Robust Header Compression (ROHC) in Next-Generation Network Processors

Robust Header Compression (ROHC) provides for more efficient use of radio links for wireless communication in a packet switched network. Due to its potential advantages in the wireless access area andthe proliferation of network processors in access infrastructure, there exists a need to understand the resource requirements and architectural implications of implementing ROHC in this environment. We presentan analysis of the primary functional blocks of ROHC and extract the architectural implications on next-generation network processor design for wireless access. The discussion focuses on memory space andbandwidth dimensioning as well as processing resource budgets. We conclude with an examination of resource consumption and potential performance gains achievable by offloading computationally intensiveROHC functions to application specific hardware assists. We explore the design tradeoffs for hardware as-sists in the form of reconfigurable hardware, Application-Specific Instruction-set Processors (ASIPs), andApplication-Specific Integrated Circuits (ASICs)

A framework for modeling, analysis and optimization of robust header compression

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Header Compression and Signal Processing for Wideband Communication Systems.

This thesis is dedicated to the investigation, development and practical verification of header compression and signal processing techniques over TErrestrial Trunked RAdio (TETRA), TETRA Enhanced Data Services (TEDS) and Power Line Communication (PLC). TETRA release I is a narrowband private mobile radio technology used by safety and security organizations, while TEDS is a widebandsystem. With the introduction of IP support, TEDS enables multimedia based applications and services to communicate across communication systems. However the IP extension for TEDS comes at a cost of significant header contributions with the payload. With small application payloads and fast rate application traffic profiles, the header contribution in the total size of the packet is considerably more than the actual application payload. This overhead constitutes the considerable slot capacity at the physical layer of TEDS and PLC. Advanced header compression techniques such as Robust Header Compression (RoHC) compress the huge header sizes and offer significant compression gain without compromising quality of service (QoS). Systems can utilize this bandwidth to transmit more information payload than control information. In this study, the objective is to investigate the integration of RoHC in TEDS and design a novel IPv6 enabled protocol stack for PLC with integrated RoHC. The purpose of the study is also to investigate the throughput optimization technique such as RoHC over TEDS and PLC by simulating different traffic profile classes and to illustrate the benefit of using RoHC over TEDS and PLC. The thesis also aims to design and simulate the TEDS physical layer for the purpose of investigating the performance of higher order modulation schemes. Current TEDS, standards are based on the transmission frequencies above 400MHz range, however with delays in the standardization of broadband TETRA, it is important to explore all possible avenues to extend the capacity of the system. The research concludes the finding of the application of RoHC for TEDS and PLC, against different traffic classes and propagation channels. The benefit of using RoHC in terms of saving bandwidth, slot capacity and other QoS parameters is presented along with integration aspects into TEDS and PLC communication stacks. The study also presents the TEDS physical layer simulation results for modulation schemes and transmission frequency other than specified in the standard. The research results presented in this thesis have been published in international symposiums and professional journals. The application of the benefits of using RoHC for TEDS has been proposed to the ETSI TETRA for contribution to the TETRA standard under STF 378. Simulation results for the investigation of characteristics of ?/4 DQPSK performance below 200 MHz have also been also presented to ETSI TETRA as a contribution to the existing TEDS standard. The Results presented for the design of IPv6 enabled stacked with integrated RoHC have been submitted as deliverable under the FP-7 project DLC+VIT4IP. All the results, simulations and investigations presented in the thesis have been carried out through the platform provided by HW Communication Ltd

A Survey on Water Marking techniques for Secure Sharing of Medical Data

The technique of transmitting biomedical signals through communication channels have become an important issue in many clinical practice related application. So a digital large capacity watermarking technique for singular value decomposition (SVD) is used for hiding these secure, confidential, private data. The Singular value decomposition (SVD) is used to realize the compression of watermark in the watermarking pre processing stage. Discrete Wavelet Transform technique is applied for image compression for better quality. For JPEG, BMP and PNG images this method is essential for construction of accurate targeted and blind steganalysis methods. DOI: 10.17762/ijritcc2321-8169.150616

