Mango: A model-driven approach to engineering green Mobile Cloud Applications

With the resource constrained nature of mobile devices and the resource abundant offerings of the cloud, several promising optimisation techniques have been proposed by the green computing research community. Prominent techniques and unique methods have been developed to offload resource/computation intensive tasks from mobile devices to the cloud. Most of the existing offloading techniques can only be applied to legacy mobile applications as they are motivated by existing systems. Consequently, they are realised with custom runtimes which incur overhead on the application. Moreover, existing approaches which can be applied to the software development phase, are difficult to implement (based on manual process) and also fall short of overall (mobile to cloud) efficiency in software qualityattributes or awareness of full-tier (mobile to cloud) implications.To address the above issues, the thesis proposes a model-driven architecturefor integration of software quality with green optimisation in Mobile Cloud Applications (MCAs), abbreviated as Mango architecture. The core aim of the architecture is to present an approach which easily integrates software quality attributes (SQAs) with the green optimisation objective of Mobile Cloud Computing (MCC). Also, as MCA is an application domain which spans through the mobile and cloud tiers; the Mango architecture, therefore, takesinto account the specification of SQAs across the mobile and cloud tiers, for overall efficiency. Furthermore, as a model-driven architecture, models can be built for computation intensive tasks and their SQAs, which in turn drives the development – for development efficiency. Thus, a modelling framework (called Mosaic) and a full-tier test framework (called Beftigre) were proposed to automate the architecture derivation and demonstrate the efficiency of Mango approach. By use of real world scenarios/applications, Mango has been demonstrated to enhance the MCA development process while achieving overall efficiency in terms of SQAs (including mobile performance and energy usage compared to existing counterparts)

Multilayer Architecture Model for Mobile Cloud Computing Paradigm

Mobile Cloud Computing is one of today's more disruptive paradigms of computation due to its effects on the performance of mobile computing and the development of Internet of Things. It is able to enhance the capabilities of devices by outsourcing the workload to external computing platforms deployed along the network, such as cloud servers, cloudlets, or other edge platforms. The research described in this work presents a computational model of a multilayer architecture for increasing the performance of devices using the Mobile Cloud Computing paradigm. The main novelty of this work lies in defining a comprehensive model where all the available computing platforms along the network layers are involved to perform the outsourcing of the application workload. This proposal provides a generalization of the Mobile Cloud Computing paradigm which allows handling the complexity of scheduling tasks in such complex scenarios. The behaviour of the model and its ability of generalization of the paradigm are exemplified through simulations. The results show higher flexibility for making offloading decisions.This work was supported by the Spanish Research Agency (AEI) and the European Regional Development Fund (ERDF), under Project CloudDriver4Industry TIN2017-89266-R, and by the Conselleria de Educación, Investigación, Cultura y Deporte, of the Community of Valencia, Spain, within the program of support for research under Project AICO/2017/134

