IP Mobility in Wireless Operator Networks

Wireless network access is gaining increased heterogeneity in terms of the types of IP capable access technologies. The access network heterogeneity is an outcome of incremental and evolutionary approach of building new infrastructure. The recent success of multi-radio terminals drives both building a new infrastructure and implicit deployment of heterogeneous access networks. Typically there is no economical reason to replace the existing infrastructure when building a new one. The gradual migration phase usually takes several years. IP-based mobility across different access networks may involve both horizontal and vertical handovers. Depending on the networking environment, the mobile terminal may be attached to the network through multiple access technologies. Consequently, the terminal may send and receive packets through multiple networks simultaneously. This dissertation addresses the introduction of IP Mobility paradigm into the existing mobile operator network infrastructure that have not originally been designed for multi-access and IP Mobility. We propose a model for the future wireless networking and roaming architecture that does not require revolutionary technology changes and can be deployed without unnecessary complexity. The model proposes a clear separation of operator roles: (i) access operator, (ii) service operator, and (iii) inter-connection and roaming provider. The separation allows each type of an operator to have their own development path and business models without artificial bindings with each other. We also propose minimum requirements for the new model. We present the state of the art of IP Mobility. We also present results of standardization efforts in IP-based wireless architectures. Finally, we present experimentation results of IP-level mobility in various wireless operator deployments.Erilaiset langattomat verkkoyhteydet lisääntyvät Internet-kykyisten teknologioiden muodossa. Lukuisten eri teknologioiden päällekkäinen käyttö johtuu vähitellen ja tarpeen mukaan rakennetusta verkkoinfrastruktuurista. Useita radioteknologioita (kuten WLAN, GSM ja UMTS) sisältävien päätelaitteiden (kuten älypuhelimet ja kannettavat tietokoneet) viimeaikainen kaupallinen menestys edesauttaa uuden verkkoinfrastruktuurin rakentamista, sekä mahdollisesti johtaa verkkoteknologioiden kirjon lisääntymiseen. Olemassa olevaa verkkoinfrastruktuuria ei kaupallisista syistä kannata korvata uudella teknologialla yhdellä kertaa, vaan vaiheittainen siirtymävaihe kestää tyypillisesti useita vuosia. Internet-kykyiset päätelaitteet voivat liikkua joko saman verkkoteknologian sisällä tai eri verkkoteknologioiden välillä. Verkkoympäristöstä riippuen liikkuvat päätelaitteet voivat liittyä verkkoon useiden verkkoyhteyksien kautta. Näin ollen päätelaite voi lähettää ja vastaanottaa tietoliikennepaketteja yhtäaikaisesti lukuisia verkkoja pitkin. Tämä väitöskirja käsittelee Internet-teknologioiden liikkuvuutta ja näiden teknologioiden tuomista olemassa oleviin langattomien verkko-operaattorien verkkoinfrastruktuureihin. Käsiteltäviä verkkoinfrastruktuureita ei alun perin ole suunniteltu Internet-teknologian liikkuvuuden ja monien yhtäaikaisten yhteyksien ehdoilla. Tässä työssä ehdotetaan tulevaisuuden langattomien verkkojen arkkitehtuurimallia ja ratkaisuja verkkovierailujen toteuttamiseksi. Ehdotettu arkkitehtuuri voidaan toteuttaa ilman mittavia teknologisia mullistuksia. Mallin mukaisessa ehdotuksessa verkko-operaattorin roolit jaetaan selkeästi (i) verkko-operaattoriin, (ii) palveluoperaattoriin ja (iii) yhteys- sekä verkkovierailuoperaattoriin. Roolijako mahdollistaa sen, että kukin operaattorityyppi voi kehittyä itsenäisesti, ja että teennäiset verkkoteknologiasidonnaisuudet poistuvat palveluiden tuottamisessa. Työssä esitetään myös alustava vaatimuslista ehdotetulle mallille, esimerkiksi yhteysoperaattorien laatuvaatimukset. Väitöskirja esittelee myös liikkuvien Internet-teknologioiden viimeisimmän kehityksen. Työssä näytetään lisäksi standardointituloksia Internet-kykyisissä langattomissa arkkitehtuureissa

Virtual Mobility Domains - A Mobility Architecture for the Future Internet

The advances in hardware and wireless technologies have made mobile communication devices affordable by a vast user community. With the advent of rich multimedia and social networking content, an influx of myriads of applications, and Internet supported services, there is an increasing user demand for the Internet connectivity anywhere and anytime. Mobility management is thus a crucial requirement for the Internet today. This work targets novel mobility management techniques, designed to work with the Floating Cloud Tiered (FCT) internetworking model, proposed for a future Internet. We derive the FCT internetworking model from the tiered structure existing among Internet Service Provider (ISP) networks, to define their business and peering relationships. In our novel mobility management scheme, we define Virtual Mobility Domains (VMDs) of various scopes, that can support both intra and inter-domain roaming using a single address for a mobile node. The scheme is network based and hence imposes no operational load on the mobile node. This scheme is the first of its kind, by leveraging the tiered structure and its hierarchical properties, the collaborative network-based mobility management mechanism, and the inheritance information in the tiered addresses to route packets. The contributions of this PhD thesis can be summarized as follows: · We contribute to the literature with a comprehensive analysis of the future Internet architectures and mobility protocols over the period of 2002-2012, in light of their identity and handoff management schemes. We present a qualitative evaluation of current and future schemes on a unified platform. · We design and implement a novel user-centric future Internet mobility architecture called Virtual Mobility Domain. VMD proposes a seamless, network-based, unique collaborative mobility management within/across ASes and ISPs in the FCT Internetworking model. The analytical and simulation-based handoff performance analysis of the VMD architecture in comparison with the IPv6-based mobility protocols presents the considerable performance improvements achieved by the VMD architecture. · We present a novel and user-centric handoff cost framework to analyze handoff performance of different mobility schemes. The framework helps to examine the impacts of registration costs, signaling overhead, and data loss for Internet connected mobile users employing a unified cost metric. We analyze the effect of each parameter in the handoff cost framework on the handoff cost components. We also compare the handoff performance of IPv6-based mobility protocols to the VMD. · We present a handoff cost optimization problem and analysis of its characteristics. We consider a mobility user as the primary focus of our study. We then identify the suitable mathematical methods that can be leveraged to solve the problem. We model the handoff cost problem in an optimization tool. We also conduct a mobility study - best of our knowledge, first of its kind - on providing a guide for finding the number of handoffs in a typical VMD for any given user\u27s mobility model. Plugging the output of mobility study, we then conduct a numerical analysis to find out optimum VMD for a given user mobility model and check if the theoretical inferences are in agreement with the output of the optimization tool