Allocation of Communication and Computation Resources in Mobile Networks

Konvergence komunikačních a výpočetních technologií vedlo k vzniku Multi-Access Edge Computing (MEC). MEC poskytuje výpočetní výkon na tzv. hraně mobilních sítí (základnové stanice, jádro mobilní sítě), který lze využít pro optimalizaci mobilních sítí v reálném čase. Optimalizacev reálném čase je umožněna díky nízkému komunikačnímu zpoždění například v porovnání s Mobile Cloud Computing (MCC). Optimalizace mobilních sítí vyžaduje informace o mobilní síti od uživatelských zařízeních, avšak sběr těchto informací využívá komunikační prostředky, které jsou využívány i pro přenos uživatelských dat. Zvyšující se počet uživatelských zařízení, senzorů a taktéž komunikace vozidel tvoří překážku pro sběr informací o mobilních sítích z důvodu omezeného množství komunikačních prostředků. Tudíž je nutné navrhnout řešení, která umožní sběr těchto informací pro potřeby optimalizace mobilních sítí. V této práci je navrženo řešení pro komunikaci vysokého počtu zařízeních, které je postaveno na využití přímé komunikace mezi zařízeními. Pro motivování uživatelů, pro využití přeposílání dat pomocí přímé komunikace mezi uživateli je navrženo přidělování komunikačních prostředků jenž vede na přirozenou spolupráci uživatelů. Dále je provedena analýza spotřeby energie při využití přeposílání dat pomocí přímé komunikace mezi uživateli pro ukázání jejích výhod z pohledu spotřeby energie. Pro další zvýšení počtu komunikujících zařízení je využito mobilních létajících základových stanic (FlyBS). Pro nasazení FlyBS je navržen algoritmus, který hledá pozici FlyBS a asociaci uživatel k FlyBS pro zvýšení spokojenosti uživatelů s poskytovanými datovými propustnostmi. MEC lze využít nejen pro optimalizaci mobilních sítí z pohledu mobilních operátorů, ale taktéž uživateli mobilních sítí. Tito uživatelé mohou využít MEC pro přenost výpočetně náročných úloh z jejich mobilních zařízeních do MEC. Z důvodu mobility uživatel je nutné nalézt vhodně přidělení komunikačních a výpočetních prostředků pro uspokojení uživatelských požadavků. Tudíž je navržen algorithmus pro výběr komunikační cesty mezi uživatelem a MEC, jenž je posléze rozšířen o přidělování výpočetných prostředků společně s komunikačními prostředky. Navržené řešení vede k snížení komunikačního zpoždění o desítky procent.The convergence of communication and computing in the mobile networks has led to an introduction of the Multi-Access Edge Computing (MEC). The MEC combines communication and computing resources at the edge of the mobile network and provides an option to optimize the mobile network in real-time. This is possible due to close proximity of the computation resources in terms of communication delay, in comparison to the Mobile Cloud Computing (MCC). The optimization of the mobile networks requires information about the mobile network and User Equipment (UE). Such information, however, consumes a significant amount of communication resources. The finite communication resources along with the ever increasing number of the UEs and other devices, such as sensors, vehicles pose an obstacle for collecting the required information. Therefore, it is necessary to provide solutions to enable the collection of the required mobile network information from the UEs for the purposes of the mobile network optimization. In this thesis, a solution to enable communication of a large number of devices, exploiting Device-to-Device (D2D) communication for data relaying, is proposed. To motivate the UEs to relay data of other UEs, we propose a resource allocation algorithm that leads to a natural cooperation of the UEs. To show, that the relaying is not only beneficial from the perspective of an increased number of UEs, we provide an analysis of the energy consumed by the D2D communication. To further increase the number of the UEs we exploit a recent concept of the flying base stations (FlyBSs), and we develop a joint algorithm for a positioning of the FlyBS and an association of the UEs to increase the UEs satisfaction with the provided data rates. The MEC can be exploited not only for processing of the collected data to optimize the mobile networks, but also by the mobile users. The mobile users can exploit the MEC for the computation offloading, i.e., transferring the computation from their UEs to the MEC. However, due to the inherent mobility of the UEs, it is necessary to determine communication and computation resource allocation in order to satisfy the UEs requirements. Therefore, we first propose a solution for a selection of the communication path between the UEs and the MEC (communication resource allocation). Then, we also design an algorithm for joint communication and computation resource allocation. The proposed solution then lead to a reduction in the computation offloading delay by tens of percent

