SCALABLE AND EFFICIENT VERTICAL HANDOVER DECISION ALGORITHMS IN VEHICULAR NETWORK CONTEXTS

A finales de los años noventa, y al comienzo del nuevo milenio, las redes inalámbricas han evolucionado bastante, pasando de ser sólo una tecnología prometedora para convertirse en un requisito para las actividades cotidianas en las sociedades desarrolladas. La infraestructura de transporte también ha evolucionado, ofreciendo comunicación a bordo para mejorar la seguridad vial y el acceso a contenidos de información y entretenimiento. Los requisitos de los usuarios finales se han hecho dependientes de la tecnología, lo que significa que sus necesidades de conectividad han aumentado debido a los diversos requisitos de las aplicaciones que se ejecutan en sus dispositivos móviles, tales como tabletas, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles o incluso ordenadores de abordo (On-Board Units (OBUs)) dentro de los vehículos. Para cumplir con dichos requisitos de conectividad, y teniendo en cuenta las diferentes redes inalámbricas disponibles, es necesario adoptar técnicas de Vertical Handover (VHO) para cambiar de red de forma transparente y sin necesidad de intervención del usuario. El objetivo de esta tesis es desarrollar algoritmos de decisión (Vertical Handover Decision Algorithms (VHDAs)) eficientes y escalables, optimizados para el contexto de las redes vehiculares. En ese sentido se ha propuesto, desarrollado y probado diferentes algoritmos de decisión basados en la infraestructura disponible en las actuales, y probablemente en las futuras, redes inalámbricas y redes vehiculares. Para ello se han combinado diferentes técnicas, métodos computacionales y modelos matemáticos, con el fin de garantizar una conectividad apropiada, y realizando el handover hacia las redes más adecuadas de manera a cumplir tanto con los requisitos de los usuarios como los requisitos de las aplicaciones. Con el fin de evaluar el contexto, se han utilizado diferentes herramientas para obtener información variada, como la disponibilidad de la red, el estado de la red, la geolocalizaciónMárquez Barja, JM. (2012). SCALABLE AND EFFICIENT VERTICAL HANDOVER DECISION ALGORITHMS IN VEHICULAR NETWORK CONTEXTS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17869Palanci

A hybrid network/host mobility management scheme for next generation networks

Includes bibliographical references.The author proposes a hybrid network/host interworking scheme to allow the MN to transition smoothly between different access networks supporting two distinct mobility approaches

A comparative investigation on the application and performance of Femtocell against Wi-Fi networks in an indoor environment

Due to the strenuous demands on the available spectrum and bandwidth, alongside the ever increasing rate at which data traffic is growing and the poor quality of experience QoE) faced with indoor communications, in order for cellular networks to remain dominant in areas pertaining to voice and data services, cellular service providers have to reform their marketing and service delivery strategies together with their overall network rchitecture. To accomplish this leap forward in performance, cellular service operators need to employ a network topology, which makes use of a mix of macrocells and small cells, effectively evolving the network, bringing it closer to the end-­‐user. This investigation explores the use of small cell technology, specifically Femtocell technology in comparison to the already employed Wi-­‐Fi technology as a viable solution to poor indoor communications.The performance evolution is done by comparing key areas in the every day use of Internet communications. These include HTTP testing, RTP testing and VoIP testing. Results are explained and the modes of operation of both technologies are compared

