh Framework Programme under Contract 317533

Proceedings of the Fifth International Mobile Satellite Conference 1997

Satellite-based mobile communications systems provide voice and data communications to users over a vast geographic area. The users may communicate via mobile or hand-held terminals, which may also provide access to terrestrial communications services. While previous International Mobile Satellite Conferences have concentrated on technical advances and the increasing worldwide commercial activities, this conference focuses on the next generation of mobile satellite services. The approximately 80 papers included here cover sessions in the following areas: networking and protocols; code division multiple access technologies; demand, economics and technology issues; current and planned systems; propagation; terminal technology; modulation and coding advances; spacecraft technology; advanced systems; and applications and experiments

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Convergencia de tecnologías ópticas y Ethernet en LAN, MAN y SAN: nuevas arquitecturas, análisis de prestaciones y eficiencia energética

Mención Internacional en el título de doctorThe development of Information Technologies in the last decades, especially the last two, together with the introduction of computing devices to the mainstream consumer market, has had the logical consequence of the generalisation of the Internet access. The explosive development of the smartphone market has brought ubiquity to that generalisation, to the point that social interaction, content sharing and content production happens all the time. Social networks have all but increased that trend, maximising the diffusion of multimedia content: images, audio and video, which require high network capacities to be enjoyed quickly. This need for endless bandwidth and speed in information sharing brings challenges that affect mainly optical Metropolitan Area Networks (MANs) and Wide Area Networks (WANs). Furthermore, the wide spreading of Ethernet technologies has also brought the possibility to achieve economies of scale by either extending the reach of Ethernet Local Area Networks (LANs) to the MAN and WAN environment or even integrating them with Storage Area Networks (SANs). Finally, this generalisation of telecommunication technologies in every day life has as a consequence an important rise in energy consumption as well. Because of this, providing energy efficient strategies in networking is key to ensure the scalability of the whole Internet. In this thesis, the main technologies in all the fields mentioned above are reviewed, its core challenges identified and several contributions beyond the state of the art are suggested to improve today’s MANs andWANs. In the first contribution of this thesism, the integration between Metro Ethernet and Wavelength Division Multiplexion (WDM) optical transparent rings is explored by proposing an adaptation architecture to provide efficient broadcast and multicast. The second contribution explores the fusion between transparent WDM and OCDMA architectures to simplify medium access in a ring. Regarding SANs, the third contribution explores the challenges in SANs through the problems of Fibre Channel over Ethernet due to buffer design issues. In this contribution, analysis, design and validation with FCoE traces and simulation is provided to calculate buffer overflow probabilities in the absence of flow control mechanisms taking into account the bursty nature of SAN traffic. Finally, the fourth and last contribution addresses the problems of energy efficiency in Plastic Optical Fibres (POF), a new kind of optical fibre more suitable for transmission in vehicles and for home networking. This contribution suggests two packet coalescing strategies to further improve the energy effiency mechanisms in POFs.El desarrollo de las Tecnologías de la Información en las últimas décadas, especialmente las últimas dos, junto con la introducción de dispositivos informáticos al mercado de masas, ha tenido como consecuencia lógica la generalización del acceso a Internet. El explosivo desarrollo del mercado de teléfonos inteligentes ha añadido un factor de ubicuidad a tal generalización, al extremo de que la interacción social, la compartición y producción de contenidos sucede a cada instante. Las redes sociales no han hecho sino incrementar tal tendencia, maximizando la difusión de contenido multimedia: imágenes, audio y vídeo, los cuales requieren gran capacidad en las redes para poder obtenerse con rapidez. Esta necesidad de ancho de banda ilimitado y velocidad en la compartición de información trae consigo retos que afectan principalmente a las Redes de Área Metropolitana (Metropolitan Area Networks, MANs) y Redes de Área Extensa (Wide Area Networks, WANs). Además, la gran difusión de las tecnologías Ethernet ha traído la posibilidad de alcanzar economías de escala bien extendiendo el alcance de Ethernet más allá de las Redes de Área Local (Local Area Networks, LANs) al entorno de las MAN y las WAN o incluso integrándolas con Redes de Almacenamiento (Storage Area Networks, SANs). Finalmente, esta generalización de las tecnologías de la comunicación en la vida cotidiana tiene también como consecuencia un importante aumento en el consumo de energía. Por tanto, desarrollar estrategias de transmisión en red eficientes energéticamente es clave para asegurar la escalabilidad de Internet. En esta tesis, las principales tecnologías de todos los campos mencionados arriba serán estudiadas, sus más importantes retos identificados y se sugieren varias contribuciones más allá del actual estado del arte para mejorar las actuales MANs y WANs. En la primera contribución de esta tesis, se explora la integración entre Metro Ethernet y anillos ópticos transparentes por Multiplexión en Longitud de Onda (Wavelength Division Multiplex, WDM) mediante la proposición de una arquitectura de adaptación para permitir la difusión y multidifusión eficiente. La segunda contribución explora la fusión entre las arquitecturas transparentes WDM y arquitecturas por Accesso Dividido Múltiple por Códigos Ópticos (OCDMA) para simplificar el acceso en una red en anillo. En lo referente a las SANs, la tercera contribución explora los retos en SANs a través de los problemas de Fibre Channel sobre Ethernet debido a los problemas en el diseño de búferes. En esta contribución, se provee un análisis, diseño y validación con trazas FCoE para calcular las probabilidades de desbordamiento de buffer en ausencia de mecanismos de control de flujo teniendo en cuenta la naturaleza rafagosa del tráfico de SAN. Finalmente, la cuarta y última contribución aborda los problemas de eficiencia energética en Fibras Ópticas Plásticas (POF), una nueva variedad de fibra óptica más adecuada para la transmisión en vehículos y para entornos de red caseros. Esta contribución sugiere dos estrategias de agrupamiento de paquetes para mejorar los mecanismos de eficiencia energética en POFs.Programa Oficial de Posgrado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Luca Valcarenghi.- Secretario: Ignacio Soto Campos.- Vocal: Bas Huiszoo

