Optimizing IETF multimedia signaling protocols and architectures in 3GPP networks : an evolutionary approach

Signaling in Next Generation IP-based networks heavily relies in the family of multimedia signaling protocols defined by IETF. Two of these signaling protocols are RTSP and SIP, which are text-based, client-server, request-response signaling protocols aimed at enabling multimedia sessions over IP networks. RTSP was conceived to set up streaming sessions from a Content / Streaming Server to a Streaming Client, while SIP was conceived to set up media (e.g.: voice, video, chat, file sharing, …) sessions among users. However, their scope has evolved and expanded over time to cover virtually any type of content and media session. As mobile networks progressively evolved towards an IP-only (All-IP) concept, particularly in 4G and 5G networks, 3GPP had to select IP-based signaling protocols for core mobile services, as opposed to traditional SS7-based protocols used in the circuit-switched domain in use in 2G and 3G networks. In that context, rather than reinventing the wheel, 3GPP decided to leverage Internet protocols and the work carried on by the IETF. Hence, it was not surprise that when 3GPP defined the so-called Packet-switched Streaming Service (PSS) for real-time continuous media delivery, it selected RTSP as its signaling protocol and, more importantly, SIP was eventually selected as the core signaling protocol for all multimedia core services in the mobile (All-)IP domain. This 3GPP decision to use off-the-shelf IETF-standardized signaling protocols has been a key cornerstone for the future of All-IP fixed / mobile networks convergence and Next Generation Networks (NGN) in general. In this context, the main goal of our work has been analyzing how such general purpose IP multimedia signaling protocols are deployed and behave over 3GPP mobile networks. Effectively, usage of IP protocols is key to enable cross-vendor interoperability. On the other hand, due to the specific nature of the mobile domain, there are scenarios where it might be possible to leverage some additional “context” to enhance the performance of such protocols in the particular case of mobile networks. With this idea in mind, the bulk of this thesis work has consisted on analyzing and optimizing the performance of SIP and RTSP multimedia signaling protocols and defining optimized deployment architectures, with particular focus on the 3GPP PSS and the 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT) service. This work was preceded by a detailed analysis work of the performance of underlying IP, UDP and TCP protocol performance over 3GPP networks, which provided the best baseline for the future work around IP multimedia signaling protocols. Our contributions include the proposal of new optimizations to enhance multimedia streaming session setup procedures, detailed analysis and optimizations of a SIP-based Presence service and, finally, the definition of new use cases and optimized deployment architectures for the 3GPP MCPTT service. All this work has been published in the form of one book, three papers published in JCR cited International Journals, 5 articles published in International Conferences, one paper published in a National Conference and one awarded patent. This thesis work provides a detailed description of all contributions plus a comprehensive overview of their context, the guiding principles beneath all contributions, their applicability to different network deployment technologies (from 2.5G to 5G), a detailed overview of the related OMA and 3GPP architectures, services and design principles. Last but not least, the potential evolution of this research work into the 5G domain is also outlined as well.Els mecanismes de Senyalització en xarxes