Performance Analysis of Drive-thru Internet Access

Drive-thru Internet is considered to be an important solution to provide Internet access for vehicles. By deploying cost-effective and high bandwidth roadside WiFi networks, a vehicle can upload/download considerable data when drive through the coverage area, whereby a myriad of automotive applications can be employed, such as intelligent transportation system, infotainment applications like video/audio streaming, webpage browsing, etc. However, the high mobility of vehicles leads to the intermittent connection between a vehicle and roadside Access Points (APs), which would cause the Internet access delay and throughput degradation. In this thesis, we propose comprehensive modeling and analysis for the drive-thru Internet access performance considering the overhead of the access procedure, which includes the steps of network detection, user authentication and network parameters assignment. We also consider the situation that a vehicle drives through multiple roadside APs' coverage areas and evaluate the performance of traffic offloading from cellular networks to roadside WiFi networks. In specific, firstly, we develop an analytical model to study the dependency of the drive-thru Internet access delay with different factors, i.e., the wireless channel conditions, the number of co-associated WiFi clients, and the employed authentication mechanism, such as the WiFi Protected Access II (WPA2)-Pre-Shared Key (PSK) and the WPA2-802.1X modes. The access procedure is modeled as a discrete Markov chain to calculate the time to exchange all management frames and to evaluate the Internet access delay. The accuracy of the analytical model is studied via computer simulations, as well as experimental testing using Commercial Off-The-Shelf (COTS) WiFi products, together with a channel emulator that emulates the wireless channel conditions in a vehicular environment. Simulation and experiment results validate the accuracy of the proposed analytical model which provides useful guidelines for future selection/development of suitable WiFi network access schemes in a vehicular environment. Secondly, we take a further step to analyze the throughput performance of the drive-thru Internet access. The mobility of the vehicle is modeled as the transition of a series of zones in the coverage area, which is defined based on the relationship between the WiFi link rate and the distance of the AP and the vehicle. A three dimensional (3D) Markov model is proposed to combine the zone transition process and the transmission of the management frames and calculate the average throughput under conditions of different numbers of co-associated WiFi clients, channel qualities and different access protocols. Thirdly, we consider that when the vehicle drives through multiple roadside WiFi networks, and employ the Vehicle-to-Vehicle (V2V) assisted WiFi offloading mechanism, where nearby vehicles that associated to different APs can use their idle WiFi resource to offload part of peer's data traffic. The offloading performance is calculated by modeling the intermittent WiFi transmission as an M/G/1/K queueing process, and the performance gain of the V2V assistance is also analyzed. In summary, the research works in this thesis should provide guidelines for future research and development of drive-thru Internet