Adaptive scheduling in cellular access, wireless mesh and IP networks

Networking scenarios in the future will be complex and will include fixed networks and hybrid Fourth Generation (4G) networks, consisting of both infrastructure-based and infrastructureless, wireless parts. In such scenarios, adaptive provisioning and management of network resources becomes of critical importance. Adaptive mechanisms are desirable since they enable a self-configurable network that is able to adjust itself to varying traffic and channel conditions. The operation of adaptive mechanisms is heavily based on measurements. The aim of this thesis is to investigate how measurement based, adaptive packet scheduling algorithms can be utilized in different networking environments. The first part of this thesis is a proposal for a new delay-based scheduling algorithm, known as Delay-Bounded Hybrid Proportional Delay (DBHPD), for delay adaptive provisioning in DiffServ-based fixed IP networks. This DBHPD algorithm is thoroughly evaluated by ns2-simulations and measurements in a FreeBSD prototype router network. It is shown that DBHPD results in considerably more controllable differentiation than basic static bandwidth sharing algorithms. The prototype router measurements also prove that a DBHPD algorithm can be easily implemented in practice, causing less processing overheads than a well known CBQ algorithm. The second part of this thesis discusses specific scheduling requirements set by hybrid 4G networking scenarios. Firstly, methods for joint scheduling and transmit beamforming in 3.9G or 4G networks are described and quantitatively analyzed using statistical methods. The analysis reveals that the combined gain of channel-adaptive scheduling and transmit beamforming is substantial and that an On-off strategy can achieve the performance of an ideal Max SNR strategy if the feedback threshold is optimized. Finally, a novel cross-layer energy-adaptive scheduling and queue management framework EAED (Energy Aware Early Detection), for preserving delay bounds and minimizing energy consumption in WLAN mesh networks, is proposed and evaluated with simulations. The simulations show that our scheme can save considerable amounts of transmission energy without violating application level QoS requirements when traffic load and distances are reasonable

Third International Symposium on Space Mission Operations and Ground Data Systems, part 2

Under the theme of 'Opportunities in Ground Data Systems for High Efficiency Operations of Space Missions,' the SpaceOps '94 symposium included presentations of more than 150 technical papers spanning five topic areas: Mission Management, Operations, Data Management, System Development, and Systems Engineering. The symposium papers focus on improvements in the efficiency, effectiveness, and quality of data acquisition, ground systems, and mission operations. New technology, methods, and human systems are discussed. Accomplishments are also reported in the application of information systems to improve data retrieval, reporting, and archiving; the management of human factors; the use of telescience and teleoperations; and the design and implementation of logistics support for mission operations. This volume covers expert systems, systems development tools and approaches, and systems engineering issues