Evaluation of frameworks for creating end-to-end mobile services with OMA MMS as a use case

Masteroppgave i informasjons- og kommunikasjonsteknologi 2005 - Høgskolen i Agder, GrimstadSeveral frameworks are available in 3GPP networks to create mobile services, such as the Open Service Access (OSA) Application Programming Interface (API) and the native Session Initiation Protocol (SIP). Each of these frameworks has their own advantages and disadvantages. Therefore it is important for a service to use a framework which suits its own requirements as best as possible. In this thesis we have defined a use case, TMMS Service. This use case has been designed for four frameworks selected, which are: GPRS, IMS, OSA API and OSA Parlay X Web Services. We have then evaluated the design of these services against a set of evaluation criteria. The evaluation criteria cover security, usability, modifiability, reliability, interoperability and billability. Our evaluation has proved that none of the frameworks are superior in all areas. The best framework overall is IMS which provides a lot of end-to-end features and is also very extensible. One of the biggest disadvantages with IMS is the current lack of a specific set of documentation for application developers

Context-based Resource Management and Slicing for SDN-enabled 5G Smart, Connected Environments

Τα συστήματα κινητής επικοινωνίας πέμπτης γενιάς (5G) τα οποία αναμένονται τα αμέσως επόμενα χρόνια, θα αντιμετωπίσουν πρωτοφανείς απαιτήσεις όσον αφορά τον όγκο και το ρυθμό μεταδόσης δεδομένων, τις καθυστερήσεις του δικτύου, καθώς και τον αριθμό των συνδεδεμένων συσκευών. Τα μελλοντικά δικτυακά οικοσυστήματα θα περιλαμβάνουν μια πληθώρα τεχνολογιών ασύρματης επικοινωνίας (είτε τεχνολογιών 3GPP, είτε μη-3GPP) όπως το Wi-Fi, το 3G, το 4G ή LTE, το Bluetooth, κτλ. Τα σενάρια ανάπτυξης του 5G προβλέπουν έναν πολυεπίπεδο συνδυασμό μακρο- και μικρο-κυψελών, όπου πολυλειτουργικές συσκευές –οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν ποικιλία διαφορετικών εφαρμογών και υπηρεσιών- εξυπηρετούνται από διαφορετικές τεχνολογίες. Οι περιορισμοί που υπήρξαν στα παλιότερα συστήματα κινητών επικοινωνιών πρέπει να εξαλειφθούν, ανοίγοντας το δρόμο για ένα νέο κύμα υπηρεσιών και συνολική εμπειρία χρήστη. Ως εκ τούτου, η διαχείριση των ασύρματων πόρων μέσω της χαρτογράφησης και διανομής τους στις κινητές συσκευές, μέσω της πλέον κατάλληλης τεχνολογίας πρόσβασης, η οποία εξυπηρετεί τις ανάγκες των συγκεκριμένων υπηρεσιών/εφαρμογών αποκτά πρωταρχική σημασία. Οι κύριοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων δικτύου πρόσβασης δηλαδή η επιλογή κυψέλης (cell selection/reselection), η παράδοση υπηρεσίας από τη μία κυψέλη στην άλλη (handover), καθώς και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών (call/service admission control), είναι αυτοί που τελικώς θα μπορέσουν να προσφέρουν στους χρήστες εξαιρετικά υψηλή ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service - QoS) και εμπειρίας (Quality of Experience - QoE) προς τις πολύ απαιτητικές περιπτώσεις χρήσης του 5G. Αυτό θα γίνει εφικτό μέσω της βελτιστοποίησης του συσχετισμού-χαρτογράφησης μεταξύ των διαφορετικών (τελικών) κινητών συσκευών και των συνυπαρχόντων ασύρματων δικτύων πρόσβασης. Επιπλέον της οπτικής του χρήστη, οι Πάροχοι Δικτύων Κινητής θα είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν τη μέγιστη αποδοτικότητα και χρήση των –ήδη δυσεύρετων- ασύρματων πόρων. Ευφυείς βελτιστοποιήσεις και αποδοτικές λύσεις όσον αφορά το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας πρέπει επίσης να εισαχθούν στα δίκτυα 5ης γενιάς με σκοπό να προάγουν ένα συνεκτικό, στοχευμένο στο χρήστη και πολυδιάστατο οικοσύστημα πληροφοριών. Η παρούσα διατριβή αυτή εστιάζει στη Διαχείριση Ασύρματων Δικτυακών Πόρων (ΔΑΔΠ - RRM) από την οπτική των κύριων διαδικασιών που σχετίζονται με την επιλογή ασύρματης τεχνολογίας πρόσβασης και στρώματος κυψέλης (μικρο-, μάκρο κυψέλη, κτλ.), δηλαδή η επιλογή κυψέλης, η παράδοση υπηρεσίας και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών. Έπειτα, η διατριβή προχωρά ένα βήμα παραπέρα, με σκοπό να συνδέσει τη ΔΑΔΠ με μία από τις πιο πρόσφατες προσεγγίσεις διαχείρισης δικτυακών πόρων, δηλαδή τον «τεμαχισμό δικτύου» (network slicing), όπως αυτή εισάγεται σε περιβάλλοντα που χρησιμοποιούν τη μέθοδος της Δικτύωσης Βασισμένης στο Λογισμικό (Software Defined Networking), η οποία δημιουργεί μικρότερα, εικονικά τμήματα του