Service Continuity in 3GPP Mobile Networks

The mobile wireless communication network or cellular network landscape is changing gradually from homogeneous to heterogeneous. Future generation networks are envisioned to be a combination of diverse but complimentary access technologies, like GPRS, WCDMA/HSPA, LTE and WLAN. These technologies came up due to the need to increase capacity in cellular networks and recently driven by the proliferation of smart devices which require a lot of bandwidth. The traditional mechanisms to increase capacity in cellular networks have been to upgrade the networks by, e.g. adding small cells solutions or introducing new radio access technologies to regions requiring lots of capacity, but this has not eradicated the problem entirely. The integration of heterogeneous networks poses some challenges such as allocating resources efficiently and enabling seamless handovers between heterogeneous technologies. One issue which has become apparent recently with the proliferation of different link layer technologies is how service providers can offer a consistent service across heterogeneous networks. Service continuity between different radio access technologies systems is identified as one key research item.  The knowledge of the service offering in current and future networks, and supporting interworking technologies is paramount to understand how service continuity will be realized across different radio access technologies. We investigate the handover procedure and performance in current deployed 3GPP heterogeneous mobile networks (2G, 3G and 4G networks). We perform measurements in the field and the lab and measure the handover latency for User Datagram Protocol (UDP) and Transmission Control Protocol (TCP) applications. The results show that intersystem handover latencies in and across 2G and 3G radio access technologies are too long and have an impact on real time packet switched (PS) real-time services. We also investigate the current proposed interworking and handover schemes in 2G, 3G and 4G networks and present their limitations. We further highlight some open issues that still need to be addressed in order to improve handover performance and provide service continuity across heterogeneous mobile wireless networks such as selection of optimal radio access technology and adaptation of multimedia transmission over heterogeneous technologies. We present the enhancements required to enable service continuity and provide a better quality of user experience. 

Performance evaluation of voice handover between LTE and UMTS

M.Sc.(Eng.), Faculty of Engineering and the Built Environment, 2011The main objective of seamless mobility is to enable mobile users to stay connected while roaming across heterogeneous networks. As cellular networks evolve from the third generation Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) to the Long Term Evolution (LTE), a new Evolved Packet Core (EPC) will support heterogeneous radio access networks on the same platform. UMTS provides voice services in the circuit switched domain; while LTE operates in the packet switched domain. Cellular network operators thus face the challenge of providing voice services during initial deployment of LTE due to difficulty in mobility between the two domains. Seamless voice handover between packet switched LTE and the circuit switched UMTS network is therefore an important tool in solving this problem. This report investigates the performance of inter-Radio Access Technology voice handover between LTE and UMTS. The schemes evaluated were Voice Call Continuity (VCC) for UMTS to LTE handover and Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) for LTE to UMTS handover. The performance evaluation was done using mathematical models and equations that were derived for the handover service interruption time. The resulting equations were simulated and the output was analysed and compared with the Third Generation Partnership Project (3GPP) specifications

Performance Evaluation of the Vertical Handover in the Wireless Networks

[EN] In mobile communication, Vertical handover is a process when a mobile switches from one network to another without any interruption. This paper gives three different proposed types of interworking architectures were designed between WLAN, UMTS and WiMAX networks based on the quality of service (QoS). Performance and evaluation of handover based on various parameters like handover delay, received power, signal to noise ratio, throughput, Traffic sent and traffic received is done and the performance of the interworking architecture is analyzed from the simulation results using OPNET Modeller 14.5.Benaatou, W.; Latif, A.; Pla, V. (2018). Performance Evaluation of the Vertical Handover in the Wireless Networks. International Journal of Engineering and Technology. 7(4.16):134-137. https://doi.org/10.14419/ijet.v7i4.16.22871S13413774.1

Next-Generation Self-Organizing Networks through a Machine Learning Approach

Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 17 Diciembre 2018.Para reducir los costes de gestión de las redes celulares, que, con el tiempo, aumentaban en complejidad, surgió el concepto de las redes autoorganizadas, o self-organizing networks (SON). Es decir, la automatización de las tareas de gestión de una red celular para disminuir los costes de infraestructura (CAPEX) y de operación (OPEX). Las tareas de las SON se dividen en tres categorías: autoconfiguración, autooptimización y autocuración. El objetivo de esta tesis es la mejora de las funciones SON a través del desarrollo y uso de herramientas de aprendizaje automático (machine learning, ML) para la gestión de la red. Por un lado, se aborda la autocuración a través de la propuesta de una novedosa herramienta para una diagnosis automática (RCA), consistente en la combinación de múltiples sistemas RCA independientes para el desarrollo de un sistema compuesto de RCA mejorado. A su vez, para aumentar la precisión de las herramientas de RCA mientras se reducen tanto el CAPEX como el OPEX, en esta tesis se proponen y evalúan herramientas de ML de reducción de dimensionalidad en combinación con herramientas de RCA. Por otro lado, en esta tesis se estudian las funcionalidades multienlace dentro de la autooptimización y se proponen técnicas para su gestión automática. En el campo de las comunicaciones mejoradas de banda ancha, se propone una herramienta para la gestión de portadoras radio, que permite la implementación de políticas del operador, mientras que, en el campo de las comunicaciones vehiculares de baja latencia, se propone un mecanismo multicamino para la redirección del tráfico a través de múltiples interfaces radio. Muchos de los métodos propuestos en esta tesis se han evaluado usando datos provenientes de redes celulares reales, lo que ha permitido demostrar su validez en entornos realistas, así como su capacidad para ser desplegados en redes móviles actuales y futuras

