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

A novel non-intrusive objective method to predict voice quality of service in LTE networks.

This research aimed to introduce a novel approach for non-intrusive objective measurement of voice Quality of Service (QoS) in LTE networks. While achieving this aim, the thesis established a thorough knowledge of how voice traffic is handled in LTE networks, the LTE network architecture and its similarities and differences to its predecessors and traditional ground IP networks and most importantly those QoS affecting parameters which are exclusive to LTE environments. Mean Opinion Score (MOS) is the scoring system used to measure the QoS of voice traffic which can be measured subjectively (as originally intended). Subjective QoS measurement methods are costly and time-consuming, therefore, objective methods such as Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) were developed to address these limitations. These objective methods have a high correlation with subjective MOS scores. However, they either require individual calculation of many network parameters or have an intrusive nature that requires access to both the reference signal and the degraded signal for comparison by software. Therefore, the current objective methods are not suitable for application in real-time measurement and prediction scenarios. A major contribution of the research was identifying LTE-specific QoS affecting parameters. There is no previous work that combines these parameters to assess their impacts on QoS. The experiment was configured in a hardware in the loop environment. This configuration could serve as a platform for future research which requires simulation of voice traffic in LTE environments. The key contribution of this research is a novel non-intrusive objective method for QoS measurement and prediction using neural networks. A comparative analysis is presented that examines the performance of four neural network algorithms for non-intrusive measurement and prediction of voice quality over LTE networks. In conclusion, the Bayesian Regularization algorithm with 4 neurons in the hidden layer and sigmoid symmetric transfer function was identified as the best solution with a Mean Square Error (MSE) rate of 0.001 and regression value of 0.998 measured for the testing data set

Will SDN be part of 5G?

For many, this is no longer a valid question and the case is considered settled with SDN/NFV (Software Defined Networking/Network Function Virtualization) providing the inevitable innovation enablers solving many outstanding management issues regarding 5G. However, given the monumental task of softwarization of radio access network (RAN) while 5G is just around the corner and some companies have started unveiling their 5G equipment already, the concern is very realistic that we may only see some point solutions involving SDN technology instead of a fully SDN-enabled RAN. This survey paper identifies all important obstacles in the way and looks at the state of the art of the relevant solutions. This survey is different from the previous surveys on SDN-based RAN as it focuses on the salient problems and discusses solutions proposed within and outside SDN literature. Our main focus is on fronthaul, backward compatibility, supposedly disruptive nature of SDN deployment, business cases and monetization of SDN related upgrades, latency of general purpose processors (GPP), and additional security vulnerabilities, softwarization brings along to the RAN. We have also provided a summary of the architectural developments in SDN-based RAN landscape as not all work can be covered under the focused issues. This paper provides a comprehensive survey on the state of the art of SDN-based RAN and clearly points out the gaps in the technology.Comment: 33 pages, 10 figure

Security Analysis of the Evolved Packet Core for LTE Networks

Originally cellular networks handled calls and short messages only. Today, this has been extended to handle packet data services. However now the world is moving towards an entirely IP based mobile service based on LTE and the Evolved Packet Core. Security becomes even more important than before. Cellular networks will be using the same technology that runs the Internet, which could leave them open to a range of threats from the air interface side of the network, especially with the popularity of smart phones and USB "Mobile Broadband" modems. This thesis investigated a range of network protocols used in the Evolved Packet Core, as well as the possibility of attacks against these networks and their protocols and whether such attacks can be achieved, especially from cheap handheld devices. Further this thesis presents results showing that these network protocols are free from serious flaws in their specification