δικτύου, προσαρμοσμένα και βελτιστοποιημένα για συκεκριμένες υπηρεσίες και αντίστοιχες απαιτήσεις. Σαν πρώτο βήμα, πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση για τις υπάρχουσες λύσεις – όπως αυτές προδιαγράφονται στα πρότυπα της 3GPP, στη βιβλιογραφία, καθώς και τις σχετικές πατέντες-. Η διατριβή αυτή αρχικά εντοπίζει τους δεσμούς μεταξύ των προσπαθειών της ερευνητικής κοινότητας, των υλοποιήσεων της βιομηχανίας, καθώς και των δράσεων προτυποποίησης, σε μια προσπάθεια να επισημανθούν ρεαλιστικές λύσεις εφαρμογής, να προσδιοριστούν οι κύριοι στόχοι, τα πλεονεκτήματα, αλλά και οι ελλείψεις αυτών των προσπαθειών. Όπως θα δειχθεί, οι υπάρχουσες λύσεις προσπαθούν να εξισορροπήσουν σε ένα σημείο μεταξύ της βέλτιστης λύσης και μιας απλής υλοποίησης. Έτσι, οι λύσεις που έχουν προταθεί είτε είναι απλοποιημένες σε τέτοιο βαθμό που απομακρύνονται από μια ρεαλιστική πρόταση, και επιτυγχάνουν υπο-βέλτιστες λύσεις ή από την άλλη παρέχουν πολύ σημαντικές βελτιώσεις, αλλά η πολυπλοκότητά τους και η επιβάρυνση που επιβάλλουν στο δίκτυο (όσον αφορά για παράδειγμα κόστος σηματοδοσίας, ή επεξεργαστικής ισχύος) τις καθιστούν ελκυστικές για μια πραγματική ανάπτυξη. Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή εισαγωγή ένα σύνολο μηχανισμών επίγνωσης πλαισίου για τη διαχείριση δικτυακών πόρων, που αποτελείται από τρεις επιμέρους μηχανισμούς με διακριτό ρόλο: Δύο από τους μηχανισμούς χρησιμοποιούν πληροφορία πλαισίου με σκοπό τη βελτίωση τη διαχείριση πόρων και και τη χαρτογράφηση μεταξύ ροών δεδομένων κινητών συσκευών και κυψέλης/τεχνολογίας δικτύου. Ο τρίτος μηχανισμός δρα με έναν ενισχυτικό ρόλο στους δύο προηγούμενους, μέσω μιας προ-επεξεργασίας που πραγματοποιεί πάνω σε πληροφορία πλαισίου, με σκοπό τον περιορισμό του κόστους της επιπλέον σηματοδοσίας που απαιτείται για την μεταφορά της πληροφορίας πλαισίου μεταξύ των διαφόρων ενδιαφερόμενων δικτυακών οντοτήτων. Εκτός από τους τρεις μηχανισμούς αυτούς, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μελέτες σε σχέση με αρχιτεκτονικά ζητήματα και πτυχές, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και χαρτογράφηση των προτεινόμενων μηχανισμών στα συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G -όπως αυτά εισήχθησαν στα τελευταίο κείμενα προτυποποίησης της 3GPP-. Η πρώτη κύρια συμβολή της παρούσας διατριβής είναι το COmpAsS, ένας μηχανισμός επιλογής Τεχνολογίας Ασύρματης Πρόσβασης πολλαπλών κριτηρίων, με γνώμονα το περιβάλλον, το κύριο μέρος του οποίου λειτουργεί στην πλευρά του Εξοπλισμού Χρήστη (UE), ελαχιστοποιώντας με αυτό τον τρόπο τις επιβαρύνσεις σηματοδότησης στη διεπαφή αέρα και το φορτίο υπολογισμού στους σταθμούς βάσης. Ο μηχανισμός COmpAsS εκτελεί παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, υιοθετώντας την Ασαφή Λογική (Fuzzy Logic -FL) ως μία από τις βασικές προσεγγίσεις αντίληψης και ανάλυσης της κατάστασης του δικτύου. Σε συνδυασμό με ένα σύνολο προκαθορισμένων κανόνων, υπολογίζει μια λίστα με τις καταλληλότερες διαθέσιμες επιλογές πρόσβασης δικτύου, για κάθε μία από τις ροές δεδομένων/υπηρεσίας που είναι ενεργές εκείνη τη στιγμή. Τα πλεονεκτήματα του COmpAsS παρουσιάζονται μέσω μιας εκτεταμένης σειράς σεναρίων προσομοίωσης, ως μέρος των περιπτώσεων χρήσης εξαιρετικά πυκνών δικτύων (UDN) 5G. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν τον τρόπο με τον οποίο ο προτεινόμενος μηχανισμός βελτιστοποιεί τους βασικούς δείκτες επιδόσεων (Key Performance Indicators - KPIs), όταν αντιπαρατίθεται σε έναν από τους καθιερωμένους LTE αλγορίθμους. Η δεύτερη σημαντική συμβολή της παρούσας διατριβής είναι η Μηχανή Εξόρυξης Πλαισίου και Δημιουργίας Προφίλ (Context Extraction and Profiling Engine – CEPE), ένας μηχανισμός διαχείρισης πόρων, ο οποίος αναλύει συμπεριφορικά πρότυπα των χρηστών/κινητών συσκευών, εξάγει ουσιώδη γνώση και δημιουργεί αντίστοιχα προφίλ/πρότυπα συμπεριφοράς, με σκοπό να τα χρησιμοποιήσει για βέλτιστο προγραμματισμό πόρων, καθώς επίσης και για την μελλοντική πρόβλεψη απαιτήσεων πόρων. Το CEPE συλλέγει πληροφορίες σχετικά με τους χρήστες, τις υπηρεσίες, τις κινητές συσκευές, καθώς και τις συνθήκες δικτύου, και μέσω επεξεργασίας -χωρίς σύνδεση, ετεροχρονισμένα- αποκτά ένα μοντέλο γνώσης, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση των κύριων μηχανισμών ΔΑΔΠ (RRM). Το προαναφερθέν μοντέλο γνώσης μεταφράζεται έπειτα σε προφίλ χρηστών/κινητών συσκευών, τα οποία εφαρμόζονται ως είσοδος κατά τις διαδικασίες ΔΑΔΠ. Η βιωσιμότητα και η εγκυρότητα του