Advanced Positioning and Location based services in 4G Mobile-IP Radio Access Networks

2004 IEEE 15TH IEEE International Symposium on personal, indoor and mobile radio communications (PIMRC 2004), Barcelona, Spain, 5-8 september 2004.This paper proposes an evolved architecture from 3G networks to provide basic and advanced positioning methods for location based services in mobile IPv6-based radio access networks. We start analyzing current status of location-based services (i.e. LBS or LCS) and architectures in 3G networks as well as state-of-the-art research on LBS and mobile Internet. Next we set the requirements the solution should fulfill. We continue proposing the evolved architecture for support of basic and advanced positioning methods, using MIPv6 and HMIPv6 as mobility scenario for the mobile IPv6 based RAN, describing element's functions and changes from current approaches as well as description of the dynamic behavior. We complete the proposal with a bandwidth analysis of the signaling, identifying issues when planning implementation of LCS services in the network

Planification d'un réseau de quatrième génération à partir d'un réseau de troisième génération

RÉSUMÉ Avec l'arrivée des technologies 3G, les réseaux de télécommunications ont connu une grande expansion. Ces réseaux ont permis l'intégration de nouveaux services et un débit adéquat, permettant ainsi aux opérateurs de répondre à la demande croissante des utilisateurs. Cette rapide évolution a porté les opérateurs à adapter leurs méthodes de planification aux nouvelles technologies qui, augmentent la complexité au niveau du réseau. Cette complexité devient plus importante quand ces réseaux regroupent plusieurs technologies d'accès différents en un réseau hétérogène, comme dans le cas des réseaux mobiles de prochaine génération ou réseaux 4G. La planification fait alors intervenir de nouveaux défis tels que: l'augmentation considérable des demandes de services, la compatibilité avec les réseaux actuels, la gestion de la mobilité intercellulaire des utilisateurs et l'offre d'une qualité de services les plus flexibles. Ainsi, pour créer un réseau flexible aux ajouts et aux retraits d'équipements, une bonne méthode de planification s'impose. C'est dans ce contexte que se situe ce mémoire, qui vise à faire la planification d'un réseau 4G à partir d'un réseau 3G existant. De façon générale, le problème de planification fait intervenir plusieurs sous-problèmes avec chacun un niveau de complexité différent. Dans ce travail, le sous-problème qui est traité concerne l'affectation des cellules aux commutateurs. Ce problème consiste à déterminer un patron d'affectation qui permet de minimiser le coût d'investissement des équipements du réseau 4G, tout en maximisant l'utilisation faite des équipements du réseau 3G déjà en place. Ainsi, la solution proposée est un modèle mathématique dont l’expression prend la forme d'un problème de minimisation de fonction, assujetti à un ensemble de contraintes. Il s’agit d’une fonction de coût qui regroupe: l’affectation des cellules (eNode B) aux MME et aux SGW, et l’affectation des SGSN aux MME et aux SGW. Puisque les MME et SGW peuvent être rassemblés dans une seule passerelle, une entité nommée SGM a été défini. Ainsi, la fonction prend en compte les coûts des affectations des eNode B et des SGSN aux SGM. Ce modèle est sujet aux contraintes de capacités des SGM et aux contraintes