IP Mobility in Wireless Operator Networks

Wireless network access is gaining increased heterogeneity in terms of the types of IP capable access technologies. The access network heterogeneity is an outcome of incremental and evolutionary approach of building new infrastructure. The recent success of multi-radio terminals drives both building a new infrastructure and implicit deployment of heterogeneous access networks. Typically there is no economical reason to replace the existing infrastructure when building a new one. The gradual migration phase usually takes several years. IP-based mobility across different access networks may involve both horizontal and vertical handovers. Depending on the networking environment, the mobile terminal may be attached to the network through multiple access technologies. Consequently, the terminal may send and receive packets through multiple networks simultaneously. This dissertation addresses the introduction of IP Mobility paradigm into the existing mobile operator network infrastructure that have not originally been designed for multi-access and IP Mobility. We propose a model for the future wireless networking and roaming architecture that does not require revolutionary technology changes and can be deployed without unnecessary complexity. The model proposes a clear separation of operator roles: (i) access operator, (ii) service operator, and (iii) inter-connection and roaming provider. The separation allows each type of an operator to have their own development path and business models without artificial bindings with each other. We also propose minimum requirements for the new model. We present the state of the art of IP Mobility. We also present results of standardization efforts in IP-based wireless architectures. Finally, we present experimentation results of IP-level mobility in various wireless operator deployments.Erilaiset langattomat verkkoyhteydet lisääntyvät Internet-kykyisten teknologioiden muodossa. Lukuisten eri teknologioiden päällekkäinen käyttö johtuu vähitellen ja tarpeen mukaan rakennetusta verkkoinfrastruktuurista. Useita radioteknologioita (kuten WLAN, GSM ja UMTS) sisältävien päätelaitteiden (kuten älypuhelimet ja kannettavat tietokoneet) viimeaikainen kaupallinen menestys edesauttaa uuden verkkoinfrastruktuurin rakentamista, sekä mahdollisesti johtaa verkkoteknologioiden kirjon lisääntymiseen. Olemassa olevaa verkkoinfrastruktuuria ei kaupallisista syistä kannata korvata uudella teknologialla yhdellä kertaa, vaan vaiheittainen siirtymävaihe kestää tyypillisesti useita vuosia. Internet-kykyiset päätelaitteet voivat liikkua joko saman verkkoteknologian sisällä tai eri verkkoteknologioiden välillä. Verkkoympäristöstä riippuen liikkuvat päätelaitteet voivat liittyä verkkoon useiden verkkoyhteyksien kautta. Näin ollen päätelaite voi lähettää ja vastaanottaa tietoliikennepaketteja yhtäaikaisesti lukuisia verkkoja pitkin. Tämä väitöskirja käsittelee Internet-teknologioiden liikkuvuutta ja näiden teknologioiden tuomista olemassa oleviin langattomien verkko-operaattorien verkkoinfrastruktuureihin. Käsiteltäviä verkkoinfrastruktuureita ei alun perin ole suunniteltu Internet-teknologian liikkuvuuden ja monien yhtäaikaisten yhteyksien ehdoilla. Tässä työssä ehdotetaan tulevaisuuden langattomien verkkojen arkkitehtuurimallia ja ratkaisuja verkkovierailujen toteuttamiseksi. Ehdotettu arkkitehtuuri voidaan toteuttaa ilman mittavia teknologisia mullistuksia. Mallin mukaisessa ehdotuksessa verkko-operaattorin roolit jaetaan selkeästi (i) verkko-operaattoriin, (ii) palveluoperaattoriin ja (iii) yhteys- sekä verkkovierailuoperaattoriin. Roolijako mahdollistaa sen, että kukin operaattorityyppi voi kehittyä itsenäisesti, ja että teennäiset verkkoteknologiasidonnaisuudet poistuvat palveluiden tuottamisessa. Työssä esitetään myös alustava vaatimuslista ehdotetulle mallille, esimerkiksi yhteysoperaattorien laatuvaatimukset. Väitöskirja esittelee myös liikkuvien Internet-teknologioiden viimeisimmän kehityksen. Työssä näytetään lisäksi standardointituloksia Internet-kykyisissä langattomissa arkkitehtuureissa

