Qualidade de serviço em redes de acesso IEEE 802.16

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesA procura de serviços e de aplicações com elevadas exigências de largura de banda, e a vontade crescente para aceder a este tipo de serviços em qualquer lugar, torna necessária a integração da Internet actual com as redes móveis de próxima geração. No entanto, existirão sempre àreas remotas onde o acesso à Internet, e nomeadamente a serviços de banda larga, será difícil de conseguir. O protocolo IEEE 802.16 é uma tecnologia de banda larga sem fios que pode ser usada neste tipo de cenários. Esta dissertação apresenta uma arquitectura de rede capaz de suportar serviços de tempo real com integração de QoS em ambientes IPv6 através da utilização de redes IEEE 802.16. Nomeadamente, a arquitectura definida suporta o acesso dinâmico e rápido por parte dos terminais móveis aos serviços de rede, tal como reservas e modificações dinâmicas de serviços de tempo real, característica essencial para o suporte de alta mobilidade. Para além disto, a solução proposta fornece também suporte IPv6 e diferenciação de serviços direccionados para o mesmo terminal móvel. Esta dissertação apresenta a arquitectura desenvolvida, os módulos necessários para a integração da tecnologia IEEE 802.16 num ambiente de próxima geração, a implementação desses módulos para a construção de uma rede real, e testes para avaliar o desempenho da rede em termos de QoS num ambiente de rede de acesso mista, composta por IEEE 802.16 e IEEE 802.11. São também efectuados testes de mobilidade para avaliar o desempenho da solução descrita neste tipo de ambientes. Os resultados obtidos com a arquitectura desenvolvida mostram que a arquitectura pode fornecer QoS fima- fim sobre a concatenação de redes metropolitanas e locais, com suporte de mobilidade.The growing demand of high bandwidth services and applications, and the increasing will of access to these services anywhere, is motivating the requirement to integrate the current Internet with the future mobile networks. However, there will always be remote areas where Internet access will be difficult to achieve. The IEEE 802.16 is an attractive broadband wireless technology for these scenarios, non-withstanding its limitations for dynamic environments. This Thesis discusses a network architecture able to support IPv6 QoS aware real time services using 802.16 networks. Specifically, this solution supports dynamic and fast access from the Mobile Nodes to the network services, as well as dynamic reservations and modifications of services. These fast and dynamic reservations are crucial to the support of fast mobility approaches. Moreover, the proposed solution is also able to provide IPv6 support and efficient traffic differentiation for services running on the same MN. This Thesis presents the envisioned architecture, the modules required to provide the integrated QoS approach over the 802.16 network, the implementation of the modules to build a real network, and address main implementation results in terms of QoS performance, and in terms of mobility with QoS support for converged networks comprising WiMAX and Wi-Fi technologies. The obtained results show that our architecture is able to provide end-to-end QoS over the concatenation of metro and local area networks, and that seamless mobility is achieved with high performance measures, thus being able to support real-time services

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

Doutoramento em Engenharia InformáticaO acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.Ubiquitous Internet access is one of the main challenges for the telecommunications industry in the next decade. The number of users accessing the Internet is growing exponentially and the network access paradigm of “always connected, anytime, anywhere” is a central requirement for the so-called Next Generation Mobile Networks (NGMN). WiMAX, together with LTE, was recently recognized by ITU as one of the compliant access technologies for 4G. Nevertheless, WiMAX is not yet fully prepared for next generation environments, mainly due to the lack of QoS and mobility crosslayer procedures to support real-time multimedia services delivery. Furthermore, besides the 4G compliant WiMAX and LTE radio access technologies, UMTS/HSPA and Wi-Fi will also have a significant impact in the mobile communications during the next years. Therefore, it is fundamental to ensure the coexistence of multiple radio access technologies in what QoS and mobility procedures are concerned, thereby allowing the delivery of real-time services in mobile networks. In order to provide the WiMAX mobile users with the demanded multimedia services, it is proposed in this Thesis a WiMAX cross-layer manager integrated in an end-to-end all-IP QoS enabled architecture. The presented framework enables the QoS control and bidirectional communication between WiMAX and the upper layer network entities. Furthermore, the proposed cross-layer framework is extended with media independent events and commands to optimize the mobility procedures in WiMAX environments. Tests were made to evaluate the QoS and mobility performance of the defined architecture, demonstrating that it is perfectly capable of handling and supporting real time services without introducing an excessive cost in the network. Following the QoS and mobility extensions provided for WiMAX, the scope of this Thesis is broaden and a seamless mobility architecture with QoS support in heterogeneous wireless access environments is proposed. The presented architecture integrates an extended version of the IEEE 802.21 framework with QoS support, as well as an advanced mobility manager integrated with the IP level mobility management protocols. Finally, to complete the work within the framework of this Thesis, it is proposed an extension to the handover decisionmaking processes in heterogeneous access environments through the integration of context information from both the network entities and the enduser. Performance tests were developed in a real testbed to validate the proposed optimizations in an inter-technology handover scenario involving WiMAX, Wi-Fi and UMTS/HSPA