Context awareness and related challenges: A comprehensive evaluation study for a context-based RAT selection scheme towards 5G networks

Ο αποτελεσματικός σχεδιασμός των δικτύων είναι απαραίτητος για να αντιμετωπιστεί ο αυξανόμενος αριθμός των συνδρομητών κινητού διαδικτύου και των απαιτητικών υπηρεσιών δεδομένων, που ανταγωνίζονται για περιορισμένους ασύρματους πόρους. Επιπλέον, οι βασικές προκλήσεις για τα συνεχώς αναπτυσσόμενα δίκτυα LTE είναι η αύξηση των δυνατοτήτων των υφιστάμενων μηχανισμών, η μείωση της υπερβολικής σηματοδότησης (signaling) και η αξιοποίηση ενός αποτελεσματικού μηχανισμού επιλογής τεχνολογίας ασύρματης πρόσβασης (RAT). Υπάρχουν ποικίλες προτάσεις στην βιβλιογραφία σχετικά με αυτές τις προκλήσεις, μερικές από τις οποίες παρουσιάζονται εδώ. Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι να ερευνήσει τις τρέχουσες εξελίξεις στα δίκτυα LTE σχετικά με την ενσωμάτωση EPC και WiFi και την επίγνωση πλαισίου (context awareness) στην διαχείριση κινητικότητας, και να προτείνει τον αλγόριθμο COmpAsS, έναν μηχανισμό που χρησιμοποιεί ασαφή λογική (fuzzy logic) για να επιλέξει την πιο κατάλληλη τεχνολογία ασύρματης πρόσβασης για τα κινητά. Επιπλέον, έχουμε ποσοτικοποιήσει το κόστος σηματοδότησης του προτεινόμενου μηχανισμού σε σύνδεση με τις σημερινές προδιαγραφές του 3GPP και εκτελέσαμε μια ολοκληρωμένη ανάλυση. Τέλος, αξιολογήσαμε τον αλγόριθμο μέσω εκτεταμένων προσομοιώσεων σε ένα πολύπλοκο και ρεαλιστικό σενάριο χρήσης 5G, που απεικονίζονται τα σαφή πλεονεκτήματα της προσέγγισής μας όσον αφορά τη συχνότητα μεταπομπών (handover) και τις μετρήσεις βασικών QoS τιμών, όπως ρυθμός μετάδοσης και καθυστέρηση.Effective network planning is essential to cope with the increasing number of mobile internet subscribers and bandwidth-intensive services competing for limited wireless resources. Additionally, key challenges for the constantly growing LTE networks is increasing capabilities of current mechanisms, reduction of signaling overhead and the utilization of an effective Radio Access Technology (RAT) selection scheme. There have been various proposals in literature regarding these challenges, some of which are discussed here. The purpose of this work is to research the current advances in LTE networks regarding EPC - WiFi integration and context awareness in mobility management, and propose the COmpAsS algorithm, a mechanism using fuzzy logic to select the most suitable Radio Access Technology. Furthermore, we quantify the signaling overhead of the proposed mechanism by linking it to the current 3GPP specifications and performing a comprehensive analysis. Finally, we evaluate the novel scheme via extensive simulations in a complex and realistic 5G use case, illustrating the clear advantages of our approach in terms of handover frequency and key QoS metrics, i.e. the user-experienced throughput and delay