Network-based IP flow mobility support in 3GPPs evolved packet core

Includes bibliographical references.Mobile data traffic in cellular networks has increased tremendously in the last few years. Due to the costs associated with licensed spectrum, Mobile Network Operators (MNOs) are battling to manage these increased traffic growths. Offloading mobile data traffic to alternative low cost access networks like Wi-Fi has been proposed as a candidate solution to enable MNOs to alleviate congestion from the cellular networks. This dissertation investigates an offloading technique called IP flow mobility within the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) all-IP mobile core network, the Evolved Packet Core (EPC). IP flow mobility would enable offloading a subset of the mobile user‟s traffic to an alternative access network while allowing the rest of the end-user‟s traffic to be kept in the cellular access; this way, traffic with stringent quality of service requirements like Voice over Internet Protocol (VoIP) would not experience service disruption or interruption when offloaded. This technique is different from previous offloading techniques where all the end-user‟s traffic is offloaded. IP flow mobility functionality can be realised with either host- or network-based mobility protocols. The recommended IP flow mobility standard of 3GPP is based on the host-based mobility solution, Dual-Stack Mobile IPv6. However, host-based mobility solutions have drawbacks like long handover latencies and produce signaling overhead in the radio access networks, which could be less appealing to MNOs. Network-based mobility solutions, compared to the host-based mobility solutions, have reduced handover latencies with no signaling overhead occurring in the radio access network. Proxy Mobile IPv6 is a networkbased mobility protocol adapted by 3GPP for mobility in the EPC. However, the standardisation of the Proxy Mobile IPv6-based IP flow mobility functionality is still ongoing within 3GPP. A review of related literature and standardisation efforts reveals shortcomings with the Proxy Mobile IPv6 mobility protocol in supporting IP flow mobility. Proxy Mobile IPv6 does not have a mechanism that would ensure session continuity during IP flow handoffs or a mechanism enabling controlling of the forwarding path of a particular IP flow i.e., specifying the access network for the IP flow. The latter mechanism is referred to as IP flow information management and flow-based routing. These mechanisms represent the basis for enabling the IP flow mobility functionality. To address the shortcomings of Proxy Mobile IPv6, this dissertation proposes vi enhancements to the protocol procedures to enable the two mechanisms for IP flow mobility functionality. The proposed enhancements for the session continuity mechanism draw on work in related literature and the proposed enhancements for the IP flow information management and flow-based routing mechanism are based on the concepts used in the Dual- Stack Mobile IPv6 IP flow mobility functionality. Together the two mechanisms allow the end-user to issue requests on what access network a particular IP flow should be routed, and ensure that the IP flows are moved to the particular access network without session discontinuity

