Optimising QoE distribution for video applications through LTE-WiFi interworking

Mobile WiFi devices are becoming increasingly popular in non-seamless and user-controlled mobile traffic offloading alongside the standard WiFi hotspots. Unlike the operator-controlled hotspots, a mobile WiFi device relies on the capacity of the macro-cell for the data rate allocated to it. This type of devices can help offloading data traffic from the macro-cell base station and serve the end users within a closer range, but will change the pattern of resource distributions operated by the base station. We propose a resource allocation scheme that aims to optimize user quality of experience (QoE) when accessing video services in the environment where traffic offloading is taking place through interworking between a mobile communication system and low range wireless LANs. In this scheme, a rate redistribution algorithm is derived to perform scheduling which is controlled by a no-reference quality assessment metric in order to achieve the desired trade-offs between efficiency and fairness. We show the performance of this algorithm in terms of the distribution of the allocated data rates throughout the macro-cell investigated and the service coverage offered by the WiFi access point

Heterogeneous Wireless Networks QoE Framework

With the appearance of small cells and the move of mobile networks towards an all-IP 4G network, the convergence of these with Wi-Fi becomes a possibility which at the same time opens the path to achieve what will become 5G connectivity. This thesis describes the evolution of the different mainstream wireless technologies deployed around the world and how they can interact, and provides tools to use this convergence to achieve the foreseen requirements expected in a 5G environment and the ideal user experience. Several topics were identified as needing attention: handover between heterogeneous networks, security of large numbers of small cells connected via a variety of backhaul technologies to the core networks, edge content distribution to improve latency, improvement of the service provided in challenging radio environments and interference between licensed and unlicensed spectrum. Within these topics a contribution was made to improve the current status by analysing the unaddressed issues and coming up with potential improvements that were tested in trials or lab environment. The main contributions from the study have been: 1. A patent in the wireless security domain that reuses the fact that overlapping coverage is and will be available and protects against man in the middle attacks (Section 5.3). 2. A patent in the content distribution domain that manages to reduce the cost to deliver content within a mobile network by looking for the shortest path to the requested content (Section 6.3). 3. Improvements and interoperability test of 802.21 standard which improves the seamlessness of handovers (Section 4.2). 4. 2 infill trials which focus on how to improve the user experience in those challenging conditions (Sections 7.2 and 7.3). 5. An interference study with Wi-Fi 2.4GHz for the newly allocated spectrum for 4G (Section 8.2). This thesis demonstrates some of the improvements required in current wireless networks to evolve towards 5G and achieve the coverage, service, user experience, latency and security requirements expected from the next generation mobile technology

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

Specification of Cooperative Access Points Functionalities version 1

The What to do With the Wi-Fi Wild West H2020 project (Wi-5) combines research and innovation to propose an architecture based on an integrated and coordinated set of smart Wi-Fi networking solutions. The resulting system will be able to efficiently reduce interference between neighbouring Access Points (APs) and provide optimised connectivity for new and emerging services. The project approach is expected to develop and incorporate a variety of different solutions, which will be made available through academic publications, in addition to other dissemination channels. The present document includes the specification of the first version of the Cooperative AP Functionalities, which are being defined within Work Package (WP) 4 of the Wi-5 project. In this deliverable after the Executive Summary and the literature review, the first version of the Cooperative Access Point Solutions are illustrated. In particular, a section with a general cooperative framework that jointly includes functionalities for an optimized AP channel assignment, Radio Resource Management (RRM) and smart AP allocation is presented. The optimized APs channel assignment enables an important improvement of the network performance in terms of SINR. Furthermore, the results analysed in this deliverable validate the flexibility and practicality of the proposed algorithm in different scenarios. The smart AP allocation solution introduces the innovative Fittingness Factor (FF) concept that efficiently matches the suitability of the available spectrum resource to the application requirements. Moreover, the basis required for a seamless mobility functionality in the framework is also included in the section. Next, a first assessment of the algorithms proposed in this deliverable is presented through the analysis of several performance results in a simulated environment. In detail, the AP channel assignment and the smart AP allocation algorithms are assessed and compared against other strategies found in the literature. Finally, a set of monitoring procedures to be conducted on the Wi-5 APs and on the Wi-5 controller are presented. These procedures will allow the correct deployment of the cooperative APs functionalities proposed in this deliverable. After summarising the main conclusions, the document ends with future work