Privacy-Aware Opportunistic Wi-Fi

Over the past decade Internet connectivity has become an increasingly essential feature on modern mobile devices. Many use-cases representing the state of the art depend on connectivity. Smartphones, tablets, and other devices alike can even be seen as access devices to Internet services and applications. Getting a device connected requires either a data plan from a mobile network operator (MNO), or alternatively connecting over Wi-Fi wherever feasible. Data plans offered by MNO's vary in terms of price, quota size, and service quality based on regional causes. Expensive data, poor cell coverage, or a limited quota has driven many users to look for free Wi-Fis in hopes of finding a decent connection to satisfy the ever-growing transmission need of modern Internet applications. The standard for wireless local area networks (WLAN, IEEE 802.11) specifies a network discovery protocol for wireless devices to find surrounding networks. The principle behind this discovery protocol dates back to the early days of wireless networking. However, the scale at which Wi-Fi is deployed and being utilized today is magnitudes larger than what it used to be. In more recent years it was realized that the primitive network discovery protocol combined with the large scale can be used for privacy violations. Device manufacturers have acknowledged this issue and developed mechanisms, such as MAC address randomization, for preventing e.g. user tracking based on Wi-Fi background traffic. These mechanisms have been proven to be inefficient. The contributions of this thesis are two-fold. First, this thesis exposes problems related to the 802.11 network discovery protocol. It presents a highly efficient Wi-Fi traffic capturing system, through which we can show distinct characteristics in the way how different mobile devices from various brands and models scan for available networks. This thesis also looks at the potentially privacy-compromising elements in these queries, and provides a mechanism to quantify the information leak. Such collected information combined with public crowdsourced data can pinpoint locations of interest, such as home, workplace, or affiliation without user consent. Secondly, this thesis proposes a novel mechanism, WiPush, to deliver messages over Wi-Fi without association in order to avoid network discovery entirely. This mechanism leverages the existing, yet mostly inaccessible Wi-Fi infrastructure to serve a wider scope of users. Lastly, this thesis provides a communication system for privacy-preserving, opportunistic, and lightweight Wi-Fi communication without association. This system is built around an inexpensive companion device, which makes the concept adaptable for various opportunistic short-range communication systems, such as smart traffic and delay-tolerant networks.Internet-yhteyksistä on viime vuosikymmenen aikana muodostunut olennainen osa mobiililaitteita. Useat nykyaikaiset käyttötapaukset edellyttävät yhteyttä Internetiin. Älypuhelimia, tabletteja, sekä muita mobiililaitteita voidaan pitää jopa päätelaitteina Internet-palveluihin sekä verkkopohjaisiin sovelluksiin. Yhteyden muodostaminen kuitenkin vaatii joko datayhteyden mobiilioperaattorilta, tai vaihtoehtoisesti käytettävissä olevan Wi-Fin. Mobiilioperaattoreiden tarjoamat datayhteydet vaihtelevat niin hinnan, datakaton, sekä palvelun laadun suhteen alueellisista tekijöistä riippuen. Kallis data, huono kattavuus, tai rajallinen kiintiö ovat omiaan ajamaan käyttäjiä etsimään ilmaisia Wi-Fi-verkkoja tyydyttääkseen verkkosovellusten jatkuvan datansiirtotarpeen. Langattomien lähiverkkojen standardi (WLAN, IEEE 802.11) määrittelee protokollan ympäröivien verkkojen havaitsemiseksi. Kyseisen protokollan toimintaperiaate juontaa juurensa langattomien lähiverkkojen alkuajoille, jolloin langattomien verkkojen levinneisyys ja käyttöaste oli pieni murto-osa nykyiseen verrattuna. Vasta viime vuosina on huomattu, että alkeellinen verkonetsintäprotokolla yhdistettynä laajaan Wi-Fin levinneisyyteen saattaa uhata käyttäjän yksityisyyttä. Laitevalmistajat ovat tunnistaneet ongelman, ja sen seurauksena kehittäneet menetelmiä, kuten MAC-osoitteen satunnaistamisen, estääkseen käyttäjien jäljittämisen Wi-Fin taustaliikenteen perusteella. Nämä menetelmät ovat kuitenkin osoittautuneet tehottomiksi. Tämän väitöskirjatutkimuksen tarkoituksena on käsitellä ongelmia liittyen 802.11 verkonetsintäprotokollaan. Tutkimus esittelee efektiivisen datankeruumenetelmän Wi-Fin taustaliikenteelle, joka mahdollistaa uuden tavan laitteiden yksilöinnille. Tämä tutkimus tarkastelee myös potentiaalisesti yksityisyyttä vaarantavia elementtejä verkonetsintäprotokollan datakehyksen sisällä. Jälkimmäinen puolisko väitöstutkimuksesta esittää uudenlaisen tiedonvälitysmenetelmän, WiPush, joka hyödyntää Wi-Fi-laitteita tiedonvälityksessä ilman assosiaatiota verkonetsintäprotokollan välttämiseksi. Lopuksi tämä väitöstutkimus esittelee yksityisyyttä varjelevan, opportunistisen, langattoman tiedonvälitysmenetelmän kevyeen tiedonsiirtoon

Étude de l'Urbanisation des Accès Virtuels et Stratégie de Métamorphose de Réseaux

Virtualization was originally introduced in networks to reduce maintenance and deployment costs. It has experienced tremendous growth and reshaped the landscape of IT and ITC networks. Virtualization permits the sharing of physical resources for instantiating isolated virtual machines despite the fact that it is drawing its resources from the same physical hardware. More recently NFV (Network Functions Virtualization) appeared, it allows to virtualize entire classes of network functions node in blocks that can connect to create communication services. In this thesis we virtualize the access network nodes, namely Wi-Fi access points. The Wi-Fi became one of the hot-topic technology for mobile operators, it allows them to offload some of the customers’ data traffic via hotspots. The problem that arises in such a mechanism is the existing wireless standards, and mobile devices connection management software have not been developed for this purpose. The Hotspot2.0 standard was created to overcome this limitation, by making the Wi-Fi experience similar to the cellular in terms of roaming, transparency and security. We have in our work, applied the concept of NFV by virtualizing these brand new Wi-Fi access points. One of the problems that we faced is the high security required by such standard, including the provisioning of client credentials in public areas. In our thesis we propose an innovative architecture for the repatriation of these credentials through NFC terminals. These same terminals will be used for access points’ urbanization by allowing users to create their own Wi-Fi virtual access point on the fly. The last aspect of this thesis is related to the management of virtualized entities changing communication patterns of legacy networks. In this context, SDN (Software Defined Network) emerged in data centers to redefine the way we think about networks, and is designed for virtualized environments. In this thesis we brought SDN to the edge of the network in our Wi-Fi virtual access points. More than a new paradigm of networks communications, we will see that NFV/SDN in Wi-Fi networks will in the near future make Wi-Fi networks more flexible, open and scalable.La virtualisation, originalement introduite dans les réseaux pour en réduire les coûts de maintenance et de déploiement, a connu une explosion fulgurante remodelant le paysage des réseaux informatiques et télécoms. La virtualisation permet la mutualisation des ressources physiques pour instancier des machines virtuelles complétement isolées mais puisant leurs ressources du même matériel physique. Plus récemment le NFV (Network Functions Virtualisation) est apparu, et a permis de virtualiser des classes entières de fonctions de nœud de réseau dans des blocs qui peuvent se connecter pour créer des services de communication. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte pour virtualiser les nœuds des réseaux d’accès, à savoir les points d’accès Wi-Fi. Le Wi-Fi est devenu la technologie de tous les enjeux pour les opérateurs mobile. Cette technologie leur permet notamment d’y délester une partie du trafic de données clients via des hotspots. Le problème qui se pose dans un tel mécanisme est que les normes Wi-Fi existantes ainsi que les logiciels de gestion de connexion d’un appareil mobile n’ont pas été développés dans l’optique du hotspot. A cet effet, la norme Hotspot2.0 a été créée, pour rendre l’expérience Wi-Fi similaire à celle du cellulaire en termes d’itinérance, de transparence et de sécurité. Nous avons dans nos travaux, appliqué le concept de NFV en virtualisant ces points d’accès Wi-Fi de nouvelle génération. La problématique face à laquelle nous avons été confrontés est la forte sécurité imposée par de tels dispositifs exigeants notamment l’enregistrement et l’installation de certificats de sécurité clients dans les lieux publics. Dans notre thèse nous proposons une architecture innovante permettant le rapatriement de ces éléments de sécurité à travers des bornes NFC. Ces mêmes bornes, dans une volonté d’urbanisation des points d’accès, permettront aux utilisateurs de créer leurs propres points d’accès Wi-Fi virtuels à la volée. Enfin, le dernier aspect de cette thèse touche à la problématique de gérance des entités virtualisées changeant les schémas de communication des réseaux traditionnels. Dans ce contexte, SDN (Software Defined Network) a émergé dans les datacenters pour redéfinir la façon de penser les réseaux plus en adéquation avec le contexte virtualisé. Cette thèse reprend le SDN pour l’appliquer en périphérie de réseaux sur les points d’accès Wi-Fi virtuels que nous avons créés. Plus qu’un nouveau paradigme de communications réseaux, nous verrons que l’introduction des concepts NFV/SDN aux réseaux Wi-Fi permettra dans un avenir proche de rendre les réseaux Wi-Fi plus souples, plus ouverts et plus évolutifs

セルラーネットワークにおける無線LANオフロードのためのネットワーク選択方式に関する研究

早大学位記番号:新7456早稲田大

Optimisation of Traffic Steering for Heterogeneous Mobile Networks

Mobile networks have changed from circuit switched to IP-based mobile wireless packet switched networks. This paradigm shift led to new possibilities and challenges. The development of new capabilities based on IP-based networks is ongoing and raises new problems that have to be tackled, for example, the heterogeneity of current radio access networks and the wide range of data rates, coupled with user requirements and behaviour. A typical example of this shift is the nature of traffic, which is currently mostly data-based; further, forecasts based on market and usage trends indicate a data traffic increase of nearly 11 times between 2013 and 2018. The majority of this data traffic is predicted to be multimedia traffic, such as video streaming and live video streaming combined with voice traffic, all prone to delay, jitter, and packet loss and demanding high data rates and a high Quality of Service (QoS) to enable the provision of valuable service to the end-user. While the demands on the network are increasing, the end-user devices become more mobile and end-user demand for the capability of being always on, anytime and anywhere. The combination of end-user devices mobility, the required services, and the significant traffic loads generated by all the end-users leads to a pressing demand for adequate measures to enable the fulfilment of these requirements. The aim of this research is to propose an architecture which provides smart, intelligent and per end-user device individualised traffic steering for heterogeneous mobile networks to cope with the traffic volume and to fulfil the new requirements on QoS, mobility, and real-time capabilities. The proposed architecture provides traffic steering mechanisms based on individual context data per end-user device enabling the generation of individual commands and recommendations. In order to provide valuable services for the end-user, the commands and recommendations are distributed to the end-user devices in real-time. The proposed architecture does not require any proprietary protocols to facilitate its integration into the existing network infrastructure of a mobile network operator. The proposed architecture has been evaluated through a number of use cases. A proof-of-concept of the proposed architecture, including its core functionality, was implemented using the ns-3 network simulator. The simulation results have shown that the proposed architecture achieves improvements for traffic steering including traffic offload and handover. Further use cases have demonstrated that it is possible to achieve benefits in multiple other areas, such as for example improving the energy efficiency, improving frequency interference management, and providing additional or more accurate data to 3rd party to improve their services

Context-based Resource Management and Slicing for SDN-enabled 5G Smart, Connected Environments

