Techniques for End-to-End Tcp Performance Enhancement Over Wireless Networks

Today’s wireless network complexity and the new applications from various user devices call for an in-depth understanding of the mutual performance impact of networks and applications. It includes understanding of the application traffic and network layer protocols to enable end-to-end application performance enhancements over wireless networks. Although Transport Control Protocol (TCP) behavior over wireless networks is well known, it remains as one of the main drivers which may significantly impact the user experience through application performance as well as the network resource utilization, since more than 90% of the internet traffic uses TCP in both wireless and wire-line networks. In this dissertation, we employ application traffic measurement and packet analysis over a commercial Long Term Evolution (LTE) network combined with an in-depth LTE protocol simulation to identify three critical problems that may negatively affect the application performance and wireless network resource utilization: (i) impact of the wireless MAC protocol on the TCP throughput performance, (ii) impact of applications on network resource utilization, and (iii) impact of TCP on throughput performance over wireless networks. We further propose four novel mechanisms to improve the end-to-end application and wireless system performance: (i) an enhanced LTE uplink resource allocation mechanism to reduce network delay and help prevent a TCP timeout, (ii) a new TCP snooping mechanism, which according to our experiments, can save about 20% of system resources by preventing unnecessary video packet transmission through the air interface, and (iii) two Split-TCP protocols: an Enhanced Split-TCP (ES-TCP) and an Advanced Split-TCP (AS-TCP), which significantly improve the application throughput without breaking the end-to-end TCP semantics. Experimental results show that the proposed ES-TCP and AS-TCP protocols can boost the TCP throughput by more than 60% in average, when exercised over a 4G LTE network. Furthermore, the TCP throughput performance improvement may be even superior to 200%, depending on network and usage conditions. We expect that these proposed Split-TCP protocol enhancements, together with the new uplink resource allocation enhancement and the new TCP snooping mechanism may provide even greater performance gains when more advanced radio technologies, such as 5G, are deployed. Thanks to their superior resource utilization efficiency, such advanced radio technologies will put to greater use the techniques and protocol enhancements disclosed through this dissertation

Algoritmos de planificación del control de potencia y estimación de capacidad en redes LTE

Las tareas de planificación son de vital importancia en las redes de comunicaciones móviles. En la etapa de planificación, se realiza el diseño y dimensionado de la red atendiendo a criterios preestablecidos de cobertura, calidad de servicio y coste. Una adecuada planificación permite aprovechar la capacidad de los equipos de los que se dispone mediante una configuración óptima de sus parámetros. Al mismo tiempo, una planificación correcta permite detectar posibles cuellos de botella antes de que éstos ocurran. Con ello, se evitan problemas durante la fase de operación, minimizando (o, al menos, retrasando) las consiguientes inversiones de capital. En los últimos años, las tareas de planificación en las redes de acceso móvil se han complicado por el aumento del tamaño y la complejidad de estas redes. El problema se agrava con la continua inclusión de nuevos terminales, servicios y funcionalidades en las redes móviles. Para afrontar este problema, los operadores demandan herramientas automáticas de planificación que aprovechen las medidas de rendimiento extraídas de la red mediante técnicas de redes autoorganizadas (Self-Organizing Networks, SON). En esta tesis se proponen diversos algoritmos de planificación automática para la red de acceso radio Long Term Evolution (LTE). Todos ellos han sido concebidos para su integración en una herramienta de planificación comercial, por lo que se ha prestado especial atención a su eficiencia de computación. Por un lado, se proponen dos algoritmos de configuración automática de parámetros del control de potencia en el canal compartido de datos del enlace ascendente de LTE (Physical Uplink Shared Channel, PUSCH). El objetivo de ambos algoritmos es maximizar la cobertura y capacidad del PUSCH en una red LTE. A diferencia de propuestas anteriores, los algoritmos de planificación que se proponen manejan escenarios irregulares con baja carga de computación y consideran el rendimiento del control de potencia tanto en lazo abierto como en lazo cerrado. Para su validación, se ha utilizado un simulador estático de nivel de sistema ajustado con datos de una red LTE real. Por otro lado, se describe un algoritmo de estimación de la capacidad del canal de control en el enlace descendente (Physical Downlink Control Channel, PDCCH) en LTE. El algoritmo propuesto se basa en un modelo de teoría de colas que permite estimar la probabilidad de congestión del PDCCH de una celda concreta a partir de estadísticas de red. Dicho algoritmo se ha validado con medidas de redes LTE reales. Por último, se propone un algoritmo de estimación de la capacidad de tráfico de usuario de una celda LTE mediante estadísticas de rendimiento de red. El algoritmo descrito aplica técnicas de regresión multivariable para identificar las variables que determinan la capacidad de celda y establecer una relación cuantitativa entre ellas. A diferencia de estudios previos, el método propuesto es capaz de manejar restricciones de calidad de servicio para múltiples servicios. El método se ha validado mediante estadísticas de rendimiento extraídas de las primeras redes LTE multiservicio