Experimentation and Characterization of Mobile Broadband Networks

The Internet has brought substantial changes to our life as the main tool to access a large variety of services and applications. Internet distributed nature and technological improvements lead to new challenges for researchers, service providers, and network administrators. Internet traffic measurement and analysis is one of the most trivial and powerful tools to study such a complex environment from different aspects. Mobile BroadBand (MBB) networks have become one of the main means to access the Internet. MBB networks are evolving at a rapid pace with technology enhancements that promise drastic improvements in capacity, connectivity, and coverage, i.e., better performance in general. Open experimentation with operational MBB networks in the wild is currently a fundamental requirement of the research community in its endeavor to address the need for innovative solutions for mobile communications. There is a strong need for objective data relating to stability and performance of MBB (e.g., 2G, 3G, 4G, and soon-to-come 5G) networks and for tools that rigorously and scientifically assess their performance. Thus, measuring end user performance in such an environment is a challenge that calls for large-scale measurements and profound analysis of the collected data. The intertwining of technologies, protocols, and setups makes it even more complicated to design scientifically sound and robust measurement campaigns. In such a complex scenario, the randomness of the wireless access channel coupled with the often unknown operator configurations makes this scenario even more challenging. In this thesis, we introduce the MONROE measurement platform: an open access and flexible hardware-based platform for measurements on operational MBB networks. The MONROE platform enables accurate, realistic, and meaningful assessment of the performance and reliability of MBB networks. We detail the challenges we overcame while building and testing the MONROE testbed and argue our design and implementation choices accordingly. Measurements are designed to stress performance of MBB networks at different network layers by proposing scalable experiments and methodologies. We study: (i) Network layer performance, characterizing and possibly estimating the download speed offered by commercial MBB networks; (ii) End users’ Quality of Experience (QoE), specifically targeting the web performance of HTTP1.1/TLS and HTTP2 on various popular web sites; (iii) Implication of roaming in Europe, understanding the roaming ecosystem in Europe after the "Roam like Home" initiative; and (iv) A novel adaptive scheduler family with deadline is proposed for multihomed devices that only require a very coarse knowledge of the wireless bandwidth. Our results comprise different contributions in the scope of each research topic. To put it in a nutshell, we pinpoint the impact of different network configurations that further complicate the picture and hopefully contribute to the debate about performance assessment in MBB networks. The MBB users web performance shows that HTTP1.1/TLS is very similar to HTTP2 in our large-scale measurements. Furthermore, we observe that roaming is well supported for the monitored operators and the operators using the same approach for routing roaming traffic. The proposed adaptive schedulers for content upload in multihomed devices are evaluated in both numerical simulations and real mobile nodes. Simulation results show that the adaptive solutions can effectively leverage the fundamental tradeoff between the upload cost and completion time, despite unpredictable variations in available bandwidth of wireless interfaces. Experiments in the real mobile nodes provided by the MONROE platform confirm the findings

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

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

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

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

Seamless multimedia delivery within a heterogeneous wireless networks environment: are we there yet?

The increasing popularity of live video streaming from mobile devices such as Facebook Live, Instagram Stories, Snapchat, etc. pressurises the network operators to increase the capacity of their networks. However, a simple increase in system capacity will not be enough without considering the provisioning of Quality of Experience (QoE) as the basis for network control, customer loyalty and retention rate and thus increase in network operators revenue. As QoE is gaining strong momentum especially with increasing users’ quality expectations, the focus is now on proposing innovative solutions to enable QoE when delivering video content over heterogeneous wireless networks. In this context, this paper presents an overview of multimedia delivery solutions, identifies the problems and provides a comprehensive classification of related state-of-the-art approaches following three key directions: adaptation, energy efficiency and multipath content delivery. Discussions, challenges and open issues on the seamless multimedia provisioning faced by the current and next generation of wireless networks are also provided

Seamless Multimedia Delivery Within a Heterogeneous Wireless Networks Environment: Are We There Yet?