Τα συστήματα κινητής επικοινωνίας πέμπτης γενιάς (5G) τα οποία αναμένονται τα αμέσως επόμενα χρόνια, θα αντιμετωπίσουν πρωτοφανείς απαιτήσεις όσον αφορά τον όγκο και το ρυθμό μεταδόσης δεδομένων, τις καθυστερήσεις του δικτύου, καθώς και τον αριθμό των συνδεδεμένων συσκευών. Τα μελλοντικά δικτυακά οικοσυστήματα θα περιλαμβάνουν μια πληθώρα τεχνολογιών ασύρματης επικοινωνίας (είτε τεχνολογιών 3GPP, είτε μη-3GPP) όπως το Wi-Fi, το 3G, το 4G ή LTE, το Bluetooth, κτλ. Τα σενάρια ανάπτυξης του 5G προβλέπουν έναν πολυεπίπεδο συνδυασμό μακρο- και μικρο-κυψελών, όπου πολυλειτουργικές συσκευές –οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν ποικιλία διαφορετικών εφαρμογών και υπηρεσιών- εξυπηρετούνται από διαφορετικές τεχνολογίες. Οι περιορισμοί που υπήρξαν στα παλιότερα συστήματα κινητών επικοινωνιών πρέπει να εξαλειφθούν, ανοίγοντας το δρόμο για ένα νέο κύμα υπηρεσιών και συνολική εμπειρία χρήστη. Ως εκ τούτου, η διαχείριση των ασύρματων πόρων μέσω της χαρτογράφησης και διανομής τους στις κινητές συσκευές, μέσω της πλέον κατάλληλης τεχνολογίας πρόσβασης, η οποία εξυπηρετεί τις ανάγκες των συγκεκριμένων υπηρεσιών/εφαρμογών αποκτά πρωταρχική σημασία. Οι κύριοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων δικτύου πρόσβασης δηλαδή η επιλογή κυψέλης (cell selection/reselection), η παράδοση υπηρεσίας από τη μία κυψέλη στην άλλη (handover), καθώς και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών (call/service admission control), είναι αυτοί που τελικώς θα μπορέσουν να προσφέρουν στους χρήστες εξαιρετικά υψηλή ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service - QoS) και εμπειρίας (Quality of Experience - QoE) προς τις πολύ απαιτητικές περιπτώσεις χρήσης του 5G. Αυτό θα γίνει εφικτό μέσω της βελτιστοποίησης του συσχετισμού-χαρτογράφησης μεταξύ των διαφορετικών (τελικών) κινητών συσκευών και των συνυπαρχόντων ασύρματων δικτύων πρόσβασης. Επιπλέον της οπτικής του χρήστη, οι Πάροχοι Δικτύων Κινητής θα είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν τη μέγιστη αποδοτικότητα και χρήση των –ήδη δυσεύρετων- ασύρματων πόρων. Ευφυείς βελτιστοποιήσεις και αποδοτικές λύσεις όσον αφορά το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας πρέπει επίσης να εισαχθούν στα δίκτυα 5ης γενιάς με σκοπό να προάγουν ένα συνεκτικό, στοχευμένο στο χρήστη και πολυδιάστατο οικοσύστημα πληροφοριών. Η παρούσα διατριβή αυτή εστιάζει στη Διαχείριση Ασύρματων Δικτυακών Πόρων (ΔΑΔΠ - RRM) από την οπτική των κύριων διαδικασιών που σχετίζονται με την επιλογή ασύρματης τεχνολογίας πρόσβασης και στρώματος κυψέλης (μικρο-, μάκρο κυψέλη, κτλ.), δηλαδή η επιλογή κυψέλης, η παράδοση υπηρεσίας και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών. Έπειτα, η διατριβή προχωρά ένα βήμα παραπέρα, με σκοπό να συνδέσει τη ΔΑΔΠ με μία από τις πιο πρόσφατες προσεγγίσεις διαχείρισης δικτυακών πόρων, δηλαδή τον «τεμαχισμό δικτύου» (network slicing), όπως αυτή εισάγεται σε περιβάλλοντα που χρησιμοποιούν τη μέθοδος της Δικτύωσης Βασισμένης στο Λογισμικό (Software Defined Networking), η οποία δημιουργεί μικρότερα, εικονικά τμήματα του δικτύου, προσαρμοσμένα και βελτιστοποιημένα για συκεκριμένες υπηρεσίες και αντίστοιχες απαιτήσεις. Σαν πρώτο βήμα, πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση για τις υπάρχουσες λύσεις – όπως αυτές προδιαγράφονται στα πρότυπα της 3GPP, στη βιβλιογραφία, καθώς και τις σχετικές πατέντες-. Η διατριβή αυτή αρχικά εντοπίζει τους δεσμούς μεταξύ των προσπαθειών της ερευνητικής κοινότητας, των υλοποιήσεων της βιομηχανίας, καθώς και των δράσεων προτυποποίησης, σε μια προσπάθεια να επισημανθούν ρεαλιστικές λύσεις εφαρμογής, να προσδιοριστούν οι κύριοι στόχοι, τα πλεονεκτήματα, αλλά και οι ελλείψεις αυτών των προσπαθειών. Όπως θα δειχθεί, οι υπάρχουσες λύσεις προσπαθούν να εξισορροπήσουν σε ένα σημείο μεταξύ της βέλτιστης λύσης και μιας απλής υλοποίησης. Έτσι, οι λύσεις που έχουν προταθεί είτε είναι απλοποιημένες σε τέτοιο βαθμό που απομακρύνονται από μια ρεαλιστική πρόταση, και επιτυγχάνουν υπο-βέλτιστες λύσεις ή από την άλλη παρέχουν πολύ σημαντικές βελτιώσεις, αλλά η πολυπλοκότητά τους και η επιβάρυνση που επιβάλλουν στο δίκτυο (όσον αφορά για παράδειγμα κόστος σηματοδοσίας, ή επεξεργαστικής ισχύος) τις καθιστούν ελκυστικές για μια πραγματική ανάπτυξη. Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή εισαγωγή ένα σύνολο μηχανισμών επίγνωσης πλαισίου για τη διαχείριση δικτυακών πόρων, που αποτελείται από τρεις επιμέρους μηχανισμούς με διακριτό ρόλο: Δύο από τους μηχανισμούς χρησιμοποιούν πληροφορία πλαισίου με σκοπό τη βελτίωση τη διαχείριση πόρων και και τη χαρτογράφηση μεταξύ ροών δεδομένων κινητών συσκευών και κυψέλης/τεχνολογίας δικτύου. Ο τρίτος μηχανισμός δρα με έναν ενισχυτικό ρόλο στους δύο προηγούμενους, μέσω μιας προ-επεξεργασίας που πραγματοποιεί πάνω σε πληροφορία πλαισίου, με σκοπό τον περιορισμό του κόστους της επιπλέον σηματοδοσίας που απαιτείται για την μεταφορά της πληροφορίας πλαισίου μεταξύ των διαφόρων ενδιαφερόμενων δικτυακών οντοτήτων. Εκτός από τους τρεις μηχανισμούς αυτούς, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μελέτες σε σχέση με αρχιτεκτονικά ζητήματα και πτυχές, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και χαρτογράφηση των προτεινόμενων μηχανισμών στα συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G -όπως αυτά εισήχθησαν στα τελευταίο κείμενα προτυποποίησης της 3GPP-. Η πρώτη κύρια συμβολή της παρούσας διατριβής είναι το COmpAsS, ένας μηχανισμός επιλογής Τεχνολογίας Ασύρματης Πρόσβασης πολλαπλών κριτηρίων, με γνώμονα το περιβάλλον, το κύριο μέρος του οποίου λειτουργεί στην πλευρά του Εξοπλισμού Χρήστη (UE), ελαχιστοποιώντας με αυτό τον τρόπο τις επιβαρύνσεις σηματοδότησης στη διεπαφή αέρα και το φορτίο υπολογισμού στους σταθμούς βάσης. Ο μηχανισμός COmpAsS εκτελεί παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, υιοθετώντας την Ασαφή Λογική (Fuzzy Logic -FL) ως μία από τις βασικές προσεγγίσεις αντίληψης και ανάλυσης της κατάστασης του δικτύου. Σε συνδυασμό με ένα σύνολο προκαθορισμένων κανόνων, υπολογίζει μια λίστα με τις καταλληλότερες διαθέσιμες επιλογές πρόσβασης δικτύου, για κάθε μία από τις ροές δεδομένων/υπηρεσίας που είναι ενεργές εκείνη τη στιγμή. Τα πλεονεκτήματα του COmpAsS παρουσιάζονται μέσω μιας εκτεταμένης σειράς σεναρίων προσομοίωσης, ως μέρος των περιπτώσεων χρήσης εξαιρετικά πυκνών δικτύων (UDN) 5G. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν τον τρόπο με τον οποίο ο προτεινόμενος μηχανισμός βελτιστοποιεί τους βασικούς δείκτες επιδόσεων (Key Performance Indicators - KPIs), όταν αντιπαρατίθεται σε έναν από τους καθιερωμένους LTE αλγορίθμους. Η δεύτερη σημαντική συμβολή της παρούσας διατριβής είναι η Μηχανή Εξόρυξης Πλαισίου και Δημιουργίας Προφίλ (Context Extraction and Profiling Engine – CEPE), ένας μηχανισμός διαχείρισης πόρων, ο οποίος αναλύει συμπεριφορικά πρότυπα των χρηστών/κινητών συσκευών, εξάγει ουσιώδη γνώση και δημιουργεί αντίστοιχα προφίλ/πρότυπα συμπεριφοράς, με σκοπό να τα χρησιμοποιήσει για βέλτιστο προγραμματισμό πόρων, καθώς επίσης και για την μελλοντική πρόβλεψη απαιτήσεων πόρων. Το CEPE συλλέγει πληροφορίες σχετικά με τους χρήστες, τις υπηρεσίες, τις κινητές συσκευές, καθώς και τις συνθήκες δικτύου, και μέσω επεξεργασίας -χωρίς σύνδεση, ετεροχρονισμένα- αποκτά ένα μοντέλο γνώσης, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση των κύριων μηχανισμών ΔΑΔΠ (RRM). Το προαναφερθέν μοντέλο γνώσης μεταφράζεται έπειτα σε προφίλ χρηστών/κινητών συσκευών, τα οποία εφαρμόζονται ως είσοδος κατά τις διαδικασίες ΔΑΔΠ. Η βιωσιμότητα και η εγκυρότητα του CEPE επιδεικνύεται μέσω εκτεταμένων σεναρίων προσομοίωσης. Η τρίτη σημαντική συμβολή είναι το CIP (Context Information Preprocessor), ένας μηχανισμός προεπεξεργασίας πληροφοριών πλαισίου, με στόχο τον εντοπισμό και την απόρριψη περιττών δεδομένων κατά τη σηματοδοσία πριν από την εξαγωγή της γνώσης. Το CIP θα μπορούσε να θεωρηθεί ως αναπόσπαστο μέρος των προαναφερθέντων σχημάτων σχεδίασης, δηλαδή των COmpAsS και CEPE. Ο προτεινόμενος μηχανισμός περιλαμβάνει τη συγκέντρωση και συμπίεση πληροφοριών πλαισίου σχετικά με το δίκτυο ανά μοναδικό αναγνωριστικό κινητής συσκευής/χρήστη, -όπως η διεθνής ταυτότητα συνδρομητή κινητού (IMSI)-, καθώς και τεχνικές που σχετίζονται με την αναγνώριση και την απόρριψη δεδομένων πλαισίου που δε συμβάλλουν στην βελτίωση ή διόρθωση του πρόφιλ χρήστη, πριν από οποιαδήποτε μετάδοση προς το CEPE (ή άλλο μηχανισμό ΔΑΔΠ). Οι βελτιώσεις και τα κέρδη του CIP στη διαδικασία της σηματοδοσίας απεικονίζονται μέσω λεπτομερούς αναλυτικής προσέγγισης, η οποία καθορίζεται από τις καθιερωμένες απαιτήσεις περί χρήσης 5G. Ως τελική σημαντική συμβολή αυτής της διατριβής, διεξάγεται μια εκτεταμένη ανάλυση όσον αφορά τη διασύνδεση των CEPE-COmpAsS, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και της χαρτογράφησης αυτών με τα τελευταία συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G –όπως αυτά παρουσιάστηκαν στις τελευταίες δημοσιεύσεις προτυποποίησης της 3GPP -. Το έργο σε αυτή την ενότητα δείχνει πώς μπορεί να παρουσιαστεί το προτεινόμενο πλαίσιο ως μέρος των συνιστωσών του δικτύου 5G και των λειτουργιών που εισάγονται σε περιβάλλοντα με δυνατότητα SDN, όπως η προσέγγιση του «Τεμαχισμού Δικτύου», ο Μηχανισμός Ανάλυσης Δικτυακών Δεδομένων (Network Data Analytics Function – NWDAF), η λειτουργία επιλογής βέλτιστου τεμαχίου δικτύου (Network Slice Selection Function) - προς περαιτέρω βελτιστοποίηση της διανομής και της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων δικτύου μεταξύ των συσκευών-, καθώς και το ATSSS – Access Traffic Steering, Switching and Splitting, μια οντότητα υπεύθυνη για τη διαχείριση των ροών δεδομένων των UE –με δυνατότητες επαναδρομολόγησης, διαχωρισμού και σύνδεσης της κάθε ροής με την αντίστοιχη βέλτιστη, διαθέσιμη τεχνολογία πρόσβασης. Δύο συμπληρωματικές μελέτες περιλαμβάνονται –τέλος- σε αυτή τη διατριβή: μια αρχική ανάλυση των πολιτικών μηχανικής κυκλοφορίας (Traffic Engineering) που βασίζονται σε προφίλ χρηστών που προκύπτουν από το CEPE, καθώς και μία περίπτωση χρήσης 5G που σχετίζεται με τον τομέα του Διαδικτύου των Πραγμάτων - και πιο συγκεκριμένα την «Καλλιέργεια Ακριβείας» (Precision Farming), με σκοπό να δοθεί έμφαση σε ρητές απαιτήσεις των περιπτώσεων χρήσης 5G, όπως η επικοινωνία τύπου μηχανής κρίσιμης σημασίας (Mission-Critical Machine Type Communication).The fifth-generation (5G) mobile communication systems, which are expected to emerge in the forthcoming years, will address unprecedented demands in terms of system capacity, service latency and number of connected devices. Future 5G network ecosystems will comprise a plethora of 3GPP and non-3GGP Radio Access Technologies (RATs), such as Wi-Fi, 3G, 4G or LTE, Bluetooth, etc. Deployment scenarios envision a multi-layer combination of macro, micro and femto cells where multi-mode end devices, supporting diverse applications, are served by different technologies. Limitations previously posed by legacy generation systems need to be eliminated, paving the way to a new wave of services and overall experience for the user. As a result, the management of radio resources via mapping the end devices to the most appropriate access network becomes of paramount importance; the primary Radio Resource Management (RRM) mechanisms, i.e. cell selection/reselection, handover and call admission control will be able to offer extremely high Quality of Service (QoS) and Experience (QoE) to the users, towards the very demanding 5G use case requirements; this will be realised via an optimal association between the diverse end devices and the coexisting available access networks. Besides the user’s perspective, the Mobile Network Operators (MNOs) will be able to take advantage of the maximum efficiency and utilization over the –already