de nova generació es fonamenten en protocols de senyalització definits per IETF. En particular, SIP i RTSP són dos protocols extensibles basats en missatges de text i paradigma petició-resposta. RTSP va ser concebut per a establir sessions de streaming de continguts, mentre SIP va ser creat inicialment per a facilitar l’establiment de sessions multimèdia (veu, vídeo, xat, compartició) entre usuaris. Tot i així, el seu àmbit d’aplicació s’ha anat expandint i evolucionant fins a cobrir virtualment qualsevol tipus de contingut i sessió multimèdia. A mesura que les xarxes mòbils han anat evolucionant cap a un paradigma “All-IP”, particularment en xarxes 4G i 5G, 3GPP va seleccionar els protocols i arquitectures destinats a gestionar la senyalització dels serveis mòbils presents i futurs. En un moment determinat 3GPP decideix que, a diferència dels sistemes 2G i 3G que fan servir protocols basats en SS7, els sistemes de nova generació farien servir protocols estandarditzats per IETF. Quan 3GPP va començar a estandarditzar el servei de Streaming sobre xarxes mòbils PSS (Packet-switched Streaming Service) va escollir el protocol RTSP com a mecanisme de senyalització. Encara més significatiu, el protocol SIP va ser escollit com a mecanisme de senyalització per a IMS (IP Multimedia Subsystem), l’arquitectura de nova generació que substituirà la xarxa telefònica tradicional i permetrà el desplegament de nous serveis multimèdia. La decisió per part de 3GPP de seleccionar protocols estàndards definits per IETF ha representat una fita cabdal per a la convergència del sistemes All-IP fixes i mòbils, i per al desenvolupament de xarxes NGN (Next Generation Networks) en general. En aquest context, el nostre objectiu inicial ha estat analitzar com aquests protocols de senyalització multimèdia, dissenyats per a xarxes IP genèriques, es comporten sobre xarxes mòbils 3GPP. Efectivament, l’ús de protocols IP és fonamental de cara a facilitar la interoperabilitat de solucions diferents. Per altra banda, hi ha escenaris a on és possible aprofitar informació de “context” addicional per a millorar el comportament d’aquests protocols en al cas particular de xarxes mòbils. El cos principal del treball de la tesi ha consistit en l’anàlisi i optimització del rendiment dels protocols de senyalització multimèdia SIP i RTSP, i la definició d’arquitectures de desplegament, amb èmfasi en els serveis 3GPP PSS i 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT). Aquest treball ha estat precedit per una feina d’anàlisi detallada del comportament dels protocols IP, TCP i UDP sobre xarxes 3GPP, que va proporcionar els fonaments adequats per a la posterior tasca d’anàlisi de protocols de senyalització sobre xarxes mòbils. Les contribucions inclouen la proposta de noves optimitzacions per a millorar els procediments d’establiment de sessions de streaming multimèdia, l’anàlisi detallat i optimització del servei de Presència basat en SIP i la definició de nous casos d’ús i exemples de desplegament d’arquitectures optimitzades per al servei 3GPP MCPTT. Aquestes contribucions ha quedat reflectides en un llibre, tres articles publicats en Revistes Internacionals amb índex JCR, 5 articles publicats en Conferències Internacionals, un article publicat en Congrés Nacional i l’adjudicació d’una patent. La tesi proporciona una descripció detallada de totes les contribucions, així com un exhaustiu repàs del seu context, dels principis fonamentals subjacents a totes les contribucions, la seva aplicabilitat a diferents tipus de desplegaments de xarxa (des de 2.5G a 5G), així una presentació detallada de les arquitectures associades definides per organismes com OMA o 3GPP. Finalment també es presenta l’evolució potencial de la tasca de recerca cap a sistemes 5G.Postprint (published version

