Challenges on the way of implementing TCP over 5G networks

5G cellular communication, especially with its hugely available bandwidth provided by millimeter-wave, is a promising technology to fulfill the coming high demand for vast data rates. These networks can support new use cases such as Vehicle to Vehicle and augmented reality due to its novel features such as network slicing along with the mmWave multi-gigabit-per-second data rate. Nevertheless, 5G cellular networks suffer from some shortcomings, especially in high frequencies because of the intermittent nature of channels when the frequency rises. Non-line of sight state, is one of the significant issues that the new generation encounters. This drawback is because of the intense susceptibility of higher frequencies to blockage caused by obstacles and misalignment. This unique characteristic can impair the performance of the reliable transport layer widely deployed protocol, TCP, in attaining high throughput and low latency throughout a fair network. As a result, the protocol needs to adjust the congestion window size based on the current situation of the network. However, TCP is not able to adjust its congestion window efficiently, and it leads to throughput degradation of the protocol. This paper presents a comprehensive analysis of reliable end-to-end communications in 5G networks. It provides the analysis of the effects of TCP in 5G mmWave networks, the discussion of TCP mechanisms and parameters involved in the performance over 5G networks, and a survey of current challenges, solutions, and proposals. Finally, a feasibility analysis proposal of machine learning-based approaches to improve reliable end-to-end communications in 5G networks is presented.This work was supported by the Secretaria d’Universitats i Recerca del Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya under Grant 2017 SGR 376.Peer ReviewedPostprint (published version

How sufficient is TCP when deployed in 5G mmWave networks over the urban deployment?

© 2021 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.By deploying the millimeter-wave wide spectrum in 5G networks, the new generation is capable of providing high data rates with low latencies. However, these frequencies have intermittent characteristics as their downside, which acts as a hurdle on the way of attaining high performances. This disadvantage can lower signals’ penetration power in reaching far distances or passing materials such as vehicles, walls, and even human bodies. As a result, having a reliable end-to-end connection throughout 5G millimeter-wave networks can be challenging because this burden is on the transport layer mostly exploited protocol, TCP, which is unable to perform sufficiently due to the fluctuation of the high-frequency channels. This paper aims to analyze TCP’s behavior in one of the 3GPP’s well-known scenarios called urban deployment. The detailed investigation of TCP over 5G millimeter-wave when used in a city and the impact of different parameters such as remote servers, RLC buffer size, different congestion control algorithms, and maximum segment size are discussed thoroughly throughout the paper. The results revealed that TCP could benefit from the edge server deployment due to the shorter control loop, and increasing maximum segment size can also enhance this superiority. Moreover, individual TCP variants react to various RLC buffer sizes differently. However, in general, increased throughput can be attained by deploying larger buffers at the cost of latency.This work was supported in part by the Secretaria d’Universitats i Recerca del Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya under Grant 2017 SGR 376, and in part by the Spanish Government under Project PID2019-106808RA-I00 AEI/FEDER UE.Peer ReviewedPostprint (published version

Implementation and evaluation of Multi-hop routing in 6LoWPAN

6LoWPAN enables the transmission of IPv6 packets over LoWPAN networks. In order to make it possible, 6LoWPAN introduces an adaptation layer between network and link layers. This layer allows IPv6 packets to be adapted to the lower layers constraints. It provides fragmentation and reassembling of packets and header compression. It also can be involved in routing decisions. Depending on which layer is responsible of routing decisions 6LoWPAN divides routing in two categories: mesh under if the interested layer is the adaptation layer, route over if it is the network one. In this paper we compare the two routing solutions evaluating their performances in terms of end-to-end delay and round-trip time. All the performance evaluation has been realized in a real implementation of 6LoWPAN.Postprint (published version

Deep learning TCP for mitigating NLoS impairments in 5G mmWave

5G and beyond 5G are revolutionizing cellular and ubiquitous networks with new features and capabilities. The new millimeter-wave frequency band can provide high data rates for the new generations of mobile networks but suffers from NLoS caused by obstacles, which causes packet drops that mislead TCP because the protocol interprets all drops as an indication of network congestion. The principal flaw of TCP in such networks is that the root for packet drops is not distinguishable for TCP, and the protocol takes it for granted that all losses are due to congestion. This paper presents a new TCP based on deep learning that can outperform other common TCPs in terms of throughput, RTT, and congestion window fluctuation. The primary contribution of deep learning is providing the ability to distinguish various conditions in the network. The simulation results revealed that the proposed protocol could outperform conventional TCPs such as Cubic, NewReno, Highspeed, and BBR.This research was funded in part by the Spanish MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 through project PID2019-106808RA-I00", and by Secretaria d’Universitats i Recerca del departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya with the grant number 2021 SGR 00330.Peer ReviewedPostprint (published version

Aplicación de métodos de compresión de cabeceras TCP/IP como optimización de las comunicaciones móviles

El protocolo TCP (Transmission Control Protocol) está implementado para actuar en redes fija s, donde las incidencias en la comunicación pueden interpreta rse como problemas de con ges tión. En entornos móviles, en cambio, los problemas son debidos a una alta tasa de error en bit (BER); la utilización del protocolo TCP en este tipo de entornos afecta negativamente a la efici encia de la transmisión. En este artíc ulo se presenta una solución pa ra optimizar la comunicación TCP: la compresión de cabeceras; concretamente se expone la necesidad de un algoritmo especifico para comunicaciones móviles y se valora la propuesta de compresión de cabeceras de la lETF .Peer Reviewe

Contribución al estudio de mejora de prestaciones del protocolo TCP en diferentes entornos