CEPE επιδεικνύεται μέσω εκτεταμένων σεναρίων προσομοίωσης. Η τρίτη σημαντική συμβολή είναι το CIP (Context Information Preprocessor), ένας μηχανισμός προεπεξεργασίας πληροφοριών πλαισίου, με στόχο τον εντοπισμό και την απόρριψη περιττών δεδομένων κατά τη σηματοδοσία πριν από την εξαγωγή της γνώσης. Το CIP θα μπορούσε να θεωρηθεί ως αναπόσπαστο μέρος των προαναφερθέντων σχημάτων σχεδίασης, δηλαδή των COmpAsS και CEPE. Ο προτεινόμενος μηχανισμός περιλαμβάνει τη συγκέντρωση και συμπίεση πληροφοριών πλαισίου σχετικά με το δίκτυο ανά μοναδικό αναγνωριστικό κινητής συσκευής/χρήστη, -όπως η διεθνής ταυτότητα συνδρομητή κινητού (IMSI)-, καθώς και τεχνικές που σχετίζονται με την αναγνώριση και την απόρριψη δεδομένων πλαισίου που δε συμβάλλουν στην βελτίωση ή διόρθωση του πρόφιλ χρήστη, πριν από οποιαδήποτε μετάδοση προς το CEPE (ή άλλο μηχανισμό ΔΑΔΠ). Οι βελτιώσεις και τα κέρδη του CIP στη διαδικασία της σηματοδοσίας απεικονίζονται μέσω λεπτομερούς αναλυτικής προσέγγισης, η οποία καθορίζεται από τις καθιερωμένες απαιτήσεις περί χρήσης 5G. Ως τελική σημαντική συμβολή αυτής της διατριβής, διεξάγεται μια εκτεταμένη ανάλυση όσον αφορά τη διασύνδεση των CEPE-COmpAsS, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και της χαρτογράφησης αυτών με τα τελευταία συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G –όπως αυτά παρουσιάστηκαν στις τελευταίες δημοσιεύσεις προτυποποίησης της 3GPP -. Το έργο σε αυτή την ενότητα δείχνει πώς μπορεί να παρουσιαστεί το προτεινόμενο πλαίσιο ως μέρος των συνιστωσών του δικτύου 5G και των λειτουργιών που εισάγονται σε περιβάλλοντα με δυνατότητα SDN, όπως η προσέγγιση του «Τεμαχισμού Δικτύου», ο Μηχανισμός Ανάλυσης Δικτυακών Δεδομένων (Network Data Analytics Function – NWDAF), η λειτουργία επιλογής βέλτιστου τεμαχίου δικτύου (Network Slice Selection Function) - προς περαιτέρω βελτιστοποίηση της διανομής και της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων δικτύου μεταξύ των συσκευών-, καθώς και το ATSSS – Access Traffic Steering, Switching and Splitting, μια οντότητα υπεύθυνη για τη διαχείριση των ροών δεδομένων των UE –με δυνατότητες επαναδρομολόγησης, διαχωρισμού και σύνδεσης της κάθε ροής με την αντίστοιχη βέλτιστη, διαθέσιμη τεχνολογία πρόσβασης. Δύο συμπληρωματικές μελέτες περιλαμβάνονται –τέλος- σε αυτή τη διατριβή: μια αρχική ανάλυση των πολιτικών μηχανικής κυκλοφορίας (Traffic Engineering) που βασίζονται σε προφίλ χρηστών που προκύπτουν από το CEPE, καθώς και μία περίπτωση χρήσης 5G που σχετίζεται με τον τομέα του Διαδικτύου των Πραγμάτων - και πιο συγκεκριμένα την «Καλλιέργεια Ακριβείας» (Precision Farming), με σκοπό να δοθεί έμφαση σε ρητές απαιτήσεις των περιπτώσεων χρήσης 5G, όπως η επικοινωνία τύπου μηχανής κρίσιμης σημασίας (Mission-Critical Machine Type Communication).The fifth-generation (5G) mobile communication systems, which are expected to emerge in the forthcoming years, will address unprecedented demands in terms of system capacity, service latency and number of connected devices. Future 5G network ecosystems will comprise a plethora of 3GPP and non-3GGP Radio Access Technologies (RATs), such as Wi-Fi, 3G, 4G or LTE, Bluetooth, etc. Deployment scenarios envision a multi-layer combination of macro, micro and femto cells where multi-mode end devices, supporting diverse applications, are served by different technologies. Limitations previously posed by legacy generation systems need to be eliminated, paving the way to a new wave of services and overall experience for the user. As a result, the management of radio resources via mapping the end devices to the most appropriate access network becomes of paramount importance; the primary Radio Resource Management (RRM) mechanisms, i.e. cell selection/reselection, handover and call admission control will be able to offer extremely high Quality of Service (QoS) and Experience (QoE) to the users, towards the very demanding 5G use case requirements; this will be realised via an optimal association between the diverse end devices and the coexisting available access networks. Besides the user’s perspective, the Mobile Network Operators (MNOs) will be able to take advantage of the maximum efficiency and utilization over the –already scarce- wireless resources. Intelligent optimizations, as well as cost and energy efficient solutions need to be introduced in 5G networks in order to promote a consistent, user-centred and all-dimensional information ecosystem. This thesis