scarce- wireless resources. Intelligent optimizations, as well as cost and energy efficient solutions need to be introduced in 5G networks in order to promote a consistent, user-centred and all-dimensional information ecosystem. This thesis focuses on the radio resource management (RRM) from the perspective of the primary RAT and cell layer selection processes (i.e., cell (re)selection, handover, admission control); afterwards, it goes one step beyond, in order to link the RRM with one of the latest RRM optimization approaches, i.e. the Network Slicing, as introduced in Software Defined Networking (SDN)-enabled environments, which creates smaller, virtual “portions” of the network, adapted and optimized for specific services/requirements. As a first step, a comprehensive analysis for the existing solutions -as these are specified in 3GPP standards, research papers, and patents has taken place. This thesis initially identifies the links between the research community efforts, the industry implementations, as well as the standardization efforts, in an attempt to highlight realistic solution implementations, identify the main goals, advantages and shortcomings of these efforts. As will be shown, existing solutions attempt to balance between implementation simplicity and solution optimality. Thus, solutions are either simple to implement but achieve sub-optimal solutions or provide significant improvements but their complexity and the burden placed on the network components renders them unattractive for a real-life deployment. Towards this end, this thesis introduces a context-based radio resource management (RRM) framework, comprised of three distinct mechanisms: Two out of the three mechanisms exploit contextual information with the aim of optimising the resource management and UE-RAT mapping, while the third mechanism acts with an augmenting role to the former two, by pre-processing the contextual information required by such, context-based mechanisms and –thus- by limiting the signalling cost required for communicating this contextual information among network entities. In addition to the three mechanisms, comprehensive analysis has taken place in relation to architectural aspects, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The first major contribution of this thesis is COmpAsS, a context-aware, multi-criteria RAT selection mechanism, the main part of which operates on the User Equipment (UE) side, minimizing signalling overhead over the air interface and computation load on the base stations. COmpAsS mechanism performs real-time monitoring and adopts Fuzzy Logic (FL) as one the core logic modules, responsible for the perception of the network situation and, in combination with a set of pre-defined rules, calculates a list of the most suitable available access network options. The merits of COmpAsS are showcased via an extensive series of simulation scenarios, as part of 5G ultra dense networks (UDN) use cases. The results prove how the proposed mechanism optimises Key Performance Indicators (KPIs), when juxtaposed to a well-established LTE handover algorithm. The second major contribution of the current thesis the Context Extraction and Profiling Engine (CEPE), a resource management framework, which analyzes user behavioral patterns, extracts meaningful knowledge and performs user profiling in order to apply it for optimal resource planning, as well as prediction of resource requirements. CEPE collects information about users, services, terminals and network conditions and –based on offline processing– derives a knowledge model, which is subsequently used for the optimization of the primary RRM mechanisms. Then, the extracted context information is translated into user profiles and is finally applied as input for enhanced cell (re)selection, handover or admission control. The viability and validity of CEPE is demonstrated via an extensive set of simulation scenarios. The third major contribution is CIP, a Context Information Pre-processing scheme, aiming to identify and discard redundant or unnecessary data during network signalling and before knowledge extraction. CIP could be considered as an integral part of the afore described profiling schemes, i.e. COmpAsS and CEPE. The module comprises aggregating and compressing mobile network-related context information per unique identifier, such as the end device’s International Mobile Subscriber Identity (IMSI), as well as techniques related to identifying and discarding user profile-redundant or unnecessary context data, before any transmission to CEPE. CIP gains are illustrated via a detailed analytical approach, guided by well-established 5G use case requirements. As a final major contribution of this thesis, a comprehensive analysis takes place with regard to the CEPE-COmpAsS interworking, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The work in this section shows how the proposed framework can be instantiated as part of the 5G network components and functions introduced in SDN-enabled environments, such as the Network Slicing approach, the Network Data Analytics and the Network Slice Selection Functions, towards further optimising the distribution and management of the available infrastructure and network resources among the UEs, as well as the Access Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS), responsible for managing the UE data flows and mapping each single UE flow with the optimal available access technology.. Two supplementary studies are finally included in this dissertation: a preliminary analysis on traffic engineering policies based on user profiling realised by CEPE, as well as a 5G use case related to the Internet of Things domain -and more specifically, Precision Farming-, aiming to highlight explicit requirements such as mission-critical machine type communication

