A methodology for obtaining More Realistic Cross-Layer QoS Measurements in mobile networks: A VoIP over LTE Use Case

Los servicios de voz han sido durante mucho tiempo la primera fuente de ingresos para los operadores móviles. Incluso con el protagonismo creciente del tráfico de datos, los servicios de voz seguirán jugando un papel importante y no desaparecerán con la transición a redes basadas en el protocolo IP. Por otra parte, hace años que los principales actores en la industria móvil detectaron claramente que los usuarios no aceptarían una degradación en la calidad de los servicios de voz. Es por esto que resulta crítico garantizar la experiencia de usuario (QoE) en la transición a redes de nueva generación basadas en conmutación de paquetes. El trabajo realizado durante esta tesis ha buscado analizar el comportamiento y las dependencias de los diferentes servicios de Voz sobre IP (VoIP), así como identificar configuraciones óptimas, mejoras potenciales y metodologías que permitan asegurar niveles de calidad aceptables al mismo tiempo que se trate de minimizar los costes. La caracterización del rendimiento del tráfico de datos en redes móviles desde el punto de vista de los usuarios finales es un proceso costoso que implica la monitorización y análisis de un amplio rango de protocolos y parámetros con complejas dependencias. Para abordar desde la raíz este problema, se requiere realizar medidas que relacionen y correlen el comportamiento de las diferentes capas. La metodología de caracterización propuesta en esta tesis proporciona la posibilidad de recoger información clave para la resolución de problemas en las comunicaciones IP, relaciolándola con efectos asociados a la propagación radio, como cambios de celda o pérdida de enlaces, o con carga de la red y limitaciones de recursos en zonas geográficas específicas. Dicha metodología se sustenta en la utilización de herramientas nativas de monitorización y registro de información en smartphones, y la aplicación de cadenas de herramientas para la experimentación extensiva tanto en redes reales y como en entornos de prueba controlados. Con los resultados proporcionados por esta serie de herramientas, tanto operadores móviles y proveedores de servicio como desarrolladores móviles podrían ganar acceso a información sobre la experiencia real del usuario y sobre cómo mejorar la cobertura, optimizar los servicios y adaptar el funcionamiento de las aplicaciones y el uso de protocolos móviles basados en IP en este contexto. Las principales contribuciones de las herramientas y métodos introducidos en esta tesis son los siguientes: - Una herramienta de monitorización multicapa para smartphones Android, llamada TestelDroid, que permite la captura de indicadores clave de rendimiento desde el propio equipo de usuario. Asimismo proporciona la capacidad de generar tráfico de forma activa y de verificar el estado de alcanzabilidad del terminal, realizando pruebas de conectividad. - Una metodología de post-procesado para correlar la información presente en las diferentes capas de las medidas realizadas. De igual forma, se proporciona la opción a los usuarios de acceder directamente a la información sobre el tráfico IP y las medidas radio y de aplicar metodologías propias para la obtención de métricas. - Se ha realizado la aplicación de la metodología y de las herramientas usando como caso de uso el estudio y evaluación del rendimiento de las comunicaciones basadas en IP a bordo de trenes de alta velocidad. - Se ha contribuido a la creación de un entorno de prueba realista y altamente configurable para la realización de experimentos avanzados sobre LTE. - Se han detectado posibles sinergias en la utilización de instrumentación avanzada de I+D en el campo de las comunicaciones móviles, tanto para la enseñanza como para la investigación en un entorno universitario

Mobility: a double-edged sword for HSPA networks

This paper presents an empirical study on the performance of mobile High Speed Packet Access (HSPA, a 3.5G cellular standard) networks in Hong Kong via extensive field tests. Our study, from the viewpoint of end users, covers virtually all possible mobile scenarios in urban areas, including subways, trains, off-shore ferries and city buses. We have confirmed that mobility has largely negative impacts on the performance of HSPA networks, as fast-changing wireless environment causes serious service deterioration or even interruption. Meanwhile our field experiment results have shown unexpected new findings and thereby exposed new features of the mobile HSPA networks, which contradict commonly held views. We surprisingly find out that mobility can improve fairness of bandwidth sharing among users and traffic flows. Also the triggering and final results of handoffs in mobile HSPA networks are unpredictable and often inappropriate, thus calling for fast reacting fallover mechanisms. We have conducted in-depth research to furnish detailed analysis and explanations to what we have observed. We conclude that mobility is a double-edged sword for HSPA networks. To the best of our knowledge, this is the first public report on a large scale empirical study on the performance of commercial mobile HSPA networks