Enhanced Multimedia Exchanges over the Internet

Although the Internet was not originally designed for exchanging multimedia streams, consumers heavily depend on it for audiovisual data delivery. The intermittent nature of multimedia traffic, the unguaranteed underlying communication infrastructure, and dynamic user behavior collectively result in the degradation of Quality-of-Service (QoS) and Quality-of-Experience (QoE) perceived by end-users. Consequently, the volume of signalling messages is inevitably increased to compensate for the degradation of the desired service qualities. Improved multimedia services could leverage adaptive streaming as well as blockchain-based solutions to enhance media-rich experiences over the Internet at the cost of increased signalling volume. Many recent studies in the literature provide signalling reduction and blockchain-based methods for authenticated media access over the Internet while utilizing resources quasi-efficiently. To further increase the efficiency of multimedia communications, novel signalling overhead and content access latency reduction solutions are investigated in this dissertation including: (1) the first two research topics utilize steganography to reduce signalling bandwidth utilization while increasing the capacity of the multimedia network; and (2) the third research topic utilizes multimedia content access request management schemes to guarantee throughput values for servicing users, end-devices, and the network. Signalling of multimedia streaming is generated at every layer of the communication protocol stack; At the highest layer, segment requests are generated, and at the lower layers, byte tracking messages are exchanged. Through leveraging steganography, essential signalling information is encoded within multimedia payloads to reduce the amount of resources consumed by non-payload data. The first steganographic solution hides signalling messages within multimedia payloads, thereby freeing intermediate node buffers from queuing non-payload packets. Consequently, source nodes are capable of delivering control information to receiving nodes at no additional network overhead. A utility function is designed to minimize the volume of overhead exchanged while minimizing visual artifacts. Therefore, the proposed scheme is designed to leverage the fidelity of the multimedia stream to reduce the largest amount of control overhead with the lowest negative visual impact. The second steganographic solution enables protocol translation through embedding packet header information within payload data to alternatively utilize lightweight headers. The protocol translator leverages a proposed utility function to enable the maximum number of translations while maintaining QoS and QoE requirements in terms of packet throughput and playback bit-rate. As the number of multimedia users and sources increases, decentralized content access and management over a blockchain-based system is inevitable. Blockchain technologies suffer from large processing latencies; consequently reducing the throughput of a multimedia network. Reducing blockchain-based access latencies is therefore essential to maintaining a decentralized scalable model with seamless functionality and efficient utilization of resources. Adapting blockchains to feeless applications will then port the utility of ledger-based networks to audiovisual applications in a faultless manner. The proposed transaction processing scheme will enable ledger maintainers in sustaining desired throughputs necessary for delivering expected QoS and QoE values for decentralized audiovisual platforms. A block slicing algorithm is designed to ensure that the ledger maintenance strategy is benefiting the operations of the blockchain-based multimedia network. Using the proposed algorithm, the throughput and latency of operations within the multimedia network are then maintained at a desired level

Design and evaluation of echocardiograms codification and transmission for Teleradiology systems

