Evaluation of Network Mobility Schemes for Terrestrial and Satellite Networks

NEtwork MObility (NEMO) supports the mobility of multiple Internet-connected devices. However, NEMO Basic Support Protocol suffers from unoptimized route leading to large latency in communication and header overhead. To optimize route, a plethora of schemes have been proposed. These schemes differ in terms of several performance parameters, such as signaling, end-to-end delay andhandoff latency. However, no performance or cost evaluation exists in the literature to compare the schemes. In addition, mobility management is required to support the mobility of Internet-connected devices in satellite networks. Existing mobility management solutions for satellite networks are unable toprovide connectivity to the Internet when satellites are not directly connected to the ground.In this dissertation, a comprehensive evaluation of the schemes and a mobility management solution for satellite networks using NEMO are provided. The schemes are classified and compared to choose the optimal class. Using analytical and simulation-based models, the schemes in the chosen class are compared based on the performance parameters. The effect of the parameters on transmission Control Protocol, the dominant transport protocol in the Internet, is also evaluated. A cost evaluation is performed to determine the network resource consumption of the schemes. Finally, an architecture and extensions of the basic protocol are presented to apply NEMO in satellite networks. This dissertation fosters the application of NEMO to terrestrial and satellitenetworks by selecting and extending optimal route optimization schemes, and presenting new architecture and protocol

A network mobility management architecture for a heteregeneous network environment

Network mobility management enables mobility of personal area networks and vehicular networks across heterogeneous access networks using a Mobile Router. This dissertation presents a network mobility management architecture for minimizing the impact of handoffs on the communications of nodes in the mobile network. The architecture addresses mobility in legacy networks without infrastructure support, but can also exploit infrastructure support for improved handoff performance. Further, the proposed architecture increases the efficiency of communications of nodes in the mobile network with counter parts in the fixed network through the use of caching and route optimization. The performance and costs of the proposed architecture are evaluated through empirical and numerical analysis. The analysis shows the feasibility of the architecture in the networks of today and in those of the near future.Verkkojen liikkuuvudenhallinta mahdollistaa henkilökohtaisten ja ajoneuvoihin asennettujen verkkojen liikkuvuuden