Mobility management in 5G for high-speed trains

High-speed trains (HST) are nowadays more present in our lives currently, some of them can reach speeds up to 500 km/h and futuristic concepts such as hyperloop tunnels could make trains travel at speeds up to 1000 km/h. Dealing with such high speeds arises many communication problems, for example, in mobility management, with many handovers or high Doppler frequency shifts. You might be thinking how it is possible to provide a good QoS to the users inside the train, when traveling at such elevated velocities. In the thesis, we rely on the development of 5G New Radio and the benefits associated, such as a new handover protocol introduced by 3GPP called conditional handover (CHO). By simulating with Simu5G a HST scenario we have proved that CHO can provide a better service to the users by improving the SINR levels and being more efficient than common handover.Los trenes de alta velocidad están cada vez más presentes en nuestro día a día, algunos ya alcanzan velocidades de 500 km/h, mientras que otros conceptos futuristas como los túneles hyperloop podrían hacer que alcanzaran velocidades de hasta 1000 km/h. En el ámbito de las telecomunicaciones, trabajar a tan altas velocidades conlleva algunos problemas, como por ejemplo un elevado número de handovers. Seguramente, os estéis preguntando cómo es posible establecer un servicio que cumpla unos mínimos de calidad para el usuario, cuando este viaja a tan altas velocidades. Para ello, nos hemos apoyado en la tecnología 5G i un nuevo concepto de handover llamado conditional handover (CHO), introducido por el 3GPP. A través del simulador Simu5G, hemos conseguido demostrar que el CHO no solo es un protocolo más eficiente, sino que además conlleva una mejora en los niveles de SINR, en condiciones parecidas a las de un tren de alta velocidad.Els trens d'alta velocitat estan cada vegada més presents en el nostre dia a dia, alguns ja son capaços d'arribar a velocitats pròximes als 500 km/h, mentre que altres conceptes futuristes com els túnels hyperloop podrien fer que els trens arribessin a velocitats de 1000 km/h. En l'àmbit de les comunicacions, treballar amb velocitats tan elevades comporta alguns problemes, com per exemple un ampli número de handovers. Segurament, estareu pensant com es possible establir un servei que compleixi uns mínims de qualitat de cara a l'usuari, al estar treballant amb velocitats tant elevades. Per fer-ho ens hem recolzat en la tecnologia 5G i un nou concepte de handover presentat pel 3GPP, el conditional handover (CHO). Simulant a través de Simu5G un escenari similar al d'un tren d'alta velocitat, hem pogut demostrar que el CHO no es només un protocol més eficient que el handover normal, sinó que a més a més millora els nivells de SINR

Improved Handover Through Dual Connectivity in 5G mmWave Mobile Networks

The millimeter wave (mmWave) bands offer the possibility of orders of magnitude greater throughput for fifth generation (5G) cellular systems. However, since mmWave signals are highly susceptible to blockage, channel quality on any one mmWave link can be extremely intermittent. This paper implements a novel dual connectivity protocol that enables mobile user equipment (UE) devices to maintain physical layer connections to 4G and 5G cells simultaneously. A novel uplink control signaling system combined with a local coordinator enables rapid path switching in the event of failures on any one link. This paper provides the first comprehensive end-to-end evaluation of handover mechanisms in mmWave cellular systems. The simulation framework includes detailed measurement-based channel models to realistically capture spatial dynamics of blocking events, as well as the full details of MAC, RLC and transport protocols. Compared to conventional handover mechanisms, the study reveals significant benefits of the proposed method under several metrics.Comment: 16 pages, 13 figures, to appear on the 2017 IEEE JSAC Special Issue on Millimeter Wave Communications for Future Mobile Network

Handover management in mobile WiMAX using adaptive cross-layer technique

The protocol type and the base station (BS) technology are the main communication media between the Vehicle to Infrastructure (V2I) communication in vehicular networks. During high speed vehicle movement, the best communication would be with a seamless handover (HO) delay in terms of lower packet loss and throughput. Many studies have focused on how to reduce the HO delay during lower speeds of the vehicle with data link (L2) and network (L3) layers protocol. However, this research studied the Transport Layer (L4) protocol mobile Stream Control Transmission Protocol (mSCTP) used as an optimal protocol in collaboration with the Location Manager (LM) and Domain Name Server (DNS). In addition, the BS technology that performs smooth HO employing an adaptive algorithm in L2 to perform the HO according to current vehicle speed was also included in the research. The methods derived from the combination of L4 and the BS technology methods produced an Adaptive Cross-Layer (ACL) design which is a mobility oriented handover management scheme that adapts the HO procedure among the protocol layers. The optimization has a better performance during HO as it is reduces scanning delay and diversity level as well as support transparent mobility among layers in terms of low packet loss and higher throughput. All of these metrics are capable of offering maximum flexibility and efficiency while allowing applications to refine the behaviour of the HO procedure. Besides that, evaluations were performed in various scenarios including different vehicle speeds and background traffic. The performance evaluation of the proposed ACL had approximately 30% improvement making it better than the other handover solutions