Las enfermedades cardiovasculares son la mayor causa de muerte en el mundo. Aunque la mayoría de muertes por cardiopatías se puede evitar, si las medidas preventivas no son las adecuadas el paciente puede fallecer. Es por esto, que el seguimiento y diagnóstico de pacientes con cardiopatías es muy importante. Numerosos son las pruebas médicas para el diagnostico y seguimiento de enfermedades cardiovasculares, siendo los ecocardiogramas una de las técnicas más ampliamente utilizada. Un ecocardiograma consiste en la adquisición de imágenes del corazón mediante ultrasonidos. Presenta varias ventajas con respecto otras pruebas de imagen: no es invasiva, no produce radiación ionizante y es barata. Por otra parte, los sistemas de telemedicina han crecido rápidamente ya que ofrecen beneficios de acceso a los servicios médicos, una reducción del coste y una mejora de la calidad de los servicios. La telemedicina proporciona servicios médicos a distancia. Estos servicios son de especial ayuda en casos de emergencia médica y para áreas aisladas donde los hospitales y centros de salud están alejados. Los sistemas de tele-cardiología pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de pruebas. En esta Tesis nos hemos centrado en los sistemas de tele-ecocardiografia, ya que los ecocardiogramas son ampliamente usados y presentan el mayor reto al ser la prueba médica con mayor flujo de datos. Los mayores retos en los sistemas de tele-ecocardiografia son la compresión y la transmisión garantizando que el mismo diagnóstico es posible tanto en el ecocardiograma original como en el reproducido tras la compresión y transmisión. Los ecocardiogramas deben ser comprimidos tanto para su almacenamiento como para su transmisión ya que estos presentan un enorme flujo de datos que desbordaría el espacio de almacenamiento y no se podría transmitir eficientemente por las redes actuales. Sin embargo, la compresión produce pérdidas que pueden llevar a un diagnostico erróneo de los ecocardiogramas comprimidos. En el caso de que las pruebas ecocardiograficas quieran ser guardadas, una compresión clínica puede ser aplicada previa al almacenamiento. Esta compresión clínica consiste en guardar las partes del ecocardiograma que son importantes para el diagnóstico, es decir, ciertas imágenes y pequeños vídeos del corazón en movimiento que contienen de 1 a 3 ciclos cardiacos. Esta compresión clínica no puede ser aplicada en el caso de transmisión en tiempo real, ya que es el cardiólogo especialista quien debe realizar la compresión clínica y éste se encuentra en recepción, visualizando el echocardiograma transmitido. En cuanto a la transmisión, las redes sin cables presentan un mayor reto que las redes cableadas. Las redes sin cables tienen un ancho de banda limitado, son propensas a errores y son variantes en tiempo lo que puede resultar problemático cuando el ecocardiograma quiere ser transmitido en tiempo real. Además, las redes sin cables han experimentado un gran desarrollo gracias a que permiten un mejor acceso y movilidad, por lo que pueden ofrecer un mayor servicio que las redes cableadas. Dos tipos de sistemas se pueden distinguir acorde a los retos que presenta cada uno de ellos: los sistemas de almacenamiento y reenvió y los sistemas de tiempo real. Los sistemas de almacenamiento y reenvió consisten en la adquisición, almacenamiento y el posterior envió del ecocardiograma sin requerimientos temporales. Una compresión clínica puede ser llevada a cabo previa al almacenamiento. Además de la compresión clínica, una compresión con pérdidas es recomendada para reducir el espacio de almacenamiento y el tiempo de envío, pero sin perder l ainformación diagnóstica de la prueba. En cuanto a la transmisión, al no haber requerimientos temporales, la transmisión no presenta ninguna dificultad. Cualquier protocolo de transmisión fiable puede ser usado para no perder calidad en la imagen debido a la transmisión. Por lo tanto, para estos sistemas sólo nos hemos centrado en la codificación de los ecocardiogramas. Los sistemas de tiempo real consisten en la transmisión del ecocardiograma al mismo tiempo que éste es adquirido. Dado que el envío de video clínico es una de las aplicaciones con mayor demanda de ancho de banda, la compresión para la transmisión es requerida, pero manteniendo la calidad diagnóstica de la imagen. La transmisión en canales sin cables puede ser afectada por errores que distorsionan la calidad del ecocardiograma reconstruido en recepción. Por lo tanto, métodos de control de errores son requeridos para minimizar los errores de transmisión y el retardo introducido. Sin embargo, aunque el ecocardiograma sea visualizado con errores debido a la transmisión, esto no implica que el diagnóstico no sea posible. Dados los retos previamente descritos, las siguientes soluciones para la evaluación clínica, compresión y transmisión han sido propuestas: - Para garantizar que el ecocardiograma es visualizado sin perder información diagnóstica 2 tests han sido diseñados. El primer test define recomendaciones para la compresión de los ecocardiogramas. Consiste en dos fases para un ahorro en el tiempo de realización, pero sin perder por ello exactitud en el proceso de evaluación. Gracias a este test el ecocardiograma puede ser comprimido al máximo sin perder calidad diagnóstica y utilizando así más eficientemente los recursos. El segundo test define recomendaciones para la visualización del ecocardiograma. Este test define rangos de tiempo en los que el ecocardiograma puede ser visualizado con inferior calidad a la establecida en el primer test. Gracias a este test se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida de calidad diagnóstica cuando se introducen errores en la visualización, sin la necesidad de realizar una evaluación para cada video transmitido o diferentes condiciones de canal. Además, esta metodología puede ser aplicada para la evaluación de otras técnicas de diagnóstico por imagen. - Para la compresión de ecocardiogramas dos métodos de compresión han sido diseñados, uno para el almacenamiento y otro para la transmisión. Diferentes propuestas son diseñadas, ya que los ecocardiogramas para los dos propósitos tienen características diferentes. Para ambos propósitos un método de compresión en la que las facilidades que incorporan los dispositivos de segmentar la imagen y en la que las características de visualización de los ecocardiogramas han sido tenidas en cuenta ha sido diseñado. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de almacenarlo un formato de almacenamiento fácilmente integrable con DICOM basado en regiones y en el que el tipo de datos y la importancia clínica de cada región es tenido en cuenta ha sido diseñado. DICOM es el formato para el almacenamiento y transmisión de imágenes más ampliamente utilizado actualmente. El formato de compresión propuesto supone un ahorra de hasta el 75 % del espacio de almacenamiento con respecto a la compresión con JPEG 2000, actualmente soportado por DICOM, sin perder calidad diagnostica de la imagen. Los ratios de compresión para el formato propuesto dependen de la distribución de la imagen, pero para una base de datos de 105 ecocardiogramas correspondientes a 4 ecógrafos los ratios obtenidos están comprendidos entre 19 y 41. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de la transmisión en tiempo real un método de compresión basado en regiones en el que el tipo de dato y el modo de visualización han sido tenidos en cuenta se ha diseñado. Dos modos de visualización son distinguidos para la compresión de la región con mayor importancia clínica (ultrasonido), los modos de barrido y los modos 2-D. La evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de compresión fue llevada a cabo por 3 cardiologos, 9 ecocardiogramas correspondientes a diferentes pacientes y 3 diferentes ecógrafos. Los ratios de transmisión recomendados fueron de 200 kbps para los modos 2-D y de 40 kbps para los modos de barrido. Si se comparan estos resultados con previas soluciones en la literatura un ahorro mínimo de entre 5 % y el 78 % es obtenido dependiendo del modo. - Para la transmisión en tiempo real de ecocardiogramas un protocolo extremo a extremo basada en el método de compresión por regiones ha sido diseñado. Este protocolo llamado ETP de las siglas en inglés Echocardiogram Transmssion Protocol está diseñado para la compresión y transmisión de las regiones por separado, pudiendo así ofrecer diferentes ratios de compresión y protección de errores para las diferentes regiones de acuerdo a su importancia diagnostica. Por lo tanto, con ETP el ratio de transmisión mínimo recomendado para el método de compresión propuesto puede ser utilizado, usando así eficientemente el ancho de banda y siendo menos sensible a los errores introducidos por la red. ETP puede ser usado en cualquier red, sin embargo, en el caso de que la red introduzca errores se ha diseñado un método de corrección de errores llamado SECM, de las siglas en inglés State Error Control Method. SECM se adapta a las condiciones de canal usando más protección cuando las condiciones empeoran y usando así el ancho de banda eficientemente. Además, la evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de visualización ha sido llevada a cabo con la base de datos de la evaluación previa. De esta forma se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida diagnostica aunque se produzcan errores de transmisión. En esta tesis, por lo tanto, se ha ofrecido una solución para la transmisión en tiempo real y el almacenamiento de ecocardiogramas preservando la información diagnóstica y usando eficientemente los recursos (disco de almacenamiento y ratio de transmisión). Especial soporte se da para la transmisión en redes sin cables, dando soluciones a las limitaciones que estas introducen. Además, las soluciones propuestas han sido probadas y comparadas con otras técnicas con una red de acceso móvil WiMAX, demostrando que el ancho de banda es eficientemente utilizado y que el ecocardiograma es correctamente visualizado de acuerdo con las recomendaciones de visualización dadas por la evaluación clínica

