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

Performance and Power Characterization of Cellular Networks and Mobile Application Optimizations.

Smartphones with cellular data access have become increasingly popular with the wide variety of mobile applications. However, the performance and power footprint of these mobile applications are not well-understood, and due to the unawareness of the cellular specific characteristics, many of these applications are causing inefficient radio resource and device energy usage. In this dissertation, we aim at providing a suite of systematic methodology and tools to better understand the performance and power characteristics of cellular networks (3G and the new LTE 4G networks) and the mobile applications relying upon, and to optimize the mobile application design based on this understanding. We have built the MobiPerf tool to understand the characteristics of cellular networks. With this knowledge, we make detailed analysis on smartphone application performance via controlled experiments and via a large-scale data set from one major U.S. cellular carrier. To understand the power footprint of mobile applications, we have derived comprehensive power models for different network types and characterize radio energy usage of various smartphone applications via both controlled experiments and 7-month-long traces collected from 20 real users. Specifically, we characterize the radio and energy impact of the network traffic generated when the phone screen is off and propose the screen-aware traffic optimization. In addition to shedding light to the mobile application design throughout our characterization analysis, we further design and implement a real optimization system RadioProphet, which uses historical traffic features to make predictions and intelligently deallocate radio resource for improved radio and energy efficiency.PhDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/99905/1/hjx_1.pd

Apport de la Qualité de l’Expérience dans l’optimisation de services multimédia : application à la diffusion de la vidéo et à la VoIP

The emerging and fast growth of multimedia services have created new challenges for network service providers in order to guarantee the best user's Quality of Experience (QoE) in diverse networks with distinctive access technologies. Usually, various methods and techniques are used to predict the user satisfaction level by studying the combined impact of numerous factors. In this thesis, we consider two important multimedia services to evaluate the user perception, which are: video streaming service, and VoIP. This study investigates user's QoE that follows three directions: (1) methodologies for subjective QoE assessment of video services, (2) regulating user's QoE using video a rate adaptive algorithm, and (3) QoE-based power efficient resource allocation methods for Long Term Evaluation-Advanced (LTE-A) for VoIP. Initially, we describe two subjective methods to collect the dataset for assessing the user's QoE. The subjectively collected dataset is used to investigate the influence of different parameters (e.g. QoS, video types, user profile, etc.) on user satisfaction while using the video services. Later, we propose a client-based HTTP rate adaptive video streaming algorithm over TCP protocol to regulate the user's QoE. The proposed method considers three Quality of Service (QoS) parameters that govern the user perception, which are: Bandwidth, Buffer, and dropped Frame rate (BBF). The BBF method dynamically selects the suitable video quality according to network conditions and user's device properties. Lastly, we propose a QoE driven downlink scheduling method, i.e. QoE Power Escient Method (QEPEM) for LTE-A. It esciently allocates the radio resources, and optimizes the use of User Equipment (UE) power utilizing the Discontinuous Reception (DRX) method in LTE-AL'émergence et la croissance rapide des services multimédia dans les réseaux IP ont créé de nouveaux défis pour les fournisseurs de services réseau, qui, au-delà de la Qualité de Service (QoS) issue des paramètres techniques de leur réseau, doivent aussi garantir la meilleure qualité de perception utilisateur (Quality of Experience, QoE) dans des réseaux variés avec différentes technologies d'accès. Habituellement, différentes méthodes et techniques sont utilisées pour prédire le niveau de satisfaction de l'utilisateur, en analysant l'effet combiné de multiples facteurs. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la commande du réseau en intégrant à la fois des aspects qualitatifs (perception du niveau de satisfaction de l'usager) et quantitatifs (mesure de paramètres réseau) dans l'objectif de développer des mécanismes capables, à la fois, de s'adapter à la variabilité des mesures collectées et d'améliorer la qualité de perception. Pour ce faire, nous avons étudié le cas de deux services multimédia populaires, qui sont : le streaming vidéo, et la voix sur IP (VoIP). Nous investiguons la QoE utilisateur de ces services selon trois aspects : (1) les méthodologies d'évaluation subjective de la QoE, dans le cadre d'un service vidéo, (2) les techniques d'adaptation de flux vidéo pour garantir un certain niveau de QoE, et (3) les méthodes d'allocation de ressource, tenant compte de la QoE tout en économisant l'énergie, dans le cadre d'un service de VoIP (LTE-A). Nous présentons d'abord deux méthodes pour récolter des jeux de données relatifs à la QoE. Nous utilisons ensuite ces jeux de données (issus des campagnes d'évaluation subjective que nous avons menées) pour comprendre l'influence de différents paramètres (réseau, terminal, profil utilisateur) sur la perception d'un utilisateur d'un service vidéo. Nous proposons ensuite un algorithme de streaming vidéo adaptatif, implémenté dans un client HTTP, et dont le but est d'assurer un certain niveau de QoE et le comparons à l'état de l'art. Notre algorithme tient compte de trois paramètres de QoS (bande passante, taille de mémoires tampons de réception et taux de pertes de paquets) et sélectionne dynamiquement la qualité vidéo appropriée en fonction des conditions du réseau et des propriétés du terminal de l'utilisateur. Enfin, nous proposons QEPEM (QoE Power Efficient Method), un algorithme d'ordonnancement basé sur la QoE, dans le cadre d'un réseau sans fil LTE, en nous intéressant à une allocation dynamique des ressources radio en tenant compte de la consommation énergétiqu