focuses on the radio resource management (RRM) from the perspective of the primary RAT and cell layer selection processes (i.e., cell (re)selection, handover, admission control); afterwards, it goes one step beyond, in order to link the RRM with one of the latest RRM optimization approaches, i.e. the Network Slicing, as introduced in Software Defined Networking (SDN)-enabled environments, which creates smaller, virtual “portions” of the network, adapted and optimized for specific services/requirements. As a first step, a comprehensive analysis for the existing solutions -as these are specified in 3GPP standards, research papers, and patents has taken place. This thesis initially identifies the links between the research community efforts, the industry implementations, as well as the standardization efforts, in an attempt to highlight realistic solution implementations, identify the main goals, advantages and shortcomings of these efforts. As will be shown, existing solutions attempt to balance between implementation simplicity and solution optimality. Thus, solutions are either simple to implement but achieve sub-optimal solutions or provide significant improvements but their complexity and the burden placed on the network components renders them unattractive for a real-life deployment. Towards this end, this thesis introduces a context-based radio resource management (RRM) framework, comprised of three distinct mechanisms: Two out of the three mechanisms exploit contextual information with the aim of optimising the resource management and UE-RAT mapping, while the third mechanism acts with an augmenting role to the former two, by pre-processing the contextual information required by such, context-based mechanisms and –thus- by limiting the signalling cost required for communicating this contextual information among network entities. In addition to the three mechanisms, comprehensive analysis has taken place in relation to architectural aspects, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The first major contribution of this thesis is COmpAsS, a context-aware, multi-criteria RAT selection mechanism, the main part of which operates on the User Equipment (UE) side, minimizing signalling overhead over the air interface and computation load on the base stations. COmpAsS mechanism performs real-time monitoring and adopts Fuzzy Logic (FL) as one the core logic modules, responsible for the perception of the network situation and, in combination with a set of pre-defined rules, calculates a list of the most suitable available access network options. The merits of COmpAsS are showcased via an extensive series of simulation scenarios, as part of 5G ultra dense networks (UDN) use cases. The results prove how the proposed mechanism optimises Key Performance Indicators (KPIs), when juxtaposed to a well-established LTE handover algorithm. The second major contribution of the current thesis the Context Extraction and Profiling Engine (CEPE), a resource management framework, which analyzes user behavioral patterns, extracts meaningful knowledge and performs user profiling in order to apply it for optimal resource planning, as well as prediction of resource requirements. CEPE collects information about users, services, terminals and network conditions and –based on offline processing– derives a knowledge model, which is subsequently used for the optimization of the primary RRM mechanisms. Then, the extracted context information is translated into user profiles and is finally applied as input for enhanced cell (re)selection, handover or admission control. The viability and validity of CEPE is demonstrated via an extensive set of simulation scenarios. The third major contribution is CIP, a Context Information Pre-processing scheme, aiming to identify and discard redundant or unnecessary data during network signalling and before knowledge extraction. CIP could be considered as an integral part of the afore described profiling schemes, i.e. COmpAsS and CEPE. The module comprises aggregating and compressing mobile network-related context information per unique identifier, such as the end device’s International Mobile Subscriber Identity (IMSI), as well as techniques related to identifying and discarding user profile-redundant or unnecessary context data, before any transmission to CEPE. CIP gains are illustrated via a detailed analytical approach, guided by well-established 5G