Optimisation of Traffic Steering for Heterogeneous Mobile Networks

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

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

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

Support of resource-aware vertical handovers in WLAN hotspots

Endgeräte wie Smartphones oder Tablets bieten häufig eine Vielfalt drahtloser Zugänge zum Internet an. Üblicherweise schließt dies die 802.11 WLANs und auch Technologien drahtloser Weitverkehrsnetze (WWANs) aus dem Bereich LTE oder WiMAX ein. Aufgrund dieser Optionen haben sich die Endanwender daran gewöhnt, überall und zu jeder Zeit auf ihre Internetdienste zuzugreifen. Damit hat auch der Datenverkehr pro Anwender zugenommen, was eine Herausforderung insbesondere für die Betreiber von WWANs ist. Soweit verfügbar, favorisieren Endanwender heutzutage eher einen drahtlosen Zugang zum Internet über WLANs als über WWANs. Des Weiteren haben die 3GPP-Standardisierungsgremien Ansätze erarbeitet, die zusätzlich Verkehr aus WWANs in Netze mit geringerer Abdeckung wie WLAN- oder Femto-Zellen abgeben. Solche Ansätze werden auch als "Traffic Offloading" bezeichnet und haben das Ziel, die WWANs zu entlasten. Dabei werden jedoch eher einfache Strategien verfolgt, die auf der Nutzung zusätzlicher Kapazitäten heterogener Netze beruhen und dann angewendet werden, wenn ein alternatives Zugangsnetz für ein Endgerät verfügbar ist. Im Rahmen dieser Arbeit zeigen wir Gewinne auf, die entstehen, wenn man die Auswahl der Endgeräte für ein WLAN-Netz stattdessen auf Basis der von ihnen belegten Ressourcen durchführt. In diesem Kontext schlagen wir vor, Geräte mit stark negativem Einfluss auf die WLAN-Kapazität wieder zurück in das WWAN zu reichen, was wir als "Onloading" bezeichnen. Ein solches "Onloading" zieht Herausforderungen in unterschiedlichen Richtungen mit sich. Die fortschreitende Miniaturisierung hat in den letzten Jahren zu dem Trend geführt, die Anzahl der Netzwerkkarten (NICs) in Endgeräten zu reduzieren. Wir bezeichnen eine NIC als multimodal, wenn sie mehrere Funktechnologien unterstützt, aber zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur eine davon genutzt werden kann. Deswegen stellt für eine multimodale NIC das "Onloading" während einer laufenden Verbindung eine Herausforderung dar. Wir schlagen einen Ansatz vor, der vorbereitende Mechanismen für ein "Onloading" als auch eine laufende Verbindung im WLAN über eine solche NIC ermöglicht. Des Weiteren ist es wichtig, in einem WLAN Hotspot zu entscheiden, welche Geräte einen negativen Einfluss auf die Kapazität des Netzes haben. Dafür haben wir eine Metrik entwickelt, die eine Entscheidungsgrundlage für das Onloading bildet. Diese Metrik basiert rein auf einer Beobachtung des Netzes und seiner Geräte, ermöglicht jedoch keine Entscheidung für sich neu assoziierende Geräte im WLAN. Erschwerend kommt hinzu, dass viele Eigenschaften der NICs durch herstellerabhängige Implementierungen geprägt werden. Solche Algorithmen bieten eine zusätzliche Herausforderung, da ihre internen Abläufe üblicherweise unbekannt sind. Ein bekanntes Beispiel für solche Algorithmen stellt die Anpassung der WLAN-Link-Datenraten dar. Diese Algorithmen wählen die jeweiligen Modulations- und Kodierungsschemata (MCSs) für die drahtlosen Übertragungen aus. Robuste MCSs resultieren dabei in geringere Link-Datenraten und haben somit einen starken Einfluss auf die Kapazität einer WLAN-Zelle. Aus diesem Grund fokussieren wir uns auf eine Abschätzung der Datenratenwahl eines Endgerätes. Damit lassen sich im Vorfeld Aussagen treffen, ob ein Gerät starken Einfluss auf die WLAN-Kapazität haben wird, so dass es für ein "Onloading" in Frage kommt.End-user devices such as smart phones and tablets have become very popular as they offer a variety of wireless Internet accesses ranging from the WLAN standards to WWAN technologies such as LTE or even WiMAX. Due to these different wireless access options and new emerging applications—e.g., from the areas of video streaming, social networks, as well as Internet clouds—people are increasingly connecting to the Internet with their de- vices while being on the move. In line with this, the number of devices as well as the traffic demand of end users have been reported to increase rapidly over the last years which imposes a strong challenge especially for the operators of WWANs. Thereby, end users frequently tend to use settings that favor a connectivity to the Internet whenever possible rather over WLAN than over WWAN access. Further, the cellular standardization bodies of the 3GPP envision solutions to hand over on-going wireless sessions from cellular to other small cell accesses such as WLANs or femto cells. This is also known as traffic offloading essentially freeing capacity in terms of users with a certain service in the cellular accesses. Nevertheless this offloading follows a rather simple strategy to utilize additional capacity of heterogeneous accesses such as WLANs whenever being available for a given device. This thesis shows that stronger gains can be expected if the selection of devices to be served in WLANs is conducted in a resource-aware fashion including an evaluation of the WLAN traffic in terms of the channel occupation time and MAC overhead as result of contention, interference, and fluctuating channels. In this context, this thesis envisions to onload unfavorable devices negatively affecting the WLAN capacity back to WWAN accesses. A support of such an onloading imposes challenges in different dimensions. From the hardware design of devices, there is a strong trend to limit the number of separate network interface cards (NICs) due to space and cost issues. We refer to a multi-mode NIC if it covers multiple technologies, while at a given time only access to one technology is possible. Thus, smoothly onloading a device with such a NIC is by far not trivial. We present an approach that conducts handover preparation mechanisms, while also allowing a continuous WLAN communication over a multi-mode NIC. Further, it is by far not trivial to judge which subset of associated devices is negatively affecting the capacity of a WLAN hotspot. Thus, a careful evaluation of devices regarding a selection for an onloading back to WWAN accesses imposes a challenge yet. In this direction, we present a performance metric that identifies devices degrading the WLAN capacity. While our performance metric tackles a reactive selection, it falls short to support a predictive evaluation, e.g., of devices which just joined the WLAN cell. Even worse, proprietary algorithms inside a WLAN stack impose a severe challenge as their internal routines are usually not conveyed via typical management interfaces. A well-known example for this category of algorithms are the link data rate adaptation schemes, with which WLAN devices adjust the modulation and coding scheme (MCS) for their transmissions. As MCSs resulting in low link data rates may specifically degrade the capacity of a WLAN cell, we focus on an estimation regarding the data rate selection of a device as a third contribution of this thesis. This estimation enables to select devices that will likely degrade the capacity of the WLAN hotspot for an onloading in advance