PROCESS FOR BREAKING DOWN THE LTE SIGNAL TO EXTRACT KEY INFORMATION

The increasingly important role of Long Term Evolution (LTE) has increased security concerns among the service providers and end users and made security of the network even more indispensable. The main thrust of this thesis is to investigate if the LTE signal can be broken down in a methodical way to obtain information that would otherwise be private; e.g., the Global Positioning System (GPS) location of the user equipment/base station or identity (ID) of the user. The study made use of signal simulators and software to analyze the LTE signal to develop a method to remove noise, breakdown the LTE signal and extract desired information. From the simulation results, it was possible to extract key information in the downlink like the Downlink Control Information (DCI), Cell-Radio Network Temporary Identifier (C-RNTI) and physical Cell Identity (Cell-ID). This information can be modified to cause service disruptions in the network within a reasonable amount of time and with modest computing resources.Defence Science and Technology Agency, SingaporeApproved for public release; distribution is unlimited

Recent Advances in Wireless Communications and Networks

This book focuses on the current hottest issues from the lowest layers to the upper layers of wireless communication networks and provides "real-time" research progress on these issues. The authors have made every effort to systematically organize the information on these topics to make it easily accessible to readers of any level. This book also maintains the balance between current research results and their theoretical support. In this book, a variety of novel techniques in wireless communications and networks are investigated. The authors attempt to present these topics in detail. Insightful and reader-friendly descriptions are presented to nourish readers of any level, from practicing and knowledgeable communication engineers to beginning or professional researchers. All interested readers can easily find noteworthy materials in much greater detail than in previous publications and in the references cited in these chapters

Τεχνικές ενεργειακής αποδοτικότητας κυψελωτών δικτύων

Σε μια περίοδο που γίνεται όλο και συχνότερα λόγος για την επίδραση του κλάδου των Επικοινωνιών στο περιβάλλον, η ενεργειακή αποδοτικότητα τείνει να αποτελέσει βασικό ζήτημα κατά το σχεδιασμό και την υλοποίηση των κυψελωτών κινητών δικτύων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η περιγραφή και κατηγοριοποίηση ενός αριθμού τεχνικών ενεργειακής αποδοτικότητας στα κινητά δίκτυα. Οι τεχνικές που περιγράφονται αφορούν κυρίως το πιο ενεργοβόρο κομμάτι του κινητού δικτύου, το δίκτυο πρόσβασης. Η περιγραφή των τεχνικών εξοικονόμησης ενέργειας συνοδεύεται από ένα απλό μοντέλο της ισχύος λειτουργίας του κινητού δικτύου. Το μοντέλο αυτό χρησιμεύει στον υπολογισμό της κατανάλωσης ισχύος σε κάθε ένα από τα διαφορετικά σενάρια υλοποίησης του δικτύου πρόσβασης. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων κατανάλωσης ισχύος οδηγεί σε συμπεράσματα χρήσιμα για το σχεδιασμό ενεργειακά αποδοτικών δικτύων πρόσβασης. Τα σενάρια υλοποίησης του δικτύου πρόσβασης, σύμφωνα με τις τεχνικές ενεργειακής αποδοτικότητας που περιγράφονται στην παρούσα εργασία, βασίζονται στην:1)απενεργοποίηση ή βαθμιαία εξασθένιση ενός αριθμού σταθμών βάσης, των οποίων το φορτίο κίνησης είναι χαμηλό.2)χρήση μικροσταθμών βάσης και femtocells σε ομογενή δίκτυα μακροσταθμών. 4)συνεργατική διαχείριση των δικτύων πρόσβασης που ανήκουν σε διαφορετικούς παρόχους. Τέλος, εκτός από τα παραπάνω σενάρια υλοποίησης του δικτύου πρόσβασης, περιγράφεται επίσης και ο μηχανισμός ασυνεχούς λήψης (DRX), στα δίκτυα LTE και UMTS, ο οποίος παρέχει βελτίωση στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας της κινητής συσκευής του χρήστη και αυξάνει τη χωρητικότητα του συνολικού συστήματος.Recently, the environmental consequences of the Communication Industry, has been receiving an emerging attention from both industrial and fundamental researchers. Thesis work has investigated a number of different means and techniques that improve the energy efficiency of evolved mobile networks. The techniques described in this thesis are mainly about the access network, which is the most energy consuming sector of the mobile cellular network. The description of the energy efficient techniques is followed by a simple radio network power usage model. Based on the model, examples are given where different deployment scenarios have been compared and we have come to useful conclusions from energy consumption perspective. The deployment scenarios, that enclose the energy efficient techniques mentioned in the present thesis, are based in:1)turning off certain cells when the network traffic is low.2)reducing the capacity, services and energy consumption of certain cells, without turning off turning off the cells, when the network traffic is low.3)using micro base stations and femtocells in homogeneous networks of macro base stations.4)the energy-aware cooperative management of the cellular access networks of two operators offering service over the same area. Finally, apart from the above deployment scenarios of the access network, the DRX mechanism in LTE and UMTS networks, is also described in the present thesi