use case requirements. As a final major contribution of this thesis, a comprehensive analysis takes place with regard to the CEPE-COmpAsS interworking, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The work in this section shows how the proposed framework can be instantiated as part of the 5G network components and functions introduced in SDN-enabled environments, such as the Network Slicing approach, the Network Data Analytics and the Network Slice Selection Functions, towards further optimising the distribution and management of the available infrastructure and network resources among the UEs, as well as the Access Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS), responsible for managing the UE data flows and mapping each single UE flow with the optimal available access technology.. Two supplementary studies are finally included in this dissertation: a preliminary analysis on traffic engineering policies based on user profiling realised by CEPE, as well as a 5G use case related to the Internet of Things domain -and more specifically, Precision Farming-, aiming to highlight explicit requirements such as mission-critical machine type communication

Context-awareness for ubiquitous media service delivery in next generation networks

Les récentes avancées technologiques permettent désormais la fabrication de terminaux mobiles de plus en plus compacts et dotés de plusieurs interfaces réseaux. Le nouveau modèle de consommation de médias se résume par le concept "Anytime, Anywhere, Any Device" et impose donc de nouvelles exigences en termes de déploiement de services ubiquitaires. Cependant la conception et le developpement de réseaux ubiquitaires et convergents de nouvelles générations soulèvent un certain nombre de défis techniques. Les standards actuels ainsi que les solutions commerciales pourraient être affectés par le manque de considération du contexte utilisateur. Le ressenti de l'utilisateur concernant certains services multimédia tels que la VoIP et l'IPTV dépend fortement des capacités du terminal et des conditions du réseau d'accès. Cela incite les réseaux de nouvelles générations à fournir des services ubiquitaires adaptés à l'environnement de l'utilisateur optimisant par la même occasion ses resources. L'IP Multimedia Subsystem (IMS) est une architecture de nouvelle génération qui centralise l'accès aux services et permet la convergence des réseaux fixe/mobile. Néanmoins, l'évolution de l'IMS est nécessaire sur les points suivants :- l'introduction de la sensibilité au contexte utilisateur et de la PQoS (Perceived QoS) : L'architecture IMS ne prend pas en compte l'environnement de l'utilisateur, ses préférences et ne dispose pas d'un méchanisme de gestion de PQOS. Pour s'assurer de la qualité fournit à l'utilisateur final, des informations sur l'environnement de l'utilisateur ainsi que ses préférences doivent transiter en cœur de réseau afin d'y être analysés. Ce traitement aboutit au lancement du service qui sera adapté et optimisé aux conditions observées. De plus pour le service d'IPTV, les caractéristiques spatio-temporelles de la vidéo influent de manière importante sur la PQoS observée côté utilisateur. L'adaptation des services multimédias en fonction de l'évolution du contexte utilisateur et de la nature de la vidéo diffusée assure une qualité d'expérience à l'utilisateur et optimise par la même occasion l'utilisation des ressources en cœur de réseau.- une solution de mobilité efficace pour les services conversationnels tels que la VoIP : Les dernières publications 3GPP fournissent deux solutions de mobilité: le LTE proposeMIP comme solution de mobilité alors que l'IMS définit une mobilité basée sur le protocoleapplicatif SIP. Ces standards définissent le système de signalisation mais ne s'avancent pas sur la gestion du flux média lors du changement d'interface réseau. La deuxième section introduit une étude comparative détaillée des solutions de mobilité dans les NGNs.Notre première contribution est la spécification de l'architecture globale de notre plateforme IMS sensible au contexte utilisateur réalisée au sein du projet Européen ADAMANTIUM. Nous détaillons tout d'abord le serveur MCMS intelligent placé dans la couche application de l'IMS. Cet élément récolte les informations de qualité de services à différents équipements réseaux et prend la décision d'une action sur l'un de ces équipements. Ensuite nous définissons un profil utilisateur permettant de décrire son environnement et de le diffuser en coeur de réseau. Une étude sur la prédiction de satisfaction utilisateur en fonction des paramètres spatio-temporels de la vidéo a été réalisée afin de connaître le débit idéal pour une PQoS désirée.Notre deuxième contribution est l'introduction d'une solution de mobilité adaptée aux services conversationnels (VoIP) tenant compte du contexte utilisateur. Notre solution s'intègre à l'architecture IMS existante de façon transparente et permet de réduire le temps de latence du handover. Notre solution duplique les paquets de VoIP sur les deux interfaces actives pendant le temps de la transition. Parallèlement, un nouvel algorithme de gestion de mémoire tampon améliore la qualité d'expérience pour le service de VoIP.The latest advances in technology have already defied Moore s law. Thanks to research and industry, hand-held devices are composed of high processing embedded systems enabling the consumption of high quality services. Furthermore, recent trends in communication drive users to consume media Anytime, Anywhere on Any Device via multiple wired and wireless network interfaces. This creates new demands for ubiquitous and high quality service provision management. However, defining and developing the next generation of ubiquitous and converged networks raise a number of challenges. Currently, telecommunication standards do not consider context-awareness aspects for network management and service provisioning. The experience felt by the end-user consuming for instance Voice over IP (VoIP) or Internet Protocol TeleVision (IPTV) services varies depending mainly on user preferences, device context and network resources. It is commonly held that Next Generation Network (NGN) should deliver personalized and effective ubiquitous services to the end user s Mobile Node (MN) while optimizing the network resources at the network operator side. IP Multimedia Subsystem (IMS) is a standardized NGN framework that unifies service access and allows fixed/mobile network convergence. Nevertheless IMS technology still suffers from a number of confining factors that are addressed in this thesis; amongst them are two main issues :The lack of context-awareness and Perceived-QoS (PQoS):-The existing IMS infrastructure does not take into account the environment of the user ,his preferences , and does not provide any PQoS aware management mechanism within its service provisioning control system. In order to ensure that the service satisfies the consumer, this information need to be sent to the core network for analysis. In order to maximize the end-user satisfaction while optimizing network resources, the combination of a user-centric network management and adaptive services according to the user s environment and network conditions are considered. Moreover, video content dynamics are also considered as they significantly impact on the deduced perceptual quality of IPTV services. -The lack of efficient mobility mechanism for conversational services like VoIP :The latest releases of Third Generation Partnership Project (3GPP) provide two types of mobility solutions. Long-Term Evolution (LTE) uses Mobile IP (MIP) and IMS uses Session Initiation Protocol (SIP) mobility. These standards are focusing on signaling but none of them define how the media should be scheduled in multi-homed devices. The second section introduces a detailed study of existing mobility solutions in NGNs. Our first contribution is the specification of the global context-aware IMS architecture proposed within the European project ADAptative Management of mediA distributioN based on saTisfaction orIented User Modeling (ADAMANTIUM). We introduce the innovative Multimedia Content Management System (MCMS) located in the application layer of IMS. This server combines the collected monitoring information from different network equipments with the data of the user profile and takes adaptation actions if necessary. Then, we introduce the User Profile (UP) management within the User Equipment (UE) describing the end-user s context and facilitating the diffusion of the end-user environment towards the IMS core network. In order to optimize the network usage, a PQoS prediction mechanism gives the optimal video bit-rate according to the video content dynamics. Our second contribution in this thesis is an efficient mobility solution for VoIP service within IMS using and taking advantage of user context. Our solution uses packet duplication on both active interfaces during handover process. In order to leverage this mechanism, a new jitter buffer algorithm is proposed at MN side to improve the user s quality of experience. Furthermore, our mobility solution integrates easily to the existing IMS platform.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Recent Advances in Wireless Communications and Networks

This book focuses on the current hottest issues from the lowest layers to the upper layers of wireless communication networks and provides "real-time" research progress on these issues. The authors have made every effort to systematically organize the information on these topics to make it easily accessible to readers of any level. This book also maintains the balance between current research results and their theoretical support. In this book, a variety of novel techniques in wireless communications and networks are investigated. The authors attempt to present these topics in detail. Insightful and reader-friendly descriptions are presented to nourish readers of any level, from practicing and knowledgeable communication engineers to beginning or professional researchers. All interested readers can easily find noteworthy materials in much greater detail than in previous publications and in the references cited in these chapters

QoE estimation for Adaptive Video Streaming over LTE Networks

Η 4η γενιά (4G) κινητών επικοινωνιών, στην οποία ανήκει το σύστημα Long Term Evolution (LTE), παρέχει ευρυζωνική πρόσβαση σε κινητές συσκευές με ποιότητα και ταχύτητα που αγγίζουν τις ενσύρματες επικοινωνίες. Παρόλ’αυτά, η κινητικότητα εκ φύσεως εισάγει αστοχίες/διακυμάνσεις στην ασύρματη διεπαφή, γενόντας έτσι την ανάγκη για αντίστοιχη προσαρμογή της ροής μετάδοσης των δεδομένων. Η ανάγκη αυτή είναι ακόμη πιο έκδηλη για τις ροές δεδομένων βίντεο, που έχουν και τη μερίδα του λέοντος στην διαδικτυακή κίνηση. Καθώς, λοιπόν, η ροή βίντεο μέσω ΗΤΤΡ έχει γίνει ο κανόνας στη διανομήπεριεχομένου, η εφαρμογή ενός πρωτοκόλλου προσαρμογής βασισμένου στο HTTP είναι αναπόφευκτη. Το DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) επιτρέπει μια ομαλή, αδιάκοπη ροή video εφαρμόζοντας αλγόριθμους προσαρμογής του bitrate στη μεριά του χρήστη αξιοποιώντας πλήρως την υπάρχουσα υποδομή. Έχοντας ως στόχο να τελειοποιήσουν την ποιότητα την οποία προσφέρει στους χρήστες το δίκτυο, οι ερευνητές συνεχώς αναπτύσσουν νέες φόρμουλες για την εκτίμηση της ποιότητας εμπειρίας του τελικού χρήστη, γνωστής υπο τον όρο Quality of Experience (QoE). Η παρούσα πτυχιακή αντιπροσωπεύει την προσπάθεια συγκερασμού των τριών ακόλουθων πυλώνων: της υποκείμενης υποδομής, του ελέγχου της ποιότητας υπηρεσίας με τη χρήση αλγορίθμων προσαρμογής και του επαναπροσδιορισμού του συστήματος με ανάλυση της ποιότητας και ανατροφοδότηση. Ανοίγει τη συζήτηση για τη χρήση προσαρμοζόμενης ροής μετάδοσης πάνω απο δίκτυα LTE και στοχεύει όχι μόνο να προσφέρει μια βαθιά βιβλιογραφική προσέγγιση των επιμέρους, αλλά και να περιγράψει πώς συνδέονται, πώς επικαλύπτονται, ή πώς αλληλεπιδρούν. Περιγράφει τα σημαντικότερα σύγχρονα μοντέλα μέτρησης QoE και πώς αυτά χρησιμεύουν στην αντικειμενική εκτίμηση της ποιότητας. Βασική συνεισφορά της εργασίας, είναι η ανάπτυξη μιάς πλήρης εκτελέσιμης οντότητας (module) για τον προσομοιωτή NS-3 συνδυάζοντας όλες τις έννοιες που αναφέρονται παραπάνω.Ο αναγνώστης μπορεί να βρεί ενα τυπικό παράδειγμα εκτέλεσης της εν λόγω οντότητας, με την συνοδεία μιας βήμα-βήμα εξήγησής του και και κάποιων διαγραμμάτων με αποτελέσματα. Το NS3 module αναπτύχθηκε με την ελπίδα να φανεί χρήσιμο σε κάθε ερευνητή τηλεπικοινωνιών που ασχολείται με θέματα παροχής ποιότητας εμπειρίας και αναζητά ένα εργαλείο προσομειώσεων.The ability to address an increasing need for mobility in work and entertainment has rendered LTE networks critically essential to our everyday environments. The promising 4th Generation (4G) of Long Term Evolution (LTE) provides ubiquitous broadband access to mobile devices matching land communications in speed and quality. However, the nature of mobility introduces a need for adaptivity in multimedia streaming, the largest part of mobile Internet traffic. As HTTP video streaming has become the de facto dominating solution to distribute media content, the implementation of an HTTP-based adaptive streaming protocol is inevitable. Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) allows for smooth, uninterrupted video streaming by implementing bitrate adaptation algorithms on the client side, with complete utilization of the existing network infrastructure. In order to perfect the current quality served by the network, network researchers constantly develop new metrics to assess the end-user’s Quality of Experience. This thesis represents an attempt to join these three pillars of mobile video streaming: the underlying infrastructure, the over-the-top algorithmic quality control, and the follow-up feedback measurement. It opens a discussion about the use of adaptive streaming in LTE networks, and aims to offer not only a deep down bibliographic approach of each individual concept, but also describe where they overlap, how they connect and interact with each other. It depicts the most important contemporary QoE models and metrics, explains their formulas, and outlines their uses as key performance indicators in objective quality estimation. Furthermore, within this work, we provide a complete, expandable NS-3 model combining all the concepts discussed. An HTTP Server-Client model within the LTE network architecture, with implemented adaptive streaming functionality. The tool was developed in the hope of becoming useful to any telecommunications researcher, supporting their research and introducing them to the NS-3 simulator. In the end, we present a typical execution of our example with a step by step explanation, followed by the plotting of some of the results using a C++ script we developed

Optimisation of Traffic Steering for Heterogeneous Mobile Networks

Mobile networks have changed from circuit switched to IP-based mobile wireless packet switched networks. This paradigm shift led to new possibilities and challenges. The development of new capabilities based on IP-based networks is ongoing and raises new problems that have to be tackled, for example, the heterogeneity of current radio access networks and the wide range of data rates, coupled with user requirements and behaviour. A typical example of this shift is the nature of traffic, which is currently mostly data-based; further, forecasts based on market and usage trends indicate a data traffic increase of nearly 11 times between 2013 and 2018. The majority of this data traffic is predicted to be multimedia traffic, such as video streaming and live video streaming combined with voice traffic, all prone to delay, jitter, and packet loss and demanding high data rates and a high Quality of Service (QoS) to enable the provision of valuable service to the end-user. While the demands on the network are increasing, the end-user devices become more mobile and end-user demand for the capability of being always on, anytime and anywhere. The combination of end-user devices mobility, the required services, and the significant traffic loads generated by all the end-users leads to a pressing demand for adequate measures to enable the fulfilment of these requirements. The aim of this research is to propose an architecture which provides smart, intelligent and per end-user device individualised traffic steering for heterogeneous mobile networks to cope with the traffic volume and to fulfil the new requirements on QoS, mobility, and real-time capabilities. The proposed architecture provides traffic steering mechanisms based on individual context data per end-user device enabling the generation of individual commands and recommendations. In order to provide valuable services for the end-user, the commands and recommendations are distributed to the end-user devices in real-time. The proposed architecture does not require any proprietary protocols to facilitate its integration into the existing network infrastructure of a mobile network operator. The proposed architecture has been evaluated through a number of use cases. A proof-of-concept of the proposed architecture, including its core functionality, was implemented using the ns-3 network simulator. The simulation results have shown that the proposed architecture achieves improvements for traffic steering including traffic offload and handover. Further use cases have demonstrated that it is possible to achieve benefits in multiple other areas, such as for example improving the energy efficiency, improving frequency interference management, and providing additional or more accurate data to 3rd party to improve their services