d'unicité sur les affectations des eNode B et SGSN aux SGM. Le modèle mathématique proposé est constitué des coûts de liaisons des équipements du réseau 4G, des coûts de liaisons inter-réseaux, des coûts de relèves horizontales (intra réseau 4G) et des coûts de relèves verticales (inter-réseau 3G-4G). Le problème étant prouvé NP-difficile, la performance du modèle sera évaluée au moyen d'une méthode heuristique basée sur la recherche taboue. Pour adapter l'heuristique au problème d'affectation dans les réseaux 4G, des mouvements de réaffectation et de déplacement des nœuds eNode B et SGSN ont été définis. De même, un mécanisme de calcul de gain a été proposé, permettant d'évaluer l'apport de chaque mouvement sur le coût de la solution courante. Ainsi, les résultats numériques obtenus de l'implémentation de cette méthode, montrent que la méthode taboue accuse un écart moyen ne dépassant pas 30\% par rapport à la solution optimale. Alors que pour certains réseaux, l'heuristique a été en mesure de trouver des résultats ayant un écart moyen ne dépassant pas 1\% par rapport à la solution optimale trouvée dans les simulations.----------ABSTRACT With the advent of 3G technologies, mobile networks have expanded greatly. These networks have enabled the integration of new services and an enough bandwidth, allowing operators to meet the growing demand of users. This rapid evolution has led the operators to adapt their planning approach that come with new challenges. Those challenges become more important when these networks are designed to support different radio access technologies within a heterogeneous mobile network, like 4G networks. In this case, planning those networks involves other challenges, such as the considerable increase in services requests, compatibility with existing networks, management of intercellular mobility of users and a good quality of offered services. Thus, in order to create a network that allows to add or to remove components, good planning approach is needed. It is in this context, this paper aims to address the problem that occurs when the planning of a 4G network is based on an existing 3G network. The planning issue involves several sub-issue with a different level of complexity for each of them. This work mainly addresses the cell assignment problem regarding the 4G networks. Thus, the proposed solution is a mathematical model. This model has mainly two objectives: the assignment between 4G nodes, and the assignment between 3G and 4G nodes. Since the MME and SGW can be aggregated into a single gateway, an entity named SGM has been set. Thus, the model becomes a cost function involving assignments eNode B and SGSN to SGM. This model is subject to capacity constraints of SGM, and unique constraints on assignments eNode B and SGSN to SGM. The proposed model includes: the link's costs of 4G-network equipment, the link's costs between 3G and 4G equipment, the horizontal handoff costs (intra 4G network) and the vertical handover costs (inter-3G-4G). The problem is NP-hard, a tabu search algorithm will be used. To adapt this heuristic, movements have been defined to reallocate and move nodes eNode B and SGSN in order to improve the cost of the current solution. The results of the implementation show a gap which is less then 30\% between the TS results and left bound value. For others networks size, the gap is sometimes less then 1\% compare to the left bound value