Optimizing IETF multimedia signaling protocols and architectures in 3GPP networks : an evolutionary approach

Signaling in Next Generation IP-based networks heavily relies in the family of multimedia signaling protocols defined by IETF. Two of these signaling protocols are RTSP and SIP, which are text-based, client-server, request-response signaling protocols aimed at enabling multimedia sessions over IP networks. RTSP was conceived to set up streaming sessions from a Content / Streaming Server to a Streaming Client, while SIP was conceived to set up media (e.g.: voice, video, chat, file sharing, …) sessions among users. However, their scope has evolved and expanded over time to cover virtually any type of content and media session. As mobile networks progressively evolved towards an IP-only (All-IP) concept, particularly in 4G and 5G networks, 3GPP had to select IP-based signaling protocols for core mobile services, as opposed to traditional SS7-based protocols used in the circuit-switched domain in use in 2G and 3G networks. In that context, rather than reinventing the wheel, 3GPP decided to leverage Internet protocols and the work carried on by the IETF. Hence, it was not surprise that when 3GPP defined the so-called Packet-switched Streaming Service (PSS) for real-time continuous media delivery, it selected RTSP as its signaling protocol and, more importantly, SIP was eventually selected as the core signaling protocol for all multimedia core services in the mobile (All-)IP domain. This 3GPP decision to use off-the-shelf IETF-standardized signaling protocols has been a key cornerstone for the future of All-IP fixed / mobile networks convergence and Next Generation Networks (NGN) in general. In this context, the main goal of our work has been analyzing how such general purpose IP multimedia signaling protocols are deployed and behave over 3GPP mobile networks. Effectively, usage of IP protocols is key to enable cross-vendor interoperability. On the other hand, due to the specific nature of the mobile domain, there are scenarios where it might be possible to leverage some additional “context” to enhance the performance of such protocols in the particular case of mobile networks. With this idea in mind, the bulk of this thesis work has consisted on analyzing and optimizing the performance of SIP and RTSP multimedia signaling protocols and defining optimized deployment architectures, with particular focus on the 3GPP PSS and the 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT) service. This work was preceded by a detailed analysis work of the performance of underlying IP, UDP and TCP protocol performance over 3GPP networks, which provided the best baseline for the future work around IP multimedia signaling protocols. Our contributions include the proposal of new optimizations to enhance multimedia streaming session setup procedures, detailed analysis and optimizations of a SIP-based Presence service and, finally, the definition of new use cases and optimized deployment architectures for the 3GPP MCPTT service. All this work has been published in the form of one book, three papers published in JCR cited International Journals, 5 articles published in International Conferences, one paper published in a National Conference and one awarded patent. This thesis work provides a detailed description of all contributions plus a comprehensive overview of their context, the guiding principles beneath all contributions, their applicability to different network deployment technologies (from 2.5G to 5G), a detailed overview of the related OMA and 3GPP architectures, services and design principles. Last but not least, the potential evolution of this research work into the 5G domain is also outlined as well.Els mecanismes de Senyalització en xarxes de nova generació es fonamenten en protocols de senyalització definits per IETF. En particular, SIP i RTSP són dos protocols extensibles basats en missatges de text i paradigma petició-resposta. RTSP va ser concebut per a establir sessions de streaming de continguts, mentre SIP va ser creat inicialment per a facilitar l’establiment de sessions multimèdia (veu, vídeo, xat, compartició) entre usuaris. Tot i així, el seu àmbit d’aplicació s’ha anat expandint i evolucionant fins a cobrir virtualment qualsevol tipus de contingut i sessió multimèdia. A mesura que les xarxes mòbils han anat evolucionant cap a un paradigma “All-IP”, particularment en xarxes 4G i 5G, 3GPP va seleccionar els protocols i arquitectures destinats a gestionar la senyalització dels serveis mòbils presents i futurs. En un moment determinat 3GPP decideix que, a diferència dels sistemes 2G i 3G que fan servir protocols basats en SS7, els sistemes de nova generació farien servir protocols estandarditzats per IETF. Quan 3GPP va començar a estandarditzar el servei de Streaming sobre xarxes mòbils PSS (Packet-switched Streaming Service) va escollir el protocol RTSP com a mecanisme de senyalització. Encara més significatiu, el protocol SIP va ser escollit com a mecanisme de senyalització per a IMS (IP Multimedia Subsystem), l’arquitectura de nova generació que substituirà la xarxa telefònica tradicional i permetrà el desplegament de nous serveis multimèdia. La decisió per part de 3GPP de seleccionar protocols estàndards definits per IETF ha representat una fita cabdal per a la convergència del sistemes All-IP fixes i mòbils, i per al desenvolupament de xarxes NGN (Next Generation Networks) en general. En aquest context, el nostre objectiu inicial ha estat analitzar com aquests protocols de senyalització multimèdia, dissenyats per a xarxes IP genèriques, es comporten sobre xarxes mòbils 3GPP. Efectivament, l’ús de protocols IP és fonamental de cara a facilitar la interoperabilitat de solucions diferents. Per altra banda, hi ha escenaris a on és possible aprofitar informació de “context” addicional per a millorar el comportament d’aquests protocols en al cas particular de xarxes mòbils. El cos principal del treball de la tesi ha consistit en l’anàlisi i optimització del rendiment dels protocols de senyalització multimèdia SIP i RTSP, i la definició d’arquitectures de desplegament, amb èmfasi en els serveis 3GPP PSS i 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT). Aquest treball ha estat precedit per una feina d’anàlisi detallada del comportament dels protocols IP, TCP i UDP sobre xarxes 3GPP, que va proporcionar els fonaments adequats per a la posterior tasca d’anàlisi de protocols de senyalització sobre xarxes mòbils. Les contribucions inclouen la proposta de noves optimitzacions per a millorar els procediments d’establiment de sessions de streaming multimèdia, l’anàlisi detallat i optimització del servei de Presència basat en SIP i la definició de nous casos d’ús i exemples de desplegament d’arquitectures optimitzades per al servei 3GPP MCPTT. Aquestes contribucions ha quedat reflectides en un llibre, tres articles publicats en Revistes Internacionals amb índex JCR, 5 articles publicats en Conferències Internacionals, un article publicat en Congrés Nacional i l’adjudicació d’una patent. La tesi proporciona una descripció detallada de totes les contribucions, així com un exhaustiu repàs del seu context, dels principis fonamentals subjacents a totes les contribucions, la seva aplicabilitat a diferents tipus de desplegaments de xarxa (des de 2.5G a 5G), així una presentació detallada de les arquitectures associades definides per organismes com OMA o 3GPP. Finalment també es presenta l’evolució potencial de la tasca de recerca cap a sistemes 5G