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

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

Collaborative Traffic Offloading for Mobile Systems

Due to the popularity of smartphones and mobile streaming services, the growth of traffic volume in mobile networks is phenomenal. This leads to huge investment pressure on mobile operators' wireless access and core infrastructure, while the profits do not necessarily grow at the same pace. As a result, it is urgent to find a cost-effective solution that can scale to the ever increasing traffic volume generated by mobile systems. Among many visions, mobile traffic offloading is regarded as a promising mechanism by using complementary wireless communication technologies, such as WiFi, to offload data traffic away from the overloaded mobile networks. The current trend to equip mobile devices with an additional WiFi interface also supports this vision. This dissertation presents a novel collaborative architecture for mobile traffic offloading that can efficiently utilize the context and resources from networks and end systems. The main contributions include a network-assisted offloading framework, a collaborative system design for energy-aware offloading, and a software-defined networking (SDN) based offloading platform. Our work is the first in this domain to integrate energy and context awareness into mobile traffic offloading from an architectural perspective. We have conducted extensive measurements on mobile systems to identify hidden issues of traffic offloading in the operational networks. We implement the offloading protocol in the Linux kernel and develop our energy-aware offloading framework in C++ and Java on commodity machines and smartphones. Our prototype systems for mobile traffic offloading have been tested in a live environment. The experimental results suggest that our collaborative architecture is feasible and provides reasonable improvement in terms of energy saving and offloading efficiency. We further adopt the programmable paradigm of SDN to enhance the extensibility and deployability of our proposals. We release the SDN-based platform under open-source licenses to encourage future collaboration with research community and standards developing organizations. As one of the pioneering work, our research stresses the importance of collaboration in mobile traffic offloading. The lessons learned from our protocol design, system development, and network experiments shed light on future research and development in this domain.Yksi mobiiliverkkojen suurimmista haasteista liittyy liikennemäärien eksponentiaaliseen kasvuun. Tämä verkkoliikenteen kasvu johtuu pitkälti suosituista videopalveluista, kuten YouTube ja Netflix, jotka lähettävät liikkuvaa kuvaa verkon yli. Verkon lisääntynyt kuormitus vaatii investointeja verkon laajentamiseksi. On tärkeää löytää kustannustehokkaita tapoja välittää suuressa mittakaavassa sisältöä ilman mittavia infrastruktuuri-investointeja. Erilaisia liikennekuormien ohjausmenetelmiä on ehdotettu ratkaisuksi sisällönvälityksen tehostamiseen mobiiliverkoissa. Näissä ratkaisuissa hyödynnetään toisiaan tukevia langattomia teknologioita tiedonvälityksen tehostamiseen, esimerkiksi LTE-verkosta voidaan delegoida tiedonvälitystä WiFi-verkoille. Useimmissa kannettavissa laitteissa on tuki useammalle langattomalle tekniikalle, joten on luonnollista hyödyntää näiden tarjoamia mahdollisuuksia tiedonvälityksen tehostamisessa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan liikennekuormien ohjauksen toimintaa ja mahdollisuuksia mobiiliverkoissa. Työssä esitetään uusi yhteistyöpohjainen liikennekuormien ohjausjärjestelmä, joka hyödyntää päätelaitteiden ja verkon tilannetietoa liikennekuormien optimoinnissa. Esitetty järjestelmä ja arkkitehtuuri on ensimmäinen, joka yhdistää energiankulutuksen ja kontekstitiedon liikennekuormien ohjaukseen. Väitöskirjan keskeisiä tuloksia ovat verkon tukema liikennekuormien ohjauskehikko, yhteistyöpohjainen energiatietoinen optimointiratkaisu sekä avoimen lähdekoodin SoftOffload-ratkaisu, joka mahdollistaa ohjelmistopohjaisen liikennekuormien ohjauksen. Esitettyjä järjestelmiä arvioidaan kokeellisesti kaupunkiympäristöissä älypuhelimia käyttäen. Työn tulokset mahdollistavat entistä energiatehokkaammat liikennekuormien ohjausratkaisut ja tarjoavat ideoita ja lähtökohtia tulevaan 5G kehitystyöhön