heterogeenisessä verkkoympäristössä käyttäen liikkuvaa reititintä. Tämä väitöskirja esittää uuden arkkitehtuurin verkkojen liikkuvuudenhallintaan, joka minimoi verkonvaihdon vaikutuksen päätelaitteiden yhteyksiin. Vanhoissa verkoissa, joiden infrastruktuuri ei tue verkkojen liikkuvuutta, verkonvaihdos täytyy hallita liikkuvassa reitittimessa. Standardoitu verkkojen liikkuvuudenhallintaprotokolla NEMO mahdollistaa tämän käyttäen ankkurisolmua kiinteässä verkossa pakettien toimittamiseen päätelaitteiden kommunikaatiokumppaneilta liikkuvalle reitittimelle. NEMO:ssa verkonvaihdos aiheuttaa käynnissä olevien yhteyksien keskeytymisen yli sekunnin mittaiseksi ajaksi, aiheuttaen merkittävää häiriötä viestintäsovelluksille. Esitetyssä arkkitehtuurissa verkonvaihdon vaikutus minimoidaan varustamalla liikkuva reititin kahdella radiolla. Käyttäen kahta radiota liikkuva reititin pystyy suorittamaan verkonvaihdon keskeyttämättä päätelaitteiden yhteyksiä, mikäli verkonvaihtoon on riittävästi aikaa. Käytettävissa oleva aika riippuu liikkuvan reitittimen nopeudesta ja radioverkon rakenteesta. Arkkitehtuuri osaa myös hyödyntää infrastruktuurin tukea saumattomaan verkonvaihtoon. Verkkoinfrastruktuurin tuki nopeuttaa verkonvaihdosprosessia, kasvattaenmaksimaalista verkonvaihdos tahtia. Tällöin liikkuva reitin voi käyttää lyhyen kantaman radioverkkoja, joiden solun säde on yli 80m, ajonopeuksilla 90m/s asti ilman, että verkonvaihdos keskeyttää päätelaitteiden yhteyksiä. Lisäksi ehdotettu arkkitehtuuri tehostaa kommunikaatiota käyttäen cache-palvelimia liikkuvassa ja kiinteässä verkossa ja optimoitua reititystä liikkuvien päätelaitteiden ja kiinteässä verkossa olevien kommunikaatiosolmujen välillä. Cache-palvelinarkkitehtuuri hyödyntää vapaita radioresursseja liikkuvan verkon cache-palvelimen välimuistin päivittämiseen. Heterogeenisessä verkkoympäristossä cache-palvelimen päivitys suoritetaan lyhyen kantaman laajakaistaisia radioverkkoja käyttäen. Liikkuvan reitittimen siirtyessä laajakaistaisen radioverkon peitealueen ulkopuolelle päätelaitteille palvellaan sisältöä, kuten www sivuja tai videota cache-palvelimelta, säästäen laajemman kantaman radioverkon rajoitetumpia resursseja. Arkkitehtuurissa käytetään optimoitua reititystä päätelaitteiden ja niiden kommunikaatiokumppaneiden välillä. Optimoitu reititysmekanismi vähentää liikkuvuudenhallintaan käytettyjen protokollien langattoman verkon resurssien kulutusta. Lisäksi optimoitu reititysmekanismi tehostaa pakettien reititystä käyttäen suorinta reittiä kommunikaatiosolmujen välillä. Esitetyn arkkitehtuurin suorituskyky arvioidaan empiirisen ja numeerisen analyysin avulla. Analyysi arvioi arkkitehtuurin suorituskykyä ja vertaa sitä aikaisemmin ehdotettuihin ratkaisuihin ja osoittaa arkkitehtuurin soveltuvan nykyisiin ja lähitulevaisuuden langattomiin verkkoihin.reviewe