Teenustele orienteeritud ja tõendite-teadlik mobiilne pilvearvutus

Arvutiteaduses on kaks kõige suuremat jõudu: mobiili- ja pilvearvutus. Kui pilvetehnoloogia pakub kasutajale keerukate ülesannete lahendamiseks salvestus- ning arvutusplatvormi, siis nutitelefon võimaldab lihtsamate ülesannete lahendamist mistahes asukohas ja mistahes ajal. Täpsemalt on mobiilseadmetel võimalik pilve võimalusi ära kasutades energiat säästa ning jagu saada kasvavast jõudluse ja ruumi vajadusest. Sellest tulenevalt on käesoleva töö peamiseks küsimuseks kuidas tuua pilveinfrastruktuur mobiilikasutajale lähemale? Antud töös uurisime kuidas mobiiltelefoni pilveteenust saab mobiilirakendustesse integreerida. Saime teada, et töö delegeerimine pilve eeldab mitmete pilve aspektide kaalumist ja integreerimist, nagu näiteks ressursimahukas töötlemine, asünkroonne suhtlus kliendiga, programmaatiline ressursside varustamine (Web APIs) ja pilvedevaheline kommunikatsioon. Nende puuduste ületamiseks lõime Mobiilse pilve vahevara Mobile Cloud Middleware (Mobile Cloud Middleware - MCM) raamistiku, mis kasutab deklaratiivset teenuste komponeerimist, et delegeerida töid mobiililt mitmetele pilvedele kasutades minimaalset andmeedastust. Teisest küljest on näidatud, et koodi teisaldamine on peamisi strateegiaid seadme energiatarbimise vähendamiseks ning jõudluse suurendamiseks. Sellegipoolest on koodi teisaldamisel miinuseid, mis takistavad selle laialdast kasutuselevõttu. Selles töös uurime lisaks, mis takistab koodi mahalaadimise kasutuselevõttu ja pakume lahendusena välja raamistiku EMCO, mis kogub seadmetelt infot koodi jooksutamise kohta erinevates kontekstides. Neid andmeid analüüsides teeb EMCO kindlaks, mis on sobivad tingimused koodi maha laadimiseks. Võrreldes kogutud andmeid, suudab EMCO järeldada, millal tuleks mahalaadimine teostada. EMCO modelleerib kogutud andmeid jaotuse määra järgi lokaalsete- ning pilvejuhtude korral. Neid jaotusi võrreldes tuletab EMCO täpsed atribuudid, mille korral mobiilirakendus peaks koodi maha laadima. Võrreldes EMCO-t teiste nüüdisaegsete mahalaadimisraamistikega, tõuseb EMCO efektiivsuse poolest esile. Lõpuks uurisime kuidas arvutuste maha laadimist ära kasutada, et täiustada kasutaja kogemust pideval mobiilirakenduse kasutamisel. Meie peamiseks motivatsiooniks, et sellist adaptiivset tööde täitmise kiirendamist pakkuda, on tagada kasutuskvaliteet (QoE), mis muutub vastavalt kasutajale, aidates seeläbi suurendada mobiilirakenduse eluiga.Mobile and cloud computing are two of the biggest forces in computer science. While the cloud provides to the user the ubiquitous computational and storage platform to process any complex tasks, the smartphone grants to the user the mobility features to process simple tasks, anytime and anywhere. Smartphones, driven by their need for processing power, storage space and energy saving are looking towards remote cloud infrastructure in order to solve these problems. As a result, the main research question of this work is how to bring the cloud infrastructure closer to the mobile user? In this thesis, we investigated how mobile cloud services can be integrated within the mobile apps. We found out that outsourcing a task to cloud requires to integrate and consider multiple aspects of the clouds, such as resource-intensive processing, asynchronous communication with the client, programmatically provisioning of resources (Web APIs) and cloud intercommunication. Hence, we proposed a Mobile Cloud Middleware (MCM) framework that uses declarative service composition to outsource tasks from the mobile to multiple clouds with minimal data transfer. On the other hand, it has been demonstrated that computational offloading is a key strategy to extend the battery life of the device and improves the performance of the mobile apps. We also investigated the issues that prevent the adoption of computational offloading, and proposed a framework, namely Evidence-aware Mobile Computational Offloading (EMCO), which uses a community of devices to capture all the possible context of code execution as evidence. By analyzing the evidence, EMCO aims to determine the suitable conditions to offload. EMCO models the evidence in terms of distributions rates for both local and remote cases. By comparing those distributions, EMCO infers the right properties to offload. EMCO shows to be more effective in comparison with other computational offloading frameworks explored in the state of the art. Finally, we investigated how computational offloading can be utilized to enhance the perception that the user has towards an app. Our main motivation behind accelerating the perception at multiple response time levels is to provide adaptive quality-of-experience (QoE), which can be used as mean of engagement strategy that increases the lifetime of a mobile app

Elastic phone : towards detecting and mitigating computation and energy inefficiencies in mobile apps

