Control mechanisms for mobile terminals in heterogeneous access technology environments

Internet is evolving to become mobile and ubiquitous. As a consequence, there is a trend towards a diversification of the access technologies, as it can be seen with the recent appearance of wireless technologies such as WiFi or UMTS and the future deployment of WiMAX. Following these new opportunities, multi-technology terminals able to connect to the Internet through different technologies are appearing in the market. In this scenario, users start to demand new solutions able to use these new technologies in a transparent way from the user point of view. Foreseeing this demand, the IEEE started developing the specification IEEE 802.21, which enables multi-technology terminals to handover from one technology to another in a transparent way for the user. This specification has not yet being finished, and its deployment requires from the research community to analyze how to integrate it in current networks, how to achieve maximum benefit from its possibilities, and how to configure its parameters. In this thesis we propose control mechanisms for IP terminals to i) support efficient handovers in multi-technology environments applying the 802.21 framework and ii) allow the use of several interfaces and/or multiple providers by the terminals to improve the failure robustness of their communications. These mechanisms are focused in the terminal, although we also provide details on how to integrate IEEE 802.21 into nowadays operator's networks. The contributions of this thesis are threefold. In the first place the integration of 802.21 into terminals has been studied, focusing on the configuration of the parameters required to decide when to perform a handover in the case when the handover is initiated by the terminal. This analysis has also been done taking into account variables such as the terminal speed and the delay of the links. In the second place, we have studied how to introduce the Network Controlled Handover concept, using 802.21, into the network, including the possibility of the handover being initiated by the network. We have analyzed which are the main benefits of this approach and proposed and validated an implementation of this concept in 802.21. In third place we have analyzed a protocol, REAP, under development in the IETF, which allows terminals to detect and recover from failures in the links used in their communications. We have focused in the analytical characterization of the time required to detect a failure, since this parameter is crucial for the application's behavior. The applications should be able to cope with a failure without being disrupted by it. Through the analytical study performed, the REAP protocol can be properly configured to achieve a target recovery time. All the proposed mechanisms have been validated through simulation, using several tools such as OPNET, OMNET++ and MatlabLas tecnologías de acceso están evolucionando hacia un perfil móvil y ubicuo. Así mismo se está produciendo una diversificación en las tecnologías de acceso disponibles, con la proliferación de tecnologías inalámbricas como WiFi o UMTS y el despliegue próximo de WiMAX. Con la diversificación en el acceso aparecen también los primeros terminales multi-tecnología, capaces de utilizar diferentes redes simultáneamente. En este escenario, los usuarios empiezan a demandar soluciones y servicios capaces de utilizar estas tecnologías de forma transparente al usuario. Anticipándose a esta demanda, el IEEE comenzó la estandarización de la especificación 802.21 que permitirá a terminales multi-tecnología la posibilidad de realizar traspasos transparentes entre diferentes redes de acceso. Dicha especificación todavía no ha sido completada y su despliegue requiere la investigación de cómo integrarla en las redes actuales, cómo obtener el máximo beneficio de las posibilidades que presenta, así como de la configuración de sus parámetros. En la presente Tesis Doctoral proponemos una arquitectura que dota a terminales IP de mecanismos de control para i) soportar movilidad eficiente en entornos multi-tecnología en el marco de 802.21 y ii) permitir el uso de múltiples interfaces y/o proveedores con el objetivo de mejorar la robustez ante fallos en las comunicaciones. Dicha arquitectura se centra en el terminal aunque también se aportan detalles de cómo introducir las modificaciones requeridas por IEEE 802.21 en las redes de los operadores. Las contribuciones realizadas son varias. En primer lugar se ha estudiado la integración de IEEE 802.21 en un terminal, centrándonos en la configuración de los parámetros utilizados para determinar el momento del traspaso cuando éste es iniciado por el terminal. En segundo lugar se estudió cómo introducir, usando IEEE 802.21, el concepto de traspaso controlado por la red incluyendo la posibilidad de que la propia red sea la iniciadora del traspaso, analizando sus beneficios y aportando una propuesta de implementación dentro de IEEE 802.21. En tercer lugar analizamos un protocolo, REAP, que se está desarrollando dentro del IETF para permitir, desde los terminales, la detección y recuperación frente a fallos en los enlaces usados en sus comunicaciones. Dentro de este bloque nos centramos en la caracterización analítica del tiempo requerido para detectar un fallo ya que este parámetro es de vital importancia para el funcionamiento de las aplicaciones, que deben poder sobrevivir a un fallo sin verse completamente interrumpidas por él. Con el estudio analítico realizado es posible configurar REAP para alcanzar un tiempo determinado de recuperación ante fallo. Todos los mecanismos propuestos han sido validados mediante simulación empleando diversas herramientas como OPNET, OMNET++ y Matla

Advanced Signaling Support for IP-based Networks

This work develops a set of advanced signaling concepts for IP-based networks. It proposes a design for secure and authentic signaling and provides QoS signaling support for mobile users. Furthermore, this work develops methods which allow for scalable QoS signaling by realizing QoS-based group communication mechanisms and through aggregation of resource reservations

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

Connecting Vehicles to the Internet - Strategic Data Transmission for Mobile Nodes using Heterogeneous Wireless Networks

With the advent of autonomous driving, the driving experience for users of connected vehicles changes, as they may enjoy their travel time with entertainment, or work productively. In our modern society, both require a stable Internet access. However, future mobile networks are not expected to be able to satisfy application Quality of Service (QoS) requirements as needed, e.g. during rush hours. To address this problem, this dissertation investigates data transmission strategies that exploit the potential of using a heterogeneous wireless network environment. To this end, we combine two so far distinct concepts, firstly, network selection and, secondly, transmission time selection, creating a joint time-network selection strategy. It allows a vehicle to plan delay-tolerant data transmissions ahead, favoring transmission opportunities with the best prospective flow-network matches. In this context, our first contribution is a novel rating model for perceived transmission quality, which assesses transmission opportunities with respect to application QoS requirement violations, traded off by monetary cost. To enable unified assessment of all data transmissions, it generalizes existing specialized rating models from network selection and transmission time selection and extends them with a novel throughput requirement model. Based on that, we develop a novel joint time-network selection strategy, Joint Transmission Planning (JTP), as our second contribution, planning optimized data transmissions within a defined time horizon. We compare its transmission quality to that of three predominant state-of-the-art transmission strategies, revealing that JTP outperforms the others significantly by up to 26%. Due to extensive scenario variation, we discover broad stability of JTP reaching 87-91% of the optimum. As JTP is a planning approach relying on prediction data, the transmission quality is strongly impaired when executing its plans under environmental changes. To mitigate this impact, we develop a transmission plan adaptation as our third contribution, modifying the planned current transmission online in order to comply with the changes. Even under strong changes of the vehicle movement and the network environment, it sustains 57%, respectively 36%, of the performance gain from planning. Finally, we present our protocol Mobility management for Vehicular Networking (MoVeNet), pooling available network resources of the environment to enable flexible packet dispatching without breaking connections. Its distributed architecture provides broad scalability and robustness against node failures. It complements control mechanisms that allow a demand-based and connection-specific trade-off between overhead and latency. Less than 9 ms additional round trip time in our tests, instant handover and 0 to 4 bytes per-packet overhead prove its efficiency. Employing the presented strategies and mechanisms jointly, users of connected vehicles and other mobile devices can significantly profit from the demonstrated improvements in application QoS satisfaction and reduced monetary cost

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

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks