Network-initiated Handover Based on IEEE 802.21 Framework for QoS Service Continuity in UMTS/802.16e Networks

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Gestion de la Mobilité, de la Qualité de Service et Interconnexion de Réseaux Mobiles de Nouvelle Génération

Avec l’évolution rapide des technologies réseaux et télécoms radios mobiles, les chercheurs sont actuellement en train de préparer l’arrivée d’une nouvelle génération baptisée 4G. Le réseau de 4ème génération qui est encore l’objet de travaux de recherche vise à améliorer l’efficacité spectrale et à augmenter la capacité de gestion du nombre des mobiles dans une même cellule. Il tend à offrir des débits élevés en situation de mobilité à grande ou faible vitesse. Il vise aussi à permettre et à faciliter l’interconnexion et l’interopérabilité entre différentes technologies existantes en rendant transparent à l’utilisateur le passage entre les réseaux. Enfin, il vise à éviter l’interruption des services durant le transfert intercellulaire, et à basculer l’utilisation vers le tout IP. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés en premier lieu aux problématiques de la QoS en situation de mobilité au sein d’une technologie candidate à la 4G (WiMAX mobile) pour du trafic temps-réel. Pour cela, nous avons comparé la performance de plusieurs protocoles de mobilité dans le contexte du Handover de niveau 2 et de niveau 3 et plus. Nous avons pour cela fait varier les modèles de mobilité, les configurations et les scénarios. Enfin, nous avons modélisé un algorithme décisionnel qui gère le Handover dans le WiMAX mobile en fonction de plusieurs paramètres d’entrées. Au travers de ces études, nous avons dégagé des protocoles de mobilité qui offrent un niveau de QoS acceptable pour un trafic temps-réel dans le cadre des scénarios envisagés. En deuxième lieu, nous nous sommes concentrés sur les problèmes d’interconnexion et d’interopérabilité entre les réseaux en tenant compte de la mobilité et du Handover vertical entre deux technologies. Pour cela, nous avons proposé de comparer des protocoles de mobilité puis de les combiner afin de diminuer les délais des trafics temps-réel au cours du Handover. Au niveau de l’interconnexion, nous avons proposé des modèles entre WiMAX mobile et de nombreux autres standards (802.11e, UMTS, DVB-S/RCS, LTE). Outre les solutions d’interconnexion, nous avons également mis en évidence la ou les combinaisons de protocoles de gestion de la mobilité qui permettent de garantir de la QoS

Modélisation et simulation des réseaux mobiles de 4ème génération

Cette thèse porte sur l'interopérabilité et la qualité de service dans les réseaux de 4ème génération. En particulier, nous proposons des solutions d'intégration entre le réseau WiMAX et le système satellite DVB-RCS en s'appuyant sur le standard IEEE 802.21. Trois solutions peuvent être mises en place pour l'interconnexion de réseaux sans fil. Il s'agit de la technologie GAN soutenue par le 3GPP, du protocole FMIP proposé par l'IETF et du standard IEEE 802.21. Notre choix se porte sur ce denier standard car il propose un cadre générique pour l'interopérabilité des réseaux. En fait, nous proposons une architecture satellitaire à base de WiMAX, DVB-RCS et IEEE 802.21 et nous décrivons aussi la procédure de handover WiMAX/DVB-RCS. Par ailleurs, nous améliorons les performances des réseaux WiMAX en utilisant un handover horizontal avec un mécanisme de réservation de ressources. Ensuite, le réseau WiMAX est intégré dans un système satellite DVB-RCS afin d'étudier les performances de cette convergence avec une réservation de ressources. Les résultats obtenus montrent que les mécanismes de réservation améliorent les performances. Afin de permettre au trafic de passer d'un réseau à l'autre en garantissant une qualité de service, une mise en correspondance de la qualité de service entre les réseaux WiMAX et DVB-RCS est proposée. En outre, nous proposons un mécanisme d'admission de connexion CAC dans le cadre de l'interconnexion WiMAX/DVB-RCS. Plusieurs stratégies sont prises en compte afin de permettre une coopérative efficace entre les deux systèmes. ABSTRACT : This PH.D thesis is based on the interworking and the quality of service in 4th generation mobile wireless networks. In particular, we propose solutions of integration between WiMAX networks and satellite systems (DVB-RCS). Three solutions can be considered for the interconnection of wireless networks: GAN technology supported by the 3GPP, FMIP protocol suggested by the IETF and the IEEE 802.21 standard. Our choice is focused on this last standard because it proposes a generic framework for the interworking of wireless networks. A procedure of handover WiMAX/DVB-RCS is then described. In addition, we improve the performance of WiMAX networks by using a horizontal handover with resource reservation mechanisms. Then, the WiMAX network is integrated in a DVB-RCS satellite system. The performance of this convergence with a resource reservation mechanism is studied. The obtained results show that the reservation mechanisms improve the performance of the system. In order to switch the traffic from one network to the other by guaranteeing an appropriate level of quality of service, a mapping of quality of service between WiMAX networks and DVB-RCS system is proposed. Moreover, we propose a Connection Admission Control (CAC) mechanism within the framework of the WiMAX/DVB-RCS interconnection. Several strategies are taken into account in order to allow an effective co-operative between the two system

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

Doutoramento em Engenharia InformáticaO acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.Ubiquitous Internet access is one of the main challenges for the telecommunications industry in the next decade. The number of users accessing the Internet is growing exponentially and the network access paradigm of “always connected, anytime, anywhere” is a central requirement for the so-called Next Generation Mobile Networks (NGMN). WiMAX, together with LTE, was recently recognized by ITU as one of the compliant access technologies for 4G. Nevertheless, WiMAX is not yet fully prepared for next generation environments, mainly due to the lack of QoS and mobility crosslayer procedures to support real-time multimedia services delivery. Furthermore, besides the 4G compliant WiMAX and LTE radio access technologies, UMTS/HSPA and Wi-Fi will also have a significant impact in the mobile communications during the next years. Therefore, it is fundamental to ensure the coexistence of multiple radio access technologies in what QoS and mobility procedures are concerned, thereby allowing the delivery of real-time services in mobile networks. In order to provide the WiMAX mobile users with the demanded multimedia services, it is proposed in this Thesis a WiMAX cross-layer manager integrated in an end-to-end all-IP QoS enabled architecture. The presented framework enables the QoS control and bidirectional communication between WiMAX and the upper layer network entities. Furthermore, the proposed cross-layer framework is extended with media independent events and commands to optimize the mobility procedures in WiMAX environments. Tests were made to evaluate the QoS and mobility performance of the defined architecture, demonstrating that it is perfectly capable of handling and supporting real time services without introducing an excessive cost in the network. Following the QoS and mobility extensions provided for WiMAX, the scope of this Thesis is broaden and a seamless mobility architecture with QoS support in heterogeneous wireless access environments is proposed. The presented architecture integrates an extended version of the IEEE 802.21 framework with QoS support, as well as an advanced mobility manager integrated with the IP level mobility management protocols. Finally, to complete the work within the framework of this Thesis, it is proposed an extension to the handover decisionmaking processes in heterogeneous access environments through the integration of context information from both the network entities and the enduser. Performance tests were developed in a real testbed to validate the proposed optimizations in an inter-technology handover scenario involving WiMAX, Wi-Fi and UMTS/HSPA