Mobile devices have become ubiquitous and their ever evolving capabilities are bringing them closer to personal computers. Nonetheless, due to their mobility and small size factor constraints, they still present many hardware and software challenges. Their limited battery life time has led to the design of mobile networks that are inherently different from previous networks (e.g., wifi) and more restrictive task scheduling. Additionally, mobile device ecosystems are more susceptible to the heterogeneity of hardware and from conflicting interests of distributors, internet service providers, manufacturers, developers, etc. The high number of stakeholders ultimately responsible for the performance of a device, results in an inconsistent behavior and makes it very challenging to build a solution that improves resource usage in most cases. The focus of this thesis is on the study and development of techniques to detect and mitigate computation and energy inefficiencies in mobile apps. It follows a bottom-up approach, starting from the challenges behind detecting inefficient execution scheduling by looking only at apps’ implementations. It shows that scheduling APIs are largely misused and have a great impact on devices wake up frequency and on the efficiency of existing energy saving techniques (e.g., batching scheduled executions). Then it addresses many challenges of app testing in the dynamic analysis field. More specifically, how to scale mobile app testing with realistic user input and how to analyze closed source apps’ code at runtime, showing that introducing humans in the app testing loop improves the coverage of app’s code and generated network volume. Finally, using the combined knowledge of static and dynamic analysis, it focuses on the challenges of identifying the resource hungry sections of apps and how to improve their execution via offloading. There is a special focus on performing non-intrusive offloading transparent to existing apps and on in-network computation offloading and distribution. It shows that, even without a custom OS or app modifications, in-network offloading is still possible, greatly improving execution times, energy consumption and reducing both end-user experienced latency and request drop rates. It concludes with a real app measurement study, showing that a good portion of the most popular apps’ code can indeed be offloaded and proposes future directions for the app testing and computation offloading fields.Los dispositivos móviles se han tornado omnipresentes y sus capacidades están en constante evolución acercándolos a los computadoras personales. Sin embargo, debido a su movilidad y tamaño reducido, todavía presentan muchos desafíos de hardware y software. Su duración limitada de batería ha llevado al diseño de redes móviles que son inherentemente diferentes de las redes anteriores y una programación de tareas más restrictiva. Además, los ecosistemas de dispositivos móviles son más susceptibles a la heterogeneidad de hardware y los intereses conflictivos de las entidades responsables por el rendimiento final de un dispositivo. El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de técnicas para detectar y mitigar las ineficiencias de computación y energéticas en las aplicaciones móviles. Empieza con los desafíos detrás de la detección de planificación de ejecución ineficientes, mirando sólo la implementación de las aplicaciones. Se muestra que las API de planificación son en gran medida mal utilizadas y tienen un gran impacto en la frecuencia con que los dispositivos despiertan y en la eficiencia de las técnicas de ahorro de energía existentes. A continuación, aborda muchos desafíos de las pruebas de aplicaciones en el campo de análisis dinámica. Más específicamente, cómo escalar las pruebas de aplicaciones móviles con una interacción realista y cómo analizar código de aplicaciones de código cerrado durante la ejecución, mostrando que la introducción de humanos en el bucle de prueba de aplicaciones mejora la cobertura del código y el volumen de comunicación de red generado. Por último, combinando la análisis estática y dinámica, se centra en los desafíos de identificar las secciones de aplicaciones con uso intensivo de recursos y cómo mejorar su ejecución a través de la ejecución remota (i.e.,"offload"). Hay un enfoque especial en el "offload" no intrusivo y transparente a las aplicaciones existentes y en el "offload"y distribución de computación dentro de la red. Demuestra que, incluso sin un sistema operativo personalizado o modificaciones en la aplicación, el "offload" en red sigue siendo posible, mejorando los tiempos de ejecución, el consumo de energía y reduciendo la latencia del usuario final y las tasas de caída de solicitudes de "offload". Concluye con un estudio real de las aplicaciones más populares, mostrando que una buena parte de su código puede de hecho ser ejecutado remotamente y propone direcciones futuras para los campos de "offload" de aplicaciones.Postprint (published version

Elastic phone : towards detecting and mitigating computation and energy inefficiencies in mobile apps

Mobile devices have become ubiquitous and their ever evolving capabilities are bringing them closer to personal computers. Nonetheless, due to their mobility and small size factor constraints, they still present many hardware and software challenges. Their limited battery life time has led to the design of mobile networks that are inherently different from previous networks (e.g., wifi) and more restrictive task scheduling. Additionally, mobile device ecosystems are more susceptible to the heterogeneity of hardware and from conflicting interests of distributors, internet service providers, manufacturers, developers, etc. The high number of stakeholders ultimately responsible for the performance of a device, results in an inconsistent behavior and makes it very challenging to build a solution that improves resource usage in most cases. The focus of this thesis is on the study and development of techniques to detect and mitigate computation and energy inefficiencies in mobile apps. It follows a bottom-up approach, starting from the challenges behind detecting inefficient execution scheduling by looking only at apps’ implementations. It shows that scheduling APIs are largely misused and have a great impact on devices wake up frequency and on the efficiency of existing energy saving techniques (e.g., batching scheduled executions). Then it addresses many challenges of app testing in the dynamic analysis field. More specifically, how to scale mobile app testing with realistic user input and how to analyze closed source apps’ code at runtime, showing that introducing humans in the app testing loop improves the coverage of app’s code and generated network volume. Finally, using the combined knowledge of static and dynamic analysis, it focuses on the challenges of identifying the resource hungry sections of apps and how to improve their execution via offloading. There is a special focus on performing non-intrusive offloading transparent to existing apps and on in-network computation offloading and distribution. It shows that, even without a custom OS or app modifications, in-network offloading is still possible, greatly improving execution times, energy consumption and reducing both end-user experienced latency and request drop rates. It concludes with a real app measurement study, showing that a good portion of the most popular apps’ code can indeed be offloaded and proposes future directions for the app testing and computation offloading fields.Los dispositivos móviles se han tornado omnipresentes y sus capacidades están en constante evolución acercándolos a los computadoras personales. Sin embargo, debido a su movilidad y tamaño reducido, todavía presentan muchos desafíos de hardware y software. Su duración limitada de batería ha llevado al diseño de redes móviles que son inherentemente diferentes de las redes anteriores y una programación de tareas más restrictiva. Además, los ecosistemas de dispositivos móviles son más susceptibles a la heterogeneidad de hardware y los intereses conflictivos de las entidades responsables por el rendimiento final de un dispositivo. El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de técnicas para detectar y mitigar las ineficiencias de computación y energéticas en las aplicaciones móviles. Empieza con los desafíos detrás de la detección de planificación de ejecución ineficientes, mirando sólo la implementación de las aplicaciones. Se muestra que las API de planificación son en gran medida mal utilizadas y tienen un gran impacto en la frecuencia con que los dispositivos despiertan y en la eficiencia de las técnicas de ahorro de energía existentes. A continuación, aborda muchos desafíos de las pruebas de aplicaciones en el campo de análisis dinámica. Más específicamente, cómo escalar las pruebas de aplicaciones móviles con una interacción realista y cómo analizar código de aplicaciones de código cerrado durante la ejecución, mostrando que la introducción de humanos en el bucle de prueba de aplicaciones mejora la cobertura del código y el volumen de comunicación de red generado. Por último, combinando la análisis estática y dinámica, se centra en los desafíos de identificar las secciones de aplicaciones con uso intensivo de recursos y cómo mejorar su ejecución a través de la ejecución remota (i.e.,"offload"). Hay un enfoque especial en el "offload" no intrusivo y transparente a las aplicaciones existentes y en el "offload"y distribución de computación dentro de la red. Demuestra que, incluso sin un sistema operativo personalizado o modificaciones en la aplicación, el "offload" en red sigue siendo posible, mejorando los tiempos de ejecución, el consumo de energía y reduciendo la latencia del usuario final y las tasas de caída de solicitudes de "offload". Concluye con un estudio real de las aplicaciones más populares, mostrando que una buena parte de su código puede de hecho ser ejecutado remotamente y propone direcciones futuras para los campos de "offload" de aplicaciones

Resource Requirements of an Edge-based Digital Twin Service: An Experimental Study

Digital Twin (DT) is a pivotal application under the industrial digital transformation envisaged by the fourth industrial revolution (Industry 4.0). DT defines intelligent and real-time faithful reflections of physical entities such as industrial robots, thus allowing their remote control. Relying on the latest advances in Information and Communication Technologies (ICT), namely Network Function Virtualization (NFV) and Edge-computing, DT can be deployed as an on-demand service in the factories close proximity and offered leveraging radio access technologies. However, with the purpose of achieving the well-known scalability, flexibility, availability and performance guarantees benefits foreseen by the latest ICT, it is steadily required to experimentally profile and assess DT as a Service (DTaaS) solutions. Moreover, the dependencies between the resources claimed by the service and the relative demand and work loads require to be investigated. In this work, an Edge-based Digital Twin solution for remote control of robotic arms is deployed in an experimental testbed where, in compliance with the NFV paradigm, the service has been segmented in virtual network functions. Our research has primarily the objective to evaluate the entanglement among overall service performance and VNFs resource requirements, and the number of robots consuming the service varies. Experimental profiles show the most critical DT features to be the inverse kinematics and trajectory computations. Moreover, the same analysis has been carried out as a function of the industrial processes, namely based on the commands imposed on the robots, and particularly of their abstraction-level, resulting in a novel trade-off between computing and time resources requirements and trajectory guarantees. The derived results provide crucial insights for the design of network service scaling and resource orchestration frameworks dealing with DTaaS applications. Finally, we empirically prove LTE shortage to accommodate the minimum DT latency requirements

