Desempenho de redes de acesso heterogéneas com suporte de mobilidade

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesO desenvolvimento crescente da Internet e das tecnologias sem fios levou à necessidade de estarmos sempre ligados, onde quer que estejamos, dentro de casa ou fora, estacionários ou em movimento. O protocolo IEEE 802.21, desenvolvido pelo grupo IEEE, surge como um mecanismo independente da tecnologia de acesso que visa optimizar os processos de handover. Esta dissertação apresenta mecanismos de mobilidade independentes entre as tecnologias de WiFi, WiMAX e UMTS. São descritos os processos de handover entre as diferentes tecnologias para efectuar mobilidade transparente, e optimização do processo de mobilidade através do suporte de servidores com informação dinâmica da rede. Posteriormente é analisado o simulador de redes, ferramenta utilizada na avaliação do desempenho dos handovers em redes heterogéneas através dos mecanismos apresentados pelo protocolo IEEE 802.21, e são feitas alterações a estes mesmos mecanismos de forma a optimizar os handovers. Com a criação de cenários com suporte das diferentes tecnologias de acesso sem fios, foram realizados, testados e analisados handovers entre as diversas tecnologias, com e sem suporte de servidores com informação dinâmica da rede. Através da análise dos resultados obtidos pode-se constatar que as alterações propostas, em termos da integração do IEEE 802.21 com as diferentes tecnologias e de disponibilização de informação dinâmica na rede, apresentam melhorias significativas no processo, e consequente tempo de handover. ABSTRACT: The growing development of the Internet and the wireless access technologies lead us to the need of being always connected, wherever we are, at home or outside, stationary or moving. The IEEE 802.21 protocol, developed by the IEEE group, comes up as a mechanism independent from the access technology, with the purpose of improving the handover process. This thesis presents possible independent mobility mechanisms between WiFi, WiMAX and UMTS technologies. It is described the handover process between the different technologies to have transparent mobility, and the optimization of the mobility process through the support of dynamic information servers. Later, it is analyzed the network simulator, tool used to evaluate the performance of the handovers between heterogeneous networks through the mechanisms presented in the IEEE 802.21 protocol, and are made modifications to the same mechanisms in order to improve the handovers. With the creation of scenarios supporting several wireless access technologies, were made, analyzed and tested handovers between the different technologies, with and without the support for servers in the network with dynamic information. Through the analysis of the obtained results it is possible to see that the modifications presented, regarding the IEEE 802.21 integration with the different technologies and the availability of dynamic information in the network, present significant improvements to the process, and consequent handover time

Load balancing in heterogeneous wireless communications networks. Optimized load aware vertical handovers in satellite-terrestrial hybrid networks incorporating IEEE 802.21 media independent handover and cognitive algorithms.

Heterogeneous wireless networking technologies such as satellite, UMTS, WiMax and WLAN are being used to provide network access for both voice and data services. In big cities, the densely populated areas like town centres, shopping centres and train stations may have coverage of multiple wireless networks. Traditional Radio Access Technology (RAT) selection algorithms are mainly based on the ¿Always Best Connected¿ paradigm whereby the mobile nodes are always directed towards the available network which has the strongest and fastest link. Hence a large number of mobile users may be connected to the more common UMTS while the other networks like WiMax and WLAN would be underutilised, thereby creating an unbalanced load across these different wireless networks. This high variation among the load across different co-located networks may cause congestion on overloaded network leading to high call blocking and call dropping probabilities. This can be alleviated by moving mobile users from heavily loaded networks to least loaded networks. This thesis presents a novel framework for load balancing in heterogeneous wireless networks incorporating the IEEE 802.21 Media Independent Handover (MIH). The framework comprises of novel load-aware RAT selection techniques and novel network load balancing mechanism. Three new different load balancing algorithms i.e. baseline, fuzzy and neural-fuzzy algorithms have also been presented in this thesis that are used by the framework for efficient load balancing across the different co-located wireless networks. A simulation model developed in NS2 validates the performance of the proposed load balancing framework. Different attributes like load distribution in all wireless networks, handover latencies, packet drops, throughput at mobile nodes and network utilization have been observed to evaluate the effects of load balancing using different scenarios. The simulation results indicate that with load balancing the performance efficiency improves as the overloaded situation is avoided by load balancing

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

Doutoramento em Engenharia InformáticaO acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.Ubiquitous Internet access is one of the main challenges for the telecommunications industry in the next decade. The number of users accessing the Internet is growing exponentially and the network access paradigm of “always connected, anytime, anywhere” is a central requirement for the so-called Next Generation Mobile Networks (NGMN). WiMAX, together with LTE, was recently recognized by ITU as one of the compliant access technologies for 4G. Nevertheless, WiMAX is not yet fully prepared for next generation environments, mainly due to the lack of QoS and mobility crosslayer procedures to support real-time multimedia services delivery. Furthermore, besides the 4G compliant WiMAX and LTE radio access technologies, UMTS/HSPA and Wi-Fi will also have a significant impact in the mobile communications during the next years. Therefore, it is fundamental to ensure the coexistence of multiple radio access technologies in what QoS and mobility procedures are concerned, thereby allowing the delivery of real-time services in mobile networks. In order to provide the WiMAX mobile users with the demanded multimedia services, it is proposed in this Thesis a WiMAX cross-layer manager integrated in an end-to-end all-IP QoS enabled architecture. The presented framework enables the QoS control and bidirectional communication between WiMAX and the upper layer network entities. Furthermore, the proposed cross-layer framework is extended with media independent events and commands to optimize the mobility procedures in WiMAX environments. Tests were made to evaluate the QoS and mobility performance of the defined architecture, demonstrating that it is perfectly capable of handling and supporting real time services without introducing an excessive cost in the network. Following the QoS and mobility extensions provided for WiMAX, the scope of this Thesis is broaden and a seamless mobility architecture with QoS support in heterogeneous wireless access environments is proposed. The presented architecture integrates an extended version of the IEEE 802.21 framework with QoS support, as well as an advanced mobility manager integrated with the IP level mobility management protocols. Finally, to complete the work within the framework of this Thesis, it is proposed an extension to the handover decisionmaking processes in heterogeneous access environments through the integration of context information from both the network entities and the enduser. Performance tests were developed in a real testbed to validate the proposed optimizations in an inter-technology handover scenario involving WiMAX, Wi-Fi and UMTS/HSPA