The increasing popularity of live video streaming from mobile devices, such as Facebook Live, Instagram Stories, Snapchat, etc. pressurizes the network operators to increase the capacity of their networks. However, a simple increase in system capacity will not be enough without considering the provisioning of quality of experience (QoE) as the basis for network control, customer loyalty, and retention rate and thus increase in network operators revenue. As QoE is gaining strong momentum especially with increasing users' quality expectations, the focus is now on proposing innovative solutions to enable QoE when delivering video content over heterogeneous wireless networks. In this context, this paper presents an overview of multimedia delivery solutions, identifies the problems and provides a comprehensive classification of related state-of-the-art approaches following three key directions: 1) adaptation; 2) energy efficiency; and 3) multipath content delivery. Discussions, challenges, and open issues on the seamless multimedia provisioning faced by the current and next generation of wireless networks are also provided

Concurrent multipath transmission to improve performance for multi-homed devices in heterogeneous networks

Recent network technology developments have led to the emergence of a variety of access network technologies - such as IEEE 802.11, wireless local area network (WLAN), IEEE 802.16, Worldwide Interoperability for Microwave Access (WIMAX) and Long Term Evolution (LTE) - which can be integrated to offer ubiquitous access in a heterogeneous network environment. User devices also come equipped with multiple network interfaces to connect to the different network technologies, making it possible to establish multiple network paths between end hosts. However, the current connectivity settings confine the user devices to using a single network path at a time, leading to low utilization of the resources in a heterogeneous network and poor performance for demanding applications, such as high definition video streaming. The simultaneous use of multiple network interfaces, also called bandwidth aggregation, can increase application throughput and reduce the packets' end-to-end delays. However, multiple independent paths often have heterogeneous characteristics in terms of offered bandwidth, latency and loss rate, making it challenging to achieve efficient bandwidth aggregation. For instance, striping the flow's packets over multiple network paths with different latencies can cause packet reordering, which can significantly degrade performance of the current transport protocols. This thesis proposes three new solutions to mitigate the effects of network path heterogeneity on the performance of various concurrent multipath transmission settings. First, a network layer solution is proposed to stripe packets of delay-sensitive and high-bandwidth applications for concurrent transmission across multiple network paths. The solution leverages the paths' latency heterogeneity to reduce packet reordering, leading to minimal reordering delay, which improves performance of delay-sensitive applications. Second, multipath video streaming is developed for H.264 scalable video, where the reference video packets are adaptively assigned to low loss network paths to reduce drifting errors, thus combatting H.264 video distortion effectively. Finally, a new segment scheduling framework - which carefully considers path heterogeneity - is incorporated into the IETF Multipath TCP to improve throughput performance. The proposed solutions have been validated using a series of simulation experiments. The results reveal that the proposed solutions can enable efficient bandwidth aggregation for concurrent multipath transmission over heterogeneous network paths

LTE Optimization and Resource Management in Wireless Heterogeneous Networks

Mobile communication technology is evolving with a great pace. The development of the Long Term Evolution (LTE) mobile system by 3GPP is one of the milestones in this direction. This work highlights a few areas in the LTE radio access network where the proposed innovative mechanisms can substantially improve overall LTE system performance. In order to further extend the capacity of LTE networks, an integration with the non-3GPP networks (e.g., WLAN, WiMAX etc.) is also proposed in this work. Moreover, it is discussed how bandwidth resources should be managed in such heterogeneous networks. The work has purposed a comprehensive system architecture as an overlay of the 3GPP defined SAE architecture, effective resource management mechanisms as well as a Linear Programming based analytical solution for the optimal network resource allocation problem. In addition, alternative computationally efficient heuristic based algorithms have also been designed to achieve near-optimal performance

Mobilidade em redes veiculares com conectividade dinâmica e balanceamento de carga