A network mobility management architecture for a heterogeneous network environment

Network mobility management enables mobility of personal area networks and vehicular networks across heterogeneous access networks using a Mobile Router. This dissertation presents a network mobility management architecture for minimizing the impact of handoffs on the communications of nodes in the mobile network. The architecture addresses mobility in legacy networks without infrastructure support, but can also exploit infrastructure support for improved handoff performance. Further, the proposed architecture increases the efficiency of communications of nodes in the mobile network with counter parts in the fixed network through the use of caching and route optimization. The performance and costs of the proposed architecture are evaluated through empirical and numerical analysis. The analysis shows the feasibility of the architecture in the networks of today and in those of the near future.Verkkojen liikkuuvudenhallinta mahdollistaa henkilökohtaisten ja ajoneuvoihin asennettujen verkkojen liikkuvuuden heterogeenisessä verkkoympäristössä käyttäen liikkuvaa reititintä. Tämä väitöskirja esittää uuden arkkitehtuurin verkkojen liikkuvuudenhallintaan, joka minimoi verkonvaihdon vaikutuksen päätelaitteiden yhteyksiin. Vanhoissa verkoissa, joiden infrastruktuuri ei tue verkkojen liikkuvuutta, verkonvaihdos täytyy hallita liikkuvassa reitittimessa. Standardoitu verkkojen liikkuvuudenhallintaprotokolla NEMO mahdollistaa tämän käyttäen ankkurisolmua kiinteässä verkossa pakettien toimittamiseen päätelaitteiden kommunikaatiokumppaneilta liikkuvalle reitittimelle. NEMO:ssa verkonvaihdos aiheuttaa käynnissä olevien yhteyksien keskeytymisen yli sekunnin mittaiseksi ajaksi, aiheuttaen merkittävää häiriötä viestintäsovelluksille. Esitetyssä arkkitehtuurissa verkonvaihdon vaikutus minimoidaan varustamalla liikkuva reititin kahdella radiolla. Käyttäen kahta radiota liikkuva reititin pystyy suorittamaan verkonvaihdon keskeyttämättä päätelaitteiden yhteyksiä, mikäli verkonvaihtoon on riittävästi aikaa. Käytettävissa oleva aika riippuu liikkuvan reitittimen nopeudesta ja radioverkon rakenteesta. Arkkitehtuuri osaa myös hyödyntää infrastruktuurin tukea saumattomaan verkonvaihtoon. Verkkoinfrastruktuurin tuki nopeuttaa verkonvaihdosprosessia, kasvattaenmaksimaalista verkonvaihdos tahtia. Tällöin liikkuva reitin voi käyttää lyhyen kantaman radioverkkoja, joiden solun säde on yli 80m, ajonopeuksilla 90m/s asti ilman, että verkonvaihdos keskeyttää päätelaitteiden yhteyksiä. Lisäksi ehdotettu arkkitehtuuri tehostaa kommunikaatiota käyttäen cache-palvelimia liikkuvassa ja kiinteässä verkossa ja optimoitua reititystä liikkuvien päätelaitteiden ja kiinteässä verkossa olevien kommunikaatiosolmujen välillä. Cache-palvelinarkkitehtuuri hyödyntää vapaita radioresursseja liikkuvan verkon cache-palvelimen välimuistin päivittämiseen. Heterogeenisessä verkkoympäristossä cache-palvelimen päivitys suoritetaan lyhyen kantaman laajakaistaisia radioverkkoja käyttäen. Liikkuvan reitittimen siirtyessä laajakaistaisen radioverkon peitealueen ulkopuolelle päätelaitteille palvellaan sisältöä, kuten www sivuja tai videota cache-palvelimelta, säästäen laajemman kantaman radioverkon rajoitetumpia resursseja. Arkkitehtuurissa käytetään optimoitua reititystä päätelaitteiden ja niiden kommunikaatiokumppaneiden välillä. Optimoitu reititysmekanismi vähentää liikkuvuudenhallintaan käytettyjen protokollien langattoman verkon resurssien kulutusta. Lisäksi optimoitu reititysmekanismi tehostaa pakettien reititystä käyttäen suorinta reittiä kommunikaatiosolmujen välillä. Esitetyn arkkitehtuurin suorituskyky arvioidaan empiirisen ja numeerisen analyysin avulla. Analyysi arvioi arkkitehtuurin suorituskykyä ja vertaa sitä aikaisemmin ehdotettuihin ratkaisuihin ja osoittaa arkkitehtuurin soveltuvan nykyisiin ja lähitulevaisuuden langattomiin verkkoihin.reviewe

Algorithmes d'adressage et routage pour des réseaux fortement mobiles à grande échelle