Heterogeneous Wireless Networks QoE Framework

With the appearance of small cells and the move of mobile networks towards an all-IP 4G network, the convergence of these with Wi-Fi becomes a possibility which at the same time opens the path to achieve what will become 5G connectivity. This thesis describes the evolution of the different mainstream wireless technologies deployed around the world and how they can interact, and provides tools to use this convergence to achieve the foreseen requirements expected in a 5G environment and the ideal user experience. Several topics were identified as needing attention: handover between heterogeneous networks, security of large numbers of small cells connected via a variety of backhaul technologies to the core networks, edge content distribution to improve latency, improvement of the service provided in challenging radio environments and interference between licensed and unlicensed spectrum. Within these topics a contribution was made to improve the current status by analysing the unaddressed issues and coming up with potential improvements that were tested in trials or lab environment. The main contributions from the study have been: 1. A patent in the wireless security domain that reuses the fact that overlapping coverage is and will be available and protects against man in the middle attacks (Section 5.3). 2. A patent in the content distribution domain that manages to reduce the cost to deliver content within a mobile network by looking for the shortest path to the requested content (Section 6.3). 3. Improvements and interoperability test of 802.21 standard which improves the seamlessness of handovers (Section 4.2). 4. 2 infill trials which focus on how to improve the user experience in those challenging conditions (Sections 7.2 and 7.3). 5. An interference study with Wi-Fi 2.4GHz for the newly allocated spectrum for 4G (Section 8.2). This thesis demonstrates some of the improvements required in current wireless networks to evolve towards 5G and achieve the coverage, service, user experience, latency and security requirements expected from the next generation mobile technology