VoLTE: Fundamentals and Investment under Uncertainty by analogy with the Real Options Theory – A real case application in Greek Telecommunications market

Με την εμφάνιση των Τηλεπικοινωνιών, η φωνή έσπασε όλα τα φυσικά όρια και έγινε πραγματικότητα η μετάδοσή της παγκοσμίως σε πραγματικό χρόνο. Σύντομα, οι υπηρεσίες φωνής μετατράπηκαν σε βασική δραστηριότητα για τους παρόχους και το έναυσμα για την ανάπτυξη των Σταθερών και Κινητών Τηλεπικοινωνιών. Η τελευταία λέξη της τεχνολογίας για την Κινητή μετάδοση φωνής είναι το Voice over LTE (VoLTE), το οποίο αποτελεί μια σημαντική δυνατότητα του δικτύου για τη ουσιαστική βελτίωση της απόδοσης της φωνής και της χωρητικότητας του ραδιοδικτύου με ταυτόχρονη μείωση στα λειτουργικά κόστη. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της αρχιτεκτονικής VoLTE και παρέχεται μία ανάλυση της τεχνολογίας VoLTE ως επενδυτική ευκαιρία. Στο πρώτο μέρος παρατίθεται μια ιστορική αναδρομή σχετικά με την εξέλιξη των συστημάτων φωνής των Κινητής Τηλεπικοινωνιών από την πρώτη γενιά έως σήμερα. Περιλαμβάνεται μια επισκόπηση της αρχιτεκτονικής VoLTE με ανάλυση των κύριων υποσυστημάτων και των βασικών τους στοιχείων με βάση τις τεχνικές προδιαγραφές. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι βασικές λειτουργίες μετάδοσης φωνής μέσω της τεχνολογίας VoLTE. Στο επόμενο μέρος περιγράφονται τα οφέλη και οι προκλήσεις που γεννιούνται από την ανάπτυξη της λύσης VoLTE, από τεχνικής άποψης αλλά και από πλευράς αγοράς. Για τον μετριασμό των κινδύνων, προτείνεται από τις χρηματοπιστωτικές αγορές η θεωρία των για την αξιολόγηση της επένδυσης, με βάση τη σύγχρονη βιβλιογραφία. Η ζήτηση της υπηρεσίας VoLTE μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας τη γεωμετρική κίνηση Brown και αναπτύσσεται μια μεθοδολογία βασισμένη στα πραγματικά δικαιώματα προαίρεσης μέσω του δυναμικού προγραμματισμού, για τον υπολογισμό των βέλτιστων επενδυτικών κανόνων και του κόστους ευκαιρίας. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ένα παράδειγμα πραγματικής περίπτωσης επένδυσης VoLTE στην ελληνική αγορά Κινητών Τηλεπικοινωνιών, χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη μεθοδολογία των πραγματικών δικαιωμάτων προαίρεσης. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με την παραδοσιακή προσέγγιση και αναλύονται με την χρήση προσομοιώσεων Monte Carlo. Συμπεράσματα και ενδιαφέροντα ευρήματα παρέχονται στο τελευταίο κεφάλαιο.With the emergence of Telecommunications, the voice broke all physical borders and could be transferred worldwide in real-time. Soon, voice services became a core business for the providers and the trigger for the development of Fixed and Mobile Telecommunications. The state of the art for mobile voice delivery is Voice over LTE (VoLTE), which is an important network capability to significantly improve the service performance and radio capacity while reducing operating costs. This study thesis presents the fundamental principles of VoLTE architecture and provides an analysis of the VoLTE solution as an investment opportunity. In the first part, a historical review is given regarding the evolution of the Cellular Mobile Telecommunication systems since their first generation. An overview of the VoLTE architecture is included with an analysis of the main subsystems and the core components based on the technical specifications. Moreover, the basic functionalities of the VoLTE technology are presented. The next part describes the benefits and challenges of deploying the VoLTE solution from technical and market perspectives. In order to mitigate the risks, the Real Options theory from the financial market is introduced for evaluating the VoLTE investment according to modern literature. The VoLTE demand is modelled using the Geometric Brownian Motion process and the dynamic programming is used to structure a Real Options-based framework for calculating optimal investment rules and opportunity cost. In the sixth chapter, a real case application of the proposed framework in the Greek Mobile Telecommunications market is presented. The results are compared with the traditional tools and analyzed by performing Monte Carlo simulations. Conclusions and interesting insights are provided in the last chapter

Enhanced mobility management mechanisms for 5G networks

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

Enhanced mobility management mechanisms for 5G networks

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