After successfully connecting machines and people later (world wide web), the new era of In-ternet is about connecting things. Due to increasing demands in terms of addresses, mobility, scalability, security and other new unattended challenges, the evolution of current Internet archi-tecture is subject to major debate worldwide. The Internet Architecture Board (IAB) workshop on Routing and Addressing report described the serious scalability problems faced by large backbone operators in terms of routing and addressing, illustrated by the unsustainable growth of the Default Free Zone (DFZ) routing tables. Some proposals tackled the scalability and IP semantics overload issues with two different approaches: evolutionary approach (backward com-patibility) or a revolutionary approach. Several design objectives (technical or high-level) guided researchers in their proposals. Mobility is definitely one of the main challenges.Inter-Vehicle Communication (IVC) attracts considerable attention from the research com-munity and the industry for its potential in providing Intelligent Transportation Systems (ITS) and passengers services. Vehicular Ad-Hoc Networks (VANETs) are emerging as a class of wire-less network, formed between moving vehicles equipped with wireless interfaces (cellular and WiFi) employing heterogeneous communication systems. A VANET is a form of mobile ad-hoc network that provides IVC among nearby vehicles and may involve the use of a nearby fixed equipment on the roadside. The impact of Internet-based vehicular services (infotainment) are quickly developing. Some of these applications, driver assistance services or traffic reports, have been there for a while. But market-enabling applications may also be an argument in favor of a more convenient journey. Such use cases are viewed as a motivation to further adoption of the ITS standards developed within IEEE, ETSI, and ISO.This thesis focuses on applying Future Internet paradigm to vehicle-to-Internet communica-tions in an attempt to define the solution space of Future Vehicular Internet. We first introduce two possible vehicle-to-Internet use cases and great enablers for IP based services : eHealth and Fully-electric Vehicles. We show how to integrate those use cases into IPv6 enabled networks. We further focus on the mobility architectures and determine the fundamental components of a mobility architecture. We then classify those approaches into centralized and distributed to show the current trends in terms of network mobility extension, an essential component to vehicular networking. We eventually analyze the performance of these proposals. In order to define an identifier namespace for vehicular communications, we introduce the Vehicle Identification Numbers are possible candidates. We then propose a conversion algorithm that preserves the VIN characteristics while mapping it onto usable IPv6 networking objects (ad-dresses, prefixes, and Mobile Node Identifiers). We make use of this result to extend LISP-MN protocol with the support of our VIN6 addressing architecture. We also apply those results to group IP-based communications, when the cluster head is in charge of a group of followers.Cette thèse a pour objectif de faire avancer l'état de l'art des communications basée sur Internet Protocol version 6 (IPv6) dans le domaine des réseaux véhiculaires, et ce dans le cadre des évolutions récentes de IP, notamment l'avènement du Future Internet. Le Future Internet (F.I.) définit un ensemble d'approches pour faire évoluer l'Internet actuel , en particulier l'émergence d'un Internet mobile exigeant en ressources. Les acteurs de ce domaine définissent les contraintes inhérentes aux approches utilisées historiquement dans l'évolution de l'architecture d'Internet et tentent d'y remédier soit de manière évolutive soit par une rupture technologique (révolutionnaire). Un des problèmes au centre de cette nouvelle évolution d'Internet est la question du nommage et de l'adressage dans le réseau. Nous avons entrepris dans cette thèse l'étude de ce problème, dans le cadre restreint des communications véhiculaires Internet.Dans ce contexte, l'état de l'art du Future Internet a mis en avant les distinctions des approches révolutionnaires comparées aux propositions évolutives basées sur IPv6. Les réseaux véhiculaires étant d'ores-et-déjà dotés de piles protocolaires comprenant une extension IPv6, nous avons entamé une approche évolutive visant à intégrer les réseaux véhiculaires au Future Internet. Une première proposition a été de convertir un identifiant présent dans le monde automobile (VIN, Numéro d'Identification de Véhicule) en un lot d'adresses réseau propres à chaque véhicule (qui est donc propriétaire de son adressage issu de son identifiant). Cette proposition étant centrée sur le véhicule, nous avons ensuite intégré ces communications basés dans une architecture globale Future Internet basée sur IPv6 (protocole LISP). En particulier, et avec l'adressage VIN, nous avons défini un espace d'adressage indépendant des fournisseurs d'accès à Internet où le constructeur automobile devient acteur économique fournissant des services IPv6 à sa flotte de véhicules conjointement avec les opérateurs réseau dont il dépend pour transporter son trafic IP. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'entourage proche du véhicule afin de définir un nouveau mode de communication inter-véhiculaire à Internet: le V2V2I (Angl. Vehicle-to-Vehicle-to-Infrastructure). Jusqu'à présent, les modes de transmission de données à Internet dans le monde du véhicule consistaient en des topologies V2I, à savoir véhicule à Internet, où le véhicule accède à l'infrastructure directement sans intermédiaire. Dans le cadre des communications véhiculaires à Internet, nous proposons une taxonomie des méthodes existantes dans l'état de l'art. Les techniques du Future Internet étant récentes, nous avons étendu notre taxonomie par une nouvelle approche basée sur la séparation de l'adressage topologique dans le cluster de celui de l'infrastructure. Le leader du cluster s'occupe d'affecter les adresses (de son VIN) et de gérer le routage à l'intérieur de son cluster. La dernière contribution consiste en la comparaison des performances des protocoles de gestion de mobilité, notamment pour les réseaux de véhicules et des communications de type vehicule-à-Internet. Dans ce cadre, nous avons proposé une classification des protocoles de gestion de mobilité selon leur déploiement: centralisé (basé réseau ou host) et distribué. Nous avons ensuite évalué les performances en modélisant les durées de configurations et de reconfigurations des différents protocoles concernés