Network-based IP flow mobility support in 3GPPs evolved packet core

Includes bibliographical references.Mobile data traffic in cellular networks has increased tremendously in the last few years. Due to the costs associated with licensed spectrum, Mobile Network Operators (MNOs) are battling to manage these increased traffic growths. Offloading mobile data traffic to alternative low cost access networks like Wi-Fi has been proposed as a candidate solution to enable MNOs to alleviate congestion from the cellular networks. This dissertation investigates an offloading technique called IP flow mobility within the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) all-IP mobile core network, the Evolved Packet Core (EPC). IP flow mobility would enable offloading a subset of the mobile user‟s traffic to an alternative access network while allowing the rest of the end-user‟s traffic to be kept in the cellular access; this way, traffic with stringent quality of service requirements like Voice over Internet Protocol (VoIP) would not experience service disruption or interruption when offloaded. This technique is different from previous offloading techniques where all the end-user‟s traffic is offloaded. IP flow mobility functionality can be realised with either host- or network-based mobility protocols. The recommended IP flow mobility standard of 3GPP is based on the host-based mobility solution, Dual-Stack Mobile IPv6. However, host-based mobility solutions have drawbacks like long handover latencies and produce signaling overhead in the radio access networks, which could be less appealing to MNOs. Network-based mobility solutions, compared to the host-based mobility solutions, have reduced handover latencies with no signaling overhead occurring in the radio access network. Proxy Mobile IPv6 is a networkbased mobility protocol adapted by 3GPP for mobility in the EPC. However, the standardisation of the Proxy Mobile IPv6-based IP flow mobility functionality is still ongoing within 3GPP. A review of related literature and standardisation efforts reveals shortcomings with the Proxy Mobile IPv6 mobility protocol in supporting IP flow mobility. Proxy Mobile IPv6 does not have a mechanism that would ensure session continuity during IP flow handoffs or a mechanism enabling controlling of the forwarding path of a particular IP flow i.e., specifying the access network for the IP flow. The latter mechanism is referred to as IP flow information management and flow-based routing. These mechanisms represent the basis for enabling the IP flow mobility functionality. To address the shortcomings of Proxy Mobile IPv6, this dissertation proposes vi enhancements to the protocol procedures to enable the two mechanisms for IP flow mobility functionality. The proposed enhancements for the session continuity mechanism draw on work in related literature and the proposed enhancements for the IP flow information management and flow-based routing mechanism are based on the concepts used in the Dual- Stack Mobile IPv6 IP flow mobility functionality. Together the two mechanisms allow the end-user to issue requests on what access network a particular IP flow should be routed, and ensure that the IP flows are moved to the particular access network without session discontinuity

A popularity-based approach for the design of mobile content delivery networks

Content Delivery Networks are designed to effectively support the delivery of media to consumers. Enabling large scale content distribution at a reasonable cost and without overloading the mobile core network is a crucial design choice for Network Operators. Nowadays, a key task is the development of efficient Mobile CDN due to the increase of the video traffic volume in the network. In this thesis, a novel “popularity-based approach'” for the design and implementation of MCDN is treate

Final Specification of Cooperative Functionalities

This deliverable presents the specification of the final version of the Cooperative AP Functionalities that have been designed in the context of Work Package (WP) 4 of the Wi-5 project. In detail, we present a general cooperative framework that includes functionalities for a Radio Resource Management (RRM) algorithm, which provides channel assignment and transmit power adjustment strategies, an AP selection policy, which also provides horizontal handover, and a Radio Access Technology (RAT) selection solution for vertical handover. The RRM algorithm achieves an important improvement for network performance in terms of several parameters through the channel assignment approach and the transmit power adjustment. The AP selection solution extends the approach presented in deliverables D4.1 and D4.2 and is based on a centralised potential game, which optimises the distribution of the so-called Fittingness Factor (FF) parameter among the Wi-Fi users. Such a parameter efficiently matches the suitability of the available spectrum resource to the users’ application requirements. Moreover, the RAT selection solution extends the AP selection algorithm towards vertical handover functionality including 3G/4G networks. The assessment of the newest algorithms developed in the context of WP4 is illustrated in this deliverable through the analysis of several performance results in a simulated environment against other strategies found in the literature. Finally, the set of smart AP functionalities developed in the context of WP3, implemented on the Wi5 APs and on the Wi-5 controller, and their use in the proposed algorithms are illustrated. Specifically, this deliverable describes how these functionalities can enable the correct deployment of the proposed cooperative AP solutions in realistic scenarios. Therefore, the main novel contributions of this deliverable are i) the strengthening of the AP selection algorithm, ii) the design and assessment of a new algorithm for vertical handover and iii) the presentation of the finalised integration of the cooperative AP functionalities of the Wi-5 system