Architecture de découverte des services web géolocalisés dans les réseaux mobiles de prochaine génération

Définition et concepts de base -- Éléments de la problématique -- Objectifs de recherche -- Esquisse méthodologique -- Principales contributions et originalité -- Plan de la thèse -- Découverte et distribution des services -- Synthèse des requis et défis de recherche -- Architecture de découverte de services géolocalisés proposée -- Principaux requis de l'architecture proposée -- Principes de l'architecture proposée -- Architecture du système GLWSA -- Formalisme mathématique du système GLWSA -- Implémentation du système GLWSA -- Architecture fonctionnelle du système GLWSA -- La couche des services publiés synchrones et d'écoute des messages asynchrones -- La couche de gestion des services -- La couche des classes de base -- La persistance dans le système GLWSA -- Extension du protocole MLP : MLPe -- Évaluation de l'architecture et résultats -- Évaluation des requis fonctionnels -- Évaluation de la collecte des donnés dynamiques de QoS

Arquitectura de red de acceso móvil de cuarta generación : mobile-IP RAN

Esta tesis aborda el problema de las arquitecturas de acceso radio, en el ámbito de las redes móviles de cuarta generación definidas en entornos de movilidad IP. Uno de los principales beneficios del uso estas propuestas es la simplificación de la red móvil, haciéndola menos dependiente de la tecnología de acceso radio, y por ende permitiendo el uso de una red troncal común a las diferentes tecnologías radio existentes. En estas redes, la movilidad del terminal, la infraestructura de red y la seguridad son los aspectos más importantes que se han tomado en consideración en su diseño. A pesar de los avances en la investigación y estandarización de los mecanismos de movilidad basados en IP, existen aún limitaciones en la funcionalidad ofrecida por las redes de acceso radio propuestas. Estas limitaciones se refieren a servicios de la red de acceso radio, que no son específicos al nivel de red (IP), pero que deben ofrecerse por la red para el correcto funcionamiento de los servicios generales de la red móvil, e incluyen los servicios de gestión de los recursos radio, movilidad (handover), sincronización de usuario y red, descubrimiento de servicios y cálculo de la posición del móvil. El objetivo principal de esta tesis es la definición de una red de acceso radio basada en IP móvil que integre las principales funciones de las redes de acceso móvil de tercera generación y aquellas consideradas de cuarta generación. Esta nueva arquitectura permite compartir la infraestructura de acceso radio entre las distintas tecnologías radio existentes, simplificando la red y los costos asociados. Asimismo, los proveedores de servicios móviles podrán incorporar de forma integrada nuevas tecnologías radio, sin necesidad de añadir más infraestructura que la equivalente a las estaciones base. Las aportaciones principales de esta tesis, dentro del objetivo general, se pueden resumir de la siguiente manera. En primer lugar, se definen los requisitos que debe cumplir la red de acceso móvil de cuarta generación, en cuanto a los servicios de red y usuario proporcionados. La segunda aportación, y considerada la aportación principal, es la definición de una arquitectura de red de acceso basada en IPv6 móvil, denominada Mobile-IP RAN, que incluye la definición de los elementos de red que la componen, así como sus interfaces y protocolos, que permite ofrecer los servicios de acceso a la red, movilidad de usuario, transferencia de datos, sincronización y localización de usuarios. Como parte de la arquitectura, se define, a través de diagramas de secuencia de mensajes, el comportamiento dinámico de las principales funciones proporcionadas por la red de acceso propuesta. Por último, se lleva a cabo la evaluación de los modelos de movilidad, de determinación de la posición (como parte del servicio de localización de usuario) y de sincronización propuestos, analizando sus parámetros fundamentales que permitan optimizar el desempeño de estos modelos, así como su aplicabilidad en las distintas redes de acceso radio. ______________________________________________This thesis approaches the architecture of radio access networks in the context of fourth generation mobile networks, these being defined in IP mobility environments. One of the main benefits of these proposals is the simplification of the mobile network, now less dependent of the radio access technologies, and allowing the use of a common core network for all existing radio technologies. On these proposals, user mobility, network infrastructure and security are main aspects considered on the design. In spite of the advances on research and standardization of the IP-based mobility mechanisms, there are still limitations in the features offered by the proposed radio access networks. These limitations refers to radio access network service features, not specific to the (IP) network layer, but necessary for the correct operation of the general network and user services, that includes radio resource management, mobility (e.g. handover), network and user synchronization, service discovery and user position calculation. The main objective of this thesis is the definition of a radio access network architecture based on Mobile IPv6 that integrates the main features of the third-generation mobile access networks and those of the fourth generation. This architecture allows the use of the radio access infrastructure among the different existing radio access technologies, simplifying the network and its associated costs. Moreover, with this architecture, mobile service providers may incorporate new radio technologies in a seamless way, without adding more infrastructure than the base stations. The main contributions of this work can be summarized as follows. First, we define the requirements of the fourth-generation radio access networks related to the network and user services provided. Second, and considered the main contribution of this thesis, is the definition of a Mobile-IPv6 based radio access network architecture, named Mobile-IP RAN, that includes the definition of its network elements, as well as its network interfaces and protocols, that allow services including network access, user mobility, user data transfer, synchronization and location services. As part of the architecture, and through the use of Message Sequence Charts, we define the dynamic behavior of the main features offered by the proposed access network. Last, we perform the evaluation of the proposed mobility, position determination and synchronization models, analyzing their main parameters as well as their applicability in different radio access networks