MROM scheme to improve handoff performance in mobile networks

Mobile Router (MR) mobility supported by Network Mobility Basic Support Protocol (NEMO BS) is a Mobile IPv6 (MIPv6) extension that supports Host Mobility. Proposed Multihoming and Route Optimization for MANEMO (MROM) scheme is designed to provide Route Optimization (RO) and Multihomed in NEMO architectures. This paper proposes two novel schemes; MANEMO routing scheme and Multihoming-based scheme. These are to provide support for next generation networks. The proposed MROM scheme differs from other schemes for NEMO environment because it considers the requirements of more application flows parameters as packet lost delivery, handoff delay as well as throughput). Another difference is that not only the network infrastructure can begin the functionality of flow routing, but also an Edge Mobile Router (EMR) can do this flow for routing. Moreover, it utilizes the state of the art and presently active access network to perform the separation of each flow in mobile network. Thus, proposed MROM exhibits multihoming features and improves handoff performance by initiating flow-based fast registration process in NEMO environment. A handoff method is proposed with enhanced functionalities of the Local Mobility Anchors (LMA), Mobile Routers (MRs) and signaling messages with a view to achieve continuous connectivity through handoff in NEMO. Both analytical and simulation approaches are used. Analytical evaluation is carried out to analyze packet delivery lost and handoff delay of our proposed scheme. It was also shown that cost of signaling messages and packet delivery are contributing to total handoff cost. At the simulation part, network simulator 3 (NS 3) has been used as the tool to get performance metrics that have been considered like packet delivery ratio, handoff delay, and packet loss. Our proposed scheme (MROM) has been benchmarking to the standard NEMO BS Protocol and P-NEMO. In this paper, we discuss proposed MROM for next generation networks, providing detailed analysis with a numerical model, proposed MROM, by maximizing the handoff performance, has been justified to have better mobility support than the ordinary NEMO BS Protocol and PNEMO. Keywords—MROM, MANEMO, RO, Multihomed, Handoff

IP Mobility Support in Multi-hop Vehicular Communications Networks

The combination of infrastructure-to-vehicle and vehicle-to-vehicle communications, namely the multi-hop Vehicular Communications Network (VCN) , appears as a promising solution for the ubiquitous access to IP services in vehicular environments. In this thesis, we address the challenges of multi-hop VCN, and investigate the seamless provision of IP services over such network. Three different schemes are proposed and analyzed. First, we study the limitations of current standards for the provision of IP services, such as 802.11p/WAVE, and propose a framework that enables multi-hop communications and a robust IP mobility mechanism over WAVE. An accurate analytical model is developed to evaluate the throughput performance, and to determine the feasibility of the deployment of IP-based services in 802.11p/WAVE networks. Next, the IP mobility support is extended to asymmetric multi-hop VCN. The proposed IP mobility and routing mechanisms react to the asymmetric links, and also employ geographic location and road traffic information to enable predictive handovers. Moreover, since multi-hop communications suffer from security threats, it ensures that all mobility signalling is authenticated among the participant vehicles. Last, we extend our study to a heterogeneous multi-hop VCN, and propose a hybrid scheme that allows for the on-going IP sessions to be transferred along the heterogeneous communications system. The proposed global IP mobility scheme focuses on urban vehicular scenarios, and enables seamless communications for in-vehicle networks, commuters, and pedestrians. The overall performance of IP applications over multi-hop VCN are improved substantially by the proposed schemes. This is demonstrated by means of analytical evaluations, as well as extensive simulations that are carried out in realistic highway and urban vehicular scenarios. More importantly, we believe that our dissertation provides useful analytical tools, for evaluating the throughput and delay performance of IP applications in multi-hop vehicular environments. In addition, we provide a set of practical and efficient solutions for the seamless support of IP tra c along the heterogeneous and multi-hop vehicular network, which will help on achieving ubiquitous drive-thru Internet, and infotainment traffic access in both urban and highway scenarios