Convergence of packet communications over the evolved mobile networks; signal processing and protocol performance

In this thesis, the convergence of packet communications over the evolved mobile networks is studied. The Long Term Evolution (LTE) process is dominating the Third Generation Partnership Project (3GPP) in order to bring technologies to the markets in the spirit of continuous innovation. The global markets of mobile information services are growing towards the Mobile Information Society. The thesis begins with the principles and theories of the multiple-access transmission schemes, transmitter receiver techniques and signal processing algorithms. Next, packet communications and Internet protocols are referred from the IETF standards with the characteristics of mobile communications in the focus. The mobile network architecture and protocols bind together the evolved packet system of Internet communications to the radio access network technologies. Specifics of the traffic models are shortly visited for their statistical meaning in the radio performance analysis. Radio resource management algorithms and protocols, also procedures, are covered addressing their relevance for the system performance. Throughout these Chapters, the commonalities and differentiators of the WCDMA, WCDMA/HSPA and LTE are covered. The main outcome of the thesis is the performance analysis of the LTE technology beginning from the early discoveries to the analysis of various system features and finally converging to an extensive system analysis campaign. The system performance is analysed with the characteristics of voice over the Internet and best effort traffic of the Internet. These traffic classes represent the majority of the mobile traffic in the converged packet networks, and yet they are simple enough for a fair and generic analysis of technologies. The thesis consists of publications and inventions created by the author that proposed several improvements to the 3G technologies towards the LTE. In the system analysis, the LTE showed by the factor of at least 2.5 to 3 times higher system measures compared to the WCDMA/HSPA reference. The WCDMA/HSPA networks are currently available with over 400 million subscribers and showing increasing growth, in the meanwhile the first LTE roll-outs are scheduled to begin in 2010. Sophisticated 3G LTE mobile devices are expected to appear fluently for all consumer segments in the following years