Enhanced mobility management mechanisms for 5G networks

Many mechanisms that served the legacy networks till now, are being identified as being grossly sub-optimal for 5G networks. The reason being, the increased complexity of the 5G networks compared previous legacy systems. One such class of mechanisms, important for any wireless standard, is the Mobility Management (MM) mechanisms. MM mechanismsensure the seamless connectivity and continuity of service for a user when it moves away from the geographic location where it initially got attached to the network. In this thesis, we firstly present a detailed state of the art on MM mechanisms. Based on the 5G requirements as well as the initial discussions on Beyond 5G networks, we provision a gap analysis for the current technologies/solutions to satisfy the presented requirements. We also define the persistent challenges that exist concerning MM mechanisms for 5G and beyond networks. Based on these challenges, we define the potential solutions and a novel framework for the 5G and beyond MM mechanisms. This framework specifies a set of MM mechanisms at the access, core and the extreme edge network (users/devices) level, that will help to satisfy the requirements for the 5G and beyond MM mechanisms. Following this, we present an on demand MM service concept. Such an on-demand feature provisions the necessary reliability, scalability and flexibility to the MM mechanisms. It's objective is to ensure that appropriate resources and mobility contexts are defined for users who will have heterogeneous mobility profiles, versatile QoS requirements in a multi-RAT network. Next, in this thesis we tackle the problem of core network signaling that occurs during MM in 5G/4G networks. A novel handover signaling mechanism has been developed, which eliminates unnecessary handshakes during the handover preparation phase, while allowing the transition to future softwarized network architectures. We also provide a handover failure aware handover preparation phase signaling process. We then utilize operator data and a realistic network deployment to perform a comparative analysis of the proposed strategy and the 3GPP handover signaling strategy on a network wide deployment scenario. We show the benefits of our strategy in terms of latency of handover process, and the transmission and processing cost incurred. Lastly, a novel user association and resource allocation methodology, namely AURA-5G, has been proposed. AURA-5G addresses scenarios wherein applications with heterogeneous requirements, i.e., enhanced Mobile Broadband (eMBB) and massive Machine Type Communications (mMTC), are present simultaneously. Consequently, a joint optimization process for performing the user association and resource allocation while being cognizant of heterogeneous application requirements, has been performed. We capture the peculiarities of this important mobility management process through the various constraints, such as backhaul requirements, dual connectivity options, available access resources, minimum rate requirements, etc., that we have imposed on a Mixed Integer Linear Program (MILP). The objective function of this established MILP problem is to maximize the total network throughput of the eMBB users, while satisfying the minimum requirements of the mMTC and eMBB users defined in a given scenario. Through numerical evaluations we show that our approach outperforms the baseline user association scenario significantly. Moreover, we have presented a system fairness analysis, as well as a novel fidelity and computational complexity analysis for the same, which express the utility of our methodology given the myriad network scenarios.Muchos mecanismos que sirvieron en las redes actuales, se están identificando como extremadamente subóptimos para las redes 5G. Esto es debido a la mayor complejidad de las redes 5G. Un tipo de mecanismo importante para cualquier estándar inalámbrico, consiste en el mecanismo de gestión de la movilidad (MM). Los mecanismos MM aseguran la conectividad sin interrupciones y la continuidad del servicio para un usuario cuando éste se aleja de la ubicación geográfica donde inicialmente se conectó a la red. En esta tesis, presentamos, en primer lugar, un estado del arte detallado de los mecanismos MM. Bas ándonos en los requisitos de 5G, así como en las discusiones iniciales sobre las redes Beyond 5G, proporcionamos un análisis de las tecnologías/soluciones actuales para satisfacer los requisitos presentados. También definimos los desafíos persistentes que existen con respecto a los mecanismos MM para redes 5G y Beyond 5G. En base a estos desafíos, definimos las posibles soluciones y un marco novedoso para los mecanismos 5G y Beyond 5G de MM. Este marco especifica un conjunto de mecanismos MM a nivel de red acceso, red del núcleo y extremo de la red (usuarios/dispositivos), que ayudarán a satisfacer los requisitos para los mecanismos MM 5G y posteriores. A continuación, presentamos el concepto de servicio bajo demanda MM. Tal característica proporciona la confiabilidad, escalabilidad y flexibilidad necesarias para los mecanismos MM. Su objetivo es garantizar que se definan los recursos y contextos de movilidad adecuados para los usuarios que tendrán perfiles de movilidad heterogéneos, y requisitos de QoS versátiles en una red multi-RAT. Más adelante, abordamos el problema de la señalización de la red troncal que ocurre durante la gestión de la movilidad en redes 5G/4G. Se ha desarrollado un nuevo mecanismo de señalización de handover, que elimina los intercambios de mensajes innecesarios durante la fase de preparación del handover, al tiempo que permite la transición a futuras arquitecturas de red softwarizada. Utilizamos los datos de operadores y consideramos un despliegue de red realista para realizar un análisis comparativo de la estrategia propuesta y la estrategia de señalización de 3GPP. Mostramos los beneficios de nuestra estrategia en términos de latencia del proceso de handover y los costes de transmisión y procesado. Por último, se ha propuesto una nueva asociación de usuarios y una metodología de asignación de recursos, i.e, AURA-5G. AURA-5G aborda escenarios en los que las aplicaciones con requisitos heterogéneos, i.e., enhanced Mobile Broadband (eMBB) y massive Machine Type Communications (mMTC), están presentes simultáneamente. En consecuencia, se ha llevado a cabo un proceso de optimización conjunta para realizar la asociación de usuarios y la asignación de recursos mientras se tienen en cuenta los requisitos de aplicaciónes heterogéneas. Capturamos las peculiaridades de este importante proceso de gestión de la movilidad a través de las diversas restricciones impuestas, como son los requisitos de backhaul, las opciones de conectividad dual, los recursos de la red de acceso disponibles, los requisitos de velocidad mínima, etc., que hemos introducido en un Mixed Integer Linear Program (MILP). La función objetivo de este problema MILP es maximizar el rendimiento total de la red de los usuarios de eMBB, y a la vez satisfacer los requisitos mínimos de los usuarios de mMTC y eMBB definidos en un escenario dado. A través de evaluaciones numéricas, mostramos que nuestro enfoque supera significativamente el escenario de asociación de usuarios de referencia. Además, hemos presentado un análisis de la justicia del sistema, así como un novedoso análisis de fidelidad y complejidad computacional para el mismo, que expresa la utilidad de nuestra metodología