Ubiquitous communications for wireless personal area networks in a heterogeneous environment

The widespread use of wireless technologies has led to a tremendous development in wireless communication systems. Currently, an individual mobile user may carry multiple personal devices with multiple wireless interfaces, which can interconnect with each other to form a Wireless Personal Area Network (WPAN) which moves with this user. These devices exist in a heterogeneous environment which is composed of various wireless networks with differing coverage and access technologies and also the topology, device conditions and wireless connections in the WPAN may be dynamically changing. Such individual mobile users require ubiquitous communications anytime, anywhere, with any device and wish content to be efficiently and continuously transferred across the various wireless networks both outside and inside WPANs, wherever they move. This thesis presents research carried out into how to implement ubiquitous communications for WPANs in such an environment. Two main issues are considered. The first is how to initiate content transfer and keep it continuous, no matter which wireless network is used as a user moves or how the WPAN changes dynamically. The second is how to implement this transfer in the most efficient way: selecting the most suitable transfer mode for a WPAN according to the user’s and application’s requirements. User-centric (personal-area-centric) and contentcentric mechanisms are proposed in this thesis to address these issues. A scheme based on a Personal Distributed Environment (PDE) concept and designed as a logical user-based management entity is presented. This is based on three mechanisms which are proposed to overcome the technical problems in practical scenarios, which cannot be solved by existing approaches. A novel mechanism is proposed to combine local direct and global mobile communications, in order to implement ubiquitous communications in both infrastructure-less and infrastructurebased networks. This enables an individual user’s ubiquitous communications to be initiated in an infrastructure-less network environment and kept continuous when they move across infrastructure-based networks. Its advantages are evaluated by a performance analysis model and compared to existing solutions and verified by experiments. A cooperation and management scheme is also proposed for dynamic changes of multiple mobile routers and flexible switching of personal device roles in a WPAN while keeping ongoing ubiquitous communications continuous. This adopts a novel view of WPANs which solves the addressing problems caused by changes of mobile routers and makes these transparent to personal devices in the WPAN and external content sources. It provides an efficient method for changing the mobile router of a single WPAN or a WPAN merging with another moving network. Its benefits are demonstrated through performance analysis models. Finally, a novel user-centric and contentcentric mechanism for decision making, to select the most appropriate mobile router in a dynamically changing WPAN environment is proposed. This selects the most suitable content transfer mode for the WPAN to fulfil an individual user’s various requirements. It has different strategies to suit various types of applications. Selection results are demonstrated to verify the proposed mechanism in multiple scenarios of changing user requirements, applications and WPAN conditions

Numerical analysis of manemo routing scheme in multihoming environment

NEMO-BSP is the result of MIPV6 development that lacks mobility support in NEMO. Therefore, in this letter we discuss MANEMO routing and multihoming (MROM) providing detailed analysis with a numerical model. MROM, by maximizing the handoff performance, has been justified to have better mobility support than the ordinary NEMO-BSP and P-NEMO