Internet, la mayor red de ordenadores del mundo, formada por millones de terminales repartidos por todo el planeta, está basada en la arquitectura de protocolos TCP/IP, cuyas aplicaciones más utilizadas son, sin duda, el correo electrónico, la transferencia de ficheros, el acceso remoto y el acceso a la Web. Todas ellas tienen en común el protocolo de transporte que utilizan, TCP [Ste94, RFC793, RFC2581], que es extremo a extremo, fiable y orientado a conexión.Los protocolos de la arquitectura TCP/IP fueron diseñados para ser utilizados en redes compuestas únicamente por ordenadores fijos y en las que el principal problema era la limitación en el ancho de banda disponible y la tasa de error de bit. Tanto las tecnologías de red como las necesidades de los usuarios han ido evolucionando, debiendo hacer un esfuerzo importante en la adecuación de los protocolos para su comportamiento óptimo en los nuevos entornos.En primer lugar se ha evolucionado hacia entornos de alta velocidad en los que las líneas de transmisión son extremadamente fiables, con lo cual el problema de la transmisión fiable extremo a extremo se centra en la pérdida de paquetes debido a los problemas de congestión de los nodos de conmutación de la red. Para obtener buenas prestaciones del protocolo deben plantearse mecanismos que actúen de forma eficiente en los casos de congestión.Siguiendo la evolución, actualmente se plantea el uso de este tipo de protocolos sobre el canal radio móvil, el cuál presenta características muy diferentes. La velocidad reducida de los enlaces y la elevada tasa de error en bit (BER) son el aspecto diferencial. Por lo tanto, un aspecto crítico a la hora de determinar la viabilidad de ofrecer servicios de datos basados en aplicaciones TCP/IP en redes móviles es el del análisis de las posibilidades de acoplamiento de esta arquitectura de protocolos a este nuevo enlace de comunicación.Postprint (published version

Hacia una web independiente del dispositivo mediante CC/PP

Composite Capabilities/Preferences Profiles (CC/PP) es el nuevo lenguaje estándar creado por el World Wide Web Constortium (W3C) para que la gran diversidad de dispositivos que disponen, o dispondrán, de un acceso a Internet (móvil, PDA, PC, TV ... ), sean capaces de expresar sus capacidades y las preferencias del usuario mediante perfiles, tal y como su nombre indica. Para expresar estas características, los perfiles CC/PP emplean Resource Descripción Framework (RDF), otro estándar del W3C y pilar de la web semántica, el cual, a su vez, se encuentra construido sobre Extensible Markup Language (XML). La especificación User Agent Profile (UAProf) definida por la Open Mobile Alliance (OMA), antiguo W APForum, utiliza CC/PP para la descripción de los teléfonos móviles. Se puede entender como el primer gran desarrollo CC/PP y ya se encuentra incluido en los últimos dispositivos móviles, implicando la existencia actual de millones de dispositivos que usan CC/PP.Mediante CCIPP los dispositivos tienen la habilidad de enviar la información CCIPP conjuntamente con las peticiones HTTP a los servidores, de manera que éstos puedan procesar la información CC/PP y realizar la adaptación o selección de contenidos adecuados a las características del di spositivo, consiguiendo así una Web independiente del dispositivo, acercándose cada vez más a uno de las principales metas del W3C: El Acceso Universal a laWeb. En este artículo se pone de manifiesto la problemática actual de la negociación de contenidos utilizando HTTP/l.l y se describe la especificación CCIPP, el estándar propuesto por W3C para solucionar esta carencia, justificando sus claves de diseño. También se describe el estándar de la OMA, UAProf, la primera implementación de CCIPP para la descripción de los terminales móviles que se encuentra incluido en la nueva especificación W AP 2.0. Palabras clave- CC/PP, UAProJ, RDF, Adaptación de contenidos, móvil, WebPeer Reviewe

Redes de datos para usuarios móviles. Estudio de la arquitectura MobileIP/CellularIP

La creciente difusión de terminales portátiles está llevando a un crecimiento vertiginoso del número de usuarios que piden poder acceder a Internet o a su propia red empresarial independientemente de su posición geográfica y de la tecnología de red disponible en el acceso (LAN, PTSN, GSM .. .). Tanto los operadores de telefonía móvil como los proveedores de servicios de Internet (ISP), por tanto, están cada vez más interesados en satisfacer la demanda de servicios de datos para usuarios móviles. Pero para conseguir esto son necesarios nuevos protocolos que permitan el acceso remoto del terminal móvil y la continuidad de las comunicaciones durante el movimiento. Las soluciones propuestas son varias y provienenfundamentalmente de dos ámbitos tan diversos como Internet o el entorno radiomóvil GSM y su ulterior evolución UMTS. Todo esto hace pensar en un escenario futuro en el que las compañías ofrecerán servicios de datos utilizando diversas redes de acceso con diferentes protocolos. Será necesario, por tanto, un protocolo que gestione la movilidad de una red a otra. Una posible solución que está teniendo una gran aceptación en el ámbito IETF es el uso de MobileIP / CellularIP.Peer Reviewe

Aplicación de métodos de compresión de cabeceras TCP/IP como optimización de las comunicaciones móviles

El protocolo TCP (Transmission Control Protocol) está implementado para actuar en redes fija s, donde las incidencias en la comunicación pueden interpreta rse como problemas de con ges tión. En entornos móviles, en cambio, los problemas son debidos a una alta tasa de error en bit (BER); la utilización del protocolo TCP en este tipo de entornos afecta negativamente a la efici encia de la transmisión. En este artíc ulo se presenta una solución pa ra optimizar la comunicación TCP: la compresión de cabeceras; concretamente se expone la necesidad de un algoritmo especifico para comunicaciones móviles y se valora la propuesta de compresión de cabeceras de la lETF .Peer Reviewe