A distributed man-machine dispatching architecture for emergency operations based on 3GPP mission critical services

With the number of non-human devices expected to significantly overtake human users of LTE networks, it is no surprise that First Responders in Mission Critical operations will need to interact with an increasing number of unmanned devices, “bots” or drones. In the paper we propose the Mission Critical “bot” concept as an entity capable of gathering environmental/situational information and triggering certain automated actions without the need of human intervention. We prove that in certain circumstances these bots can help quickly resolve emergency situations and complement traditional centralized coordination from Dispatch Control Rooms. We explain how such “bots” relate and expand the 3GPP Mission Critical Communications architecture framework, considering different architectural approaches and complexity levels. Importantly, because First Responders must remain focused, hands-free and context-aware most of the time, we cover specifically the case where man-machine interaction is based on voice communication without having to use hands or look at a screen. It is hence of particular interest to convert “bot” interactions into audio information exchanged over push-to-talk communication services, be it through the cellular network or leveraging the 3GPP device-to-device capability. The paper is complemented with theoretical use cases as well as description and multimedia material of a prototype implementation of a concept emulator.Peer ReviewedPostprint (published version

Achievable bandwidth estimation for stations in multi-rate IEEE 802.11 WLAN cells

This paper analyzes the effect of multi-rate transmissions in a CSMA wireless LAN environment. Observations in a real testbed showed that bandwidth resources (in Bytes/s) are shared fairly among all stations even though transmissions carried out at lower rates capture the medium for longer periods, which drastically reduces the overall throughput. The intrinsic concept of fairness in a CSMA scheme with multiple rates is quantified by means of a new formulation which is validated through simulations and practical measurements. The algorithm presented provides the maximum achievable bandwidth that can be offered to a given IEEE 802.11 station. Having this information has evident applications in realtime multimedia transmissions over WLANs. The algorithm was also run in commercial APs as a proof of concept, after analyzing its implementation issues

Web browsing optimization over 2.5G and 3G: end-to-end mechanisms vs. usage of performance enhancing proxies

Published version on Wiley's platform: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/wcm