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesWith the evolution of technology and the demands of population, the technological advances are leading to the so called internet of things and, in its turn, the development of the internet of things leads to the creation of new objectives and to the utilization of new approaches regarding access networks. Besides, the stable communication is also desired independently of the access technology in use. Nowadays the importance of being connected always and everywhere is increasing, independently of the access conditions. The usage of vehicular networks is getting to a reality, and they are used with several objectives and providing several services. In this way, this kind of networks can already provide services to the community like internet connection inside the vehicle, gather data from the city and, when the deployment extends to common users, some features like road safety and autonomous driving will be possible. With the dynamicity of these networks it is usual that one node is in reach of more than one access point, but when this happens, that node will just connect to one of them independently of the good quality of those access points. Besides, with the high mobility of the nodes in the network, the amount of changes in the way the network is connected is high, which leads to the importance of having always a good connection and a fast change between networks when needed. This dissertation focuses on the need to guarantee that one node connects simultaneously to several access points to the network and providing fast mobility of the nodes in a transparent manner to the users. Therefore, the integration between the N-PMIPv6 mobility protocol and a PMIPv6 multihoming support extension is performed. Several entities that support multihoming are integrated and adapted to the characteristics/operation of N-PMIPv6 in the way that they are as adapted as possible to the vehicular conditions. Also, a particularity of the WAVE vehicular technology is used so that one interface can connect to more than one access point at the same time. Besides, the traffic to the users is distributed in such a way that it accounts for the characteristics of the networks and of that same traffic. Regarding the connections performed, the entity that manages them is improved so that it can support more than one at the same time. Finally, a mobility protocol for vehicular networks is obtained that supports simultaneous connections to the network, in which those connections can be seen and treated as belonging to the same user. Besides, the laboratory and road tests show that a division of the traffic through the several paths is performed in a way that it minimizes delay, maximizes the utilization of WAVE and minimizes the possible out-of-order packets.Com a evolução da tecnologia e da mentalidade do público em geral, cada vez mais os avanços tecnológicos levam à chamada internet das coisas e, por sua vez, a internet das coisas leva à criação de novos objetivos e à utilização de novas abordagens no que diz respeito às redes de acesso. Além dessa evolução, deseja-se também a comunicação estável e independentemente da tecnologia de acesso. Atualmente torna-se cada vez mais importante estar ligado em todo lado e a toda a hora, independentemente das condições de acesso. A utilização das redes veiculares é cada vez mais uma realidade, sendo estas já utilizadas com vários objetivos e fornecendo variados serviços. Neste sentido, estes tipos de redes já podem fornecer atualmente vários serviços à comunidade, nomeadamente a ligação à internet dentro do veículo, a recolha e utilização de dados sobre a cidade e, quando a utilização for estendida a veículos de utilizadores comuns, será possível o suporte para a segurança rodoviária e até condução autónoma. Com a dinamicidade destas redes é comum um nó estar ao alcance de mais do que um ponto de acesso, mas quando isso acontece, apenas se liga a um deles independentemente da boa qualidade de ambos. Além disso, com a grande mobilidade dos nós da rede, a quantidade de alterações relativas ao ponto de acesso à rede é bastante grande, o que leva à extrema importância de garantir sempre uma boa ligação e uma rápida alteração da ligação sempre que necessário. Esta dissertação concentra-se na necessidade de garantir a ligação simultânea a vários pontos de acesso à rede e uma rápida mobilidade dos nós de uma forma transparente para o utilizador. Com este objetivo, é realizada a integração do protocolo de mobilidade de rede Network PMIPv6 (N-PMIPv6) com uma extensão de suporte ao multihoming para o Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6). Nesta integração as várias entidades que suportam o multihoming são integradas e adaptadas às características/ funcionamento do N-PMIPv6 de maneira a que estas estejam o mais adaptadas possível às condições das redes veiculares. É também utilizada uma particularidade da tecnologia veicular Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) para proceder a várias ligações com uma só interface. Além disso, o tráfego destinado aos utilizadores é distribuído tendo em conta as características das redes e do próprio tráfego. Relativamente às ligações efetuadas, a entidade de decisão e execução de ligações à rede é melhorada para permitir a ligação a vários pontos de acesso em simultâneo. Por fim, obtém-se um protocolo de mobilidade para redes veiculares que suporta ligações simultâneas à rede, em que essas ligações são vistas e tratadas como pertencendo ao mesmo utilizador. Além disso, os testes de laboratório e estrada mostram que se consegue efetuar uma divisão do tráfego pelos vários caminhos minimizado o delay, maximizando a utilização de WAVE e minimizando os possíveis pacotes fora de ordem