Novas soluções de mobilidade em redes 3GPP

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesAs redes moveis tornaram-se ubíquas e a introdução de dispositivos moveis com capacidade de ligação à Internet e necessidade de grande largura de banda têm vindo a exigir da rede uma crescente capacidade de resposta, o que implica grandes investimentos na infraestrutura. Para maximizar o retorno deste investimento os operadores recorrem a técnicas de gestão da congestão da rede. Para isso podem recorrer ao Access Network and Discovery Function (ANDSF) que permite aproveitar o facto de estes dispositivos possuírem capacidade que se ligarem tanto a redes moveis 3rd Generation Partnership Project (3GPP) como a redes Wi-Fi, o que possibilita um balanceamento do tráfego entre estes dois tipos de acesso. Esta dissertação aborda a problemática da gestão da congestão na rede móvel do operador recorrendo ao mecanismo User Plane Congestion Management (UPCON) recentemente standardizado pelo 3GPP e propõe que ele seja usado para melhorar o funcionamento do ANDSF. Os resultados obtidos em ambiente de simulação revelam que esta solução favorece a qualidade de serviço ao utilizador com um impacto reduzido na infraestrutura do operadorMobile Networks have become ubiquous and the introduction of mobile devices with internet conection and large bandwidth requirements have been demanding a growing network capacity which implies large infrestructure investiments. To maximize the return of this investiment operators use network congestion management technologies. They can resort to the Access Network and Discovery Function (ANDSF) which takes advantage of the fact that these devices have the ability to connect either to 3rd Generation Partnership Project (3GPP) networks or to Wi-Fi networks which enables traffic load ballance between these types of access. This dissertation approches the issue of congestion management in an operator mobile network using the 3GPP’s recently standardized User Plane Congestion Management (UPCON) mechanism and proposes that it should be used to improve the ANDSF. The results from the simulation reveal that this solution improves the user experience with minimal impact on the operator infraestructure

Improving the Performance of Wireless LANs

This book quantifies the key factors of WLAN performance and describes methods for improvement. It provides theoretical background and empirical results for the optimum planning and deployment of indoor WLAN systems, explaining the fundamentals while supplying guidelines for design, modeling, and performance evaluation. It discusses environmental effects on WLAN systems, protocol redesign for routing and MAC, and traffic distribution; examines emerging and future network technologies; and includes radio propagation and site measurements, simulations for various network design scenarios, numerous illustrations, practical examples, and learning aids

Adaptive reinforcement learning for heterogeneous network selection

Next generation 5G mobile wireless networks will consist of multiple technologies for devices to access the network at the edge. One of the keys to 5G is therefore the ability for device to intelligently select its Radio Access Technology (RAT). Current fully distributed algorithms for RAT selection although guaranteeing convergence to equilibrium states, are often slow, require high exploration times and may converge to undesirable equilibria. In this dissertation, we propose three novel reinforcement learning (RL) frameworks to improve the efficiency of existing distributed RAT selection algorithms in a heterogeneous environment, where users may potentially apply a number of different RAT selection procedures. Although our research focuses on solutions for RAT selection in the current and future mobile wireless networks, the proposed solutions in this dissertation are general and suitable to apply for any large scale distributed multi-agent systems. In the first framework, called RL with Non-positive Regret, we propose a novel adaptive RL for multi-agent non-cooperative repeated games. The main contribution is to use both positive and negative regrets in RL to improve the convergence speed and fairness of the well-known regret-based RL procedure. Significant improvements in performance compared to other related algorithms in the literature are demonstrated. In the second framework, called RL with Network-Assisted Feedback (RLNF), our core contribution is to develop a network feedback model that uses network-assisted information to improve the performance of the distributed RL for RAT selection. RLNF guarantees no-regret payoff in the long-run for any user adopting it, regardless of what other users might do and so can work in an environment where not all users use the same learning strategy. This is an important implementation advantage as RLNF can be implemented within current mobile network standards. In the third framework, we propose a novel adaptive RL-based mechanism for RAT selection that can effectively handle user mobility. The key contribution is to leverage forgetting methods to rapidly react to the changes in the radio conditions when users move. We show that our solution improves the performance of wireless networks and converges much faster when users move compared to the non-adaptive solutions. Another objective of the research is to study the impact of various network models on the performance of different RAT selection approaches. We propose a unified benchmark to compare the performances of different algorithms under the same computational environment. The comparative studies reveal that among all the important network parameters that influence the performance of RAT selection algorithms, the number of base stations that a user can connect to has the most significant impact. This finding provides some guidelines for the proper design of RAT selection algorithms for future 5G. Our evaluation benchmark can serve as a reference for researchers, network developers, and engineers. Overall, the thesis provides different reinforcement learning frameworks to improve the efficiency of current fully distributed algorithms for heterogeneous RAT selection. We prove the convergence of the proposed reinforcement learning procedures using the differential inclusion (DI) technique. The theoretical analyses demonstrate that the use of DI not only provides an effective method to study the convergence properties of adaptive procedures in game-theoretic learning, but also yields a much more concise and extensible proof as compared to the classical approaches.Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Electrical and Electronic Engineering, 201