Enhanced mobility management mechanisms for 5G networks

Many mechanisms that served the legacy networks till now, are being identified as being grossly sub-optimal for 5G networks. The reason being, the increased complexity of the 5G networks compared previous legacy systems. One such class of mechanisms, important for any wireless standard, is the Mobility Management (MM) mechanisms. MM mechanismsensure the seamless connectivity and continuity of service for a user when it moves away from the geographic location where it initially got attached to the network. In this thesis, we firstly present a detailed state of the art on MM mechanisms. Based on the 5G requirements as well as the initial discussions on Beyond 5G networks, we provision a gap analysis for the current technologies/solutions to satisfy the presented requirements. We also define the persistent challenges that exist concerning MM mechanisms for 5G and beyond networks. Based on these challenges, we define the potential solutions and a novel framework for the 5G and beyond MM mechanisms. This framework specifies a set of MM mechanisms at the access, core and the extreme edge network (users/devices) level, that will help to satisfy the requirements for the 5G and beyond MM mechanisms. Following this, we present an on demand MM service concept. Such an on-demand feature provisions the necessary reliability, scalability and flexibility to the MM mechanisms. It's objective is to ensure that appropriate resources and mobility contexts are defined for users who will have heterogeneous mobility profiles, versatile QoS requirements in a multi-RAT network. Next, in this thesis we tackle the problem of core network signaling that occurs during MM in 5G/4G networks. A novel handover signaling mechanism has been developed, which eliminates unnecessary handshakes during the handover preparation phase, while allowing the transition to future softwarized network architectures. We also provide a handover failure aware handover preparation phase signaling process. We then utilize operator data and a realistic network deployment to perform a comparative analysis of the proposed strategy and the 3GPP handover signaling strategy on a network wide deployment scenario. We show the benefits of our strategy in terms of latency of handover process, and the transmission and processing cost incurred. Lastly, a novel user association and resource allocation methodology, namely AURA-5G, has been proposed. AURA-5G addresses scenarios wherein applications with heterogeneous requirements, i.e., enhanced Mobile Broadband (eMBB) and massive Machine Type Communications (mMTC), are present simultaneously. Consequently, a joint optimization process for performing the user association and resource allocation while being cognizant of heterogeneous application requirements, has been performed. We capture the peculiarities of this important mobility management process through the various constraints, such as backhaul requirements, dual connectivity options, available access resources, minimum rate requirements, etc., that we have imposed on a Mixed Integer Linear Program (MILP). The objective function of this established MILP problem is to maximize the total network throughput of the eMBB users, while satisfying the minimum requirements of the mMTC and eMBB users defined in a given scenario. Through numerical evaluations we show that our approach outperforms the baseline user association scenario significantly. Moreover, we have presented a system fairness analysis, as well as a novel fidelity and computational complexity analysis for the same, which express the utility of our methodology given the myriad network scenarios.Muchos mecanismos que sirvieron en las redes actuales, se están