Mobilfunknetzmanagement im Kontext von Realistischen Heterogenen Szenarien

Every generation of mobile radio communication standards leads to a new level of complexity in the cellular systems. Moreover, due to the ever-increasing data traffic demands of mobile users as well as declining revenues in recent years, the operators of such networks have to deal with all those network administration difficulties in the most efficient manner. One promising approach that shall relieve the operator from time-consuming manual tasks is to use so-called Self-Organising Network (SON) functionalities. SON functions monitor the performance of the network and change the (radio) parameters accordingly, based on internal algorithms that focus on dedicated optimisation goals. This work investigates whether SON functions can be used to enforce Key Performance Indicator (KPI) targets demanded by the operators. Therefore, the impact of SON on the network manageability and performance is studied by using SON functions that consider multiple technologies (i.e. LTE and WLAN) and different cell layers (macro and small cells). The evaluations are based on sophisticated system-level simulations that rely on an in-house developed platform called ``SiMoNe'' (Simulator for Mobile Networks). Moreover, the foundations of the scenarios used are realistically planned mobile networks on the one hand, and advanced mobility models with a particular emphasis on realistic movements and behaviours, on the other hand. As a preparatory step, the newly introduced mobility models are investigated regarding the handover performance. The results show that the behaviour and nature of the movements have a profound impact on the overall network performance. After that, three well-known SON functions are tested that operate in the domain of self-optimisation. This is done by varying SON algorithm parameterisation values in three distinct network environments. The insights gained into the behaviour of the SON functions are then used to manage a complex heterogeneous cellular network by setting appropriate SON parametrisation values that alter the behaviour of SON functions accordingly. By that, the formulated KPI goals can be achieved. However, the evaluations show that the implementations of the objectives are only doable to some extent in realistic settings due to the compound and inhomogeneous nature of the network scenarios.Jede neue Mobilfunk-Generation sorgt dafür, dass die Komplexität in den Netzen zunimmt. Außerdem führt die immer weiter steigende Nachfrage nach mobilem Datenverkehr sowie sinkende Einnahmen dazu, dass die Betreiber solcher Netze mit administrativen Aufgaben in möglichst effizienter Weise umgehen müssen. Eine Möglichkeit stellen sogenannte Selbst-Organisierende Netze (engl. Self-Organising Network (SON)) dar, um den Betreiber von zeitaufwendigen manuellen Arbeiten zu befreien. SON Funktionen überwachen Kenngrößen im Netz und ändern, je nach Zielfunktion des Algorithmus, entsprechende (Radio-)Parameter im Netz. Diese Dissertation untersucht, ob SON Funktionen geeignet sind um ein Mobilfunknetz zu steuern und somit vorgegebene Zielvorgaben der Netzbetreiber umzusetzen. Die verwendeten SON Funktionen arbeiten hierbei mit unterschiedlichen Technologien (z.B. LTE und WLAN) und auf mehreren Zellschichten (Makro- bis Femtozellen). Als Simulationsumgebung wird auf die leistungsfähige Plattform ``SiMoNe'' (engl. Simulator for Mobile Networks) zurückgegriffen. Die Simulationsgrundlagen bilden einerseits realistisch geplante Mobilfunknetze und anderseits fortschrittliche Mobilitätsmodelle, wobei eine besondere Betonung auf die realistische Umsetzung von Bewegung und Verhalten der Nutzer gelegt wird. In einem vorbereitenden Schritt werden neuartige Mobilitätsmodelle auf ihr Handover-Verhalten untersucht. Die Ergebnisse zeigen hierbei, dass das Verhalten und die Bewegung einen entscheidenden Einfluss auf die Netzperformance haben können. Im Anschluss werden drei bekannte SON Funktionen in drei unterschiedlichen Netzumgebungen getestet. Dies geschieht durch eine Variation der Parameterwerte der SON Algorithmen, welche das Verhalten der Funktionen verändern und somit auch die Netzperformances entscheidend beeinflussen kann. Die über das Verhalten der SON Funktionen gesammelten Erkenntnisse werden letztendlich genutzt, um Zielvorgaben an ein komplexes heterogenes Mobilfunknetzwerk zu realisieren. Die Auswertungen zeigen, dass dies nur in einem gewissen Maße geschehen kann. Die hohe Komplexität und die inhomogene Topologie der Netze beeinträchtigen eine zielgenaue Veränderung der Netzperformance entscheidend