TCP Performance in Heterogeneous Wireless Networks

The TCP protocol is used by most Internet applications today, including the recent mobile wireless terminals that use TCP for their World-Wide Web, E-mail and other traffic. The recent wireless network technologies, such as GPRS, are known to cause delay spikes in packet transfer. This causes unnecessary TCP retransmission timeouts. This dissertation proposes a mechanism, Forward RTO-Recovery (F-RTO) for detecting the unnecessary TCP retransmission timeouts and thus allow TCP to take appropriate follow-up actions. We analyze a Linux F-RTO implementation in various network scenarios and investigate different alternatives to the basic algorithm. The second part of this dissertation is focused on quickly adapting the TCP's transmission rate when the underlying link characteristics change suddenly. This can happen, for example, due to vertical hand-offs between GPRS and WLAN wireless technologies. We investigate the Quick-Start algorithm that, in collaboration with the network routers, aims to quickly probe the available bandwidth on a network path, and allow TCP's congestion control algorithms to use that information. By extensive simulations we study the different router algorithms and parameters for Quick-Start, and discuss the challenges Quick-Start faces in the current Internet. We also study the performance of Quick-Start when applied to vertical hand-offs between different wireless link technologies.Suurin osa Internet-sovelluksista käyttää TCP-protokollaa turvatakseen luotettavan tiedonvaihdon. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi WWW, sähköposti, ja monet pikaviestiohjelmat. TCP-protokollan pääpiirteet on suunniteltu 1970- ja 1980-luvulla, jolloin päätelaitteita ja sovelluksia oli huomattavasti nykyistä vähemmän ja yhteydet pohjautuivat kiinteiden kommunikaatiolinkkien käyttöön. Langattomien päätelaitteiden yleistyessä on huomattu, että TCP-protokollan suorituskyky ei aina ole hyväksyttävällä tasolla, koska monet sen piirteistä on alunperin suunniteltu erilaisessa käyttöympäristössä. Väitöstyö perehtyy langattoman linkin aiheuttamien vaikeasti ennustettavien viiveiden vaikutukseen TCP:n suorituskyvylle. Tällainen käyttäytyminen on ominaista esimerkiksi nykyisin laajalti matkapuhelimissa käytetylle GPRS-teknologialle. Yllättävät viiveet datansiirrossa aiheuttavat TCP:n uudelleenlähetysajastimen tarpeettoman laukeamisen. Tämä aiheuttaa useiden pakettien turhan uudelleenlähetyksen ja vaikeuttaa TCP:n ruuhkanvalvonta-algoritmien toimintaa. Väitöstyössä ehdotetaan F-RTO -nimistä parannusta TCP:n uudelleenlähetysalgoritmeihin, joka pyrkii havaitsemaan turhat uudelleenlähetykset ja välttämään edellä mainitut ongelmat tällaisissa tilanteissa. Väitöstyö analysoi F-RTO:n suorituskykyä erilaisissa kommunikaatioskenaarioissa ja tutkii erilaisia variaatioita perusalgoritmiin. Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan TCP:n lähetysnopeuden pikaista sopeuttamista vallitseville siirto-olosuhteille. Normaalisti TCP tarvitsee huomattavan ajan löytääkseen oikean siirtonopeuden yhteyden alussa, mikäli siirtolinkki on erityisen nopea ja siirtoviiveet verraten pitkiä. Tämä on tilanne uusimmissa langattomissa kommunikaatioteknologioissa. Samankaltainen ongelma esiintyy myös, mikäli TCP-yhteys vaihtaa käyttämäänsä siirtoteknologiaa kesken yhteyden esimerkiksi liikkuvuuden seurauksena. Tämä voi tapahtua uusimmissa päätelaitteissa, jotka tukevat useita erityyppisiä radioteknologioita, kuten WLAN ja GPRS. Väitöskirjassa tutkitaan Quick-Start - nimistä mekanismia, joka nopeuttaa huomattavasti TCP:n sopeutumisnopeutta edellä mainitun kaltaisissa tilanteissa. Työssä tarkastellaan erilaisia algoritmeja Quick-Startin käyttöön ja analysoidaan simulointien avulla algoritmien toimintaa erilaisissa ympäristöissä. Väitöstyössä esitetyillä tuloksilla Internet-kommunikaation suorituskykyä ja käytettävyyttä langattomilla laitteilla voidaan parantaa huomattavasti

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo

Securing Handover in Wireless IP Networks

In wireless and mobile networks, handover is a complex process that involves multiple layers of protocol and security executions. With the growing popularity of real time communication services such as Voice of IP, a great challenge faced by handover nowadays comes from the impact of security implementations that can cause performance degradation especially for mobile devices with limited resources. Given the existing networks with heterogeneous wireless access technologies, one essential research question that needs be addressed is how to achieve a balance between security and performance during the handover. The variations of security policy and agreement among different services and network vendors make the topic challenging even more, due to the involvement of commercial and social factors. In order to understand the problems and challenges in this field, we study the properties of handover as well as state of the art security schemes to assist handover in wireless IP networks. Based on our analysis, we define a two-phase model to identify the key procedures of handover security in wireless and mobile networks. Through the model we analyze the performance impact from existing security schemes in terms of handover completion time, throughput, and Quality of Services (QoS). As our endeavor of seeking a balance between handover security and performance, we propose the local administrative domain as a security enhanced localized domain to promote the handover performance. To evaluate the performance improvement in local administrative domain, we implement the security protocols adopted by our proposal in the ns-2 simulation environment and analyze the measurement results based on our simulation test