identificando como extremadamente subóptimos para las redes 5G. Esto es debido a la mayor complejidad de las redes 5G. Un tipo de mecanismo importante para cualquier estándar inalámbrico, consiste en el mecanismo de gestión de la movilidad (MM). Los mecanismos MM aseguran la conectividad sin interrupciones y la continuidad del servicio para un usuario cuando éste se aleja de la ubicación geográfica donde inicialmente se conectó a la red. En esta tesis, presentamos, en primer lugar, un estado del arte detallado de los mecanismos MM. Bas ándonos en los requisitos de 5G, así como en las discusiones iniciales sobre las redes Beyond 5G, proporcionamos un análisis de las tecnologías/soluciones actuales para satisfacer los requisitos presentados. También definimos los desafíos persistentes que existen con respecto a los mecanismos MM para redes 5G y Beyond 5G. En base a estos desafíos, definimos las posibles soluciones y un marco novedoso para los mecanismos 5G y Beyond 5G de MM. Este marco especifica un conjunto de mecanismos MM a nivel de red acceso, red del núcleo y extremo de la red (usuarios/dispositivos), que ayudarán a satisfacer los requisitos para los mecanismos MM 5G y posteriores. A continuación, presentamos el concepto de servicio bajo demanda MM. Tal característica proporciona la confiabilidad, escalabilidad y flexibilidad necesarias para los mecanismos MM. Su objetivo es garantizar que se definan los recursos y contextos de movilidad adecuados para los usuarios que tendrán perfiles de movilidad heterogéneos, y requisitos de QoS versátiles en una red multi-RAT. Más adelante, abordamos el problema de la señalización de la red troncal que ocurre durante la gestión de la movilidad en redes 5G/4G. Se ha desarrollado un nuevo mecanismo de señalización de handover, que elimina los intercambios de mensajes innecesarios durante la fase de preparación del handover, al tiempo que permite la transición a futuras arquitecturas de red softwarizada. Utilizamos los datos de operadores y consideramos un despliegue de red realista para realizar un análisis comparativo de la estrategia propuesta y la estrategia de señalización de 3GPP. Mostramos los beneficios de nuestra estrategia en términos de latencia del proceso de handover y los costes de transmisión y procesado. Por último, se ha propuesto una nueva asociación de usuarios y una metodología de asignación de recursos, i.e, AURA-5G. AURA-5G aborda escenarios en los que las aplicaciones con requisitos heterogéneos, i.e., enhanced Mobile Broadband (eMBB) y massive Machine Type Communications (mMTC), están presentes simultáneamente. En consecuencia, se ha llevado a cabo un proceso de optimización conjunta para realizar la asociación de usuarios y la asignación de recursos mientras se tienen en cuenta los requisitos de aplicaciónes heterogéneas. Capturamos las peculiaridades de este importante proceso de gestión de la movilidad a través de las diversas restricciones impuestas, como son los requisitos de backhaul, las opciones de conectividad dual, los recursos de la red de acceso disponibles, los requisitos de velocidad mínima, etc., que hemos introducido en un Mixed Integer Linear Program (MILP). La función objetivo de este problema MILP es maximizar el rendimiento total de la red de los usuarios de eMBB, y a la vez satisfacer los requisitos mínimos de los usuarios de mMTC y eMBB definidos en un escenario dado. A través de evaluaciones numéricas, mostramos que nuestro enfoque supera significativamente el escenario de asociación de usuarios de referencia. Además, hemos presentado un análisis de la justicia del sistema, así como un novedoso análisis de fidelidad y complejidad computacional para el mismo, que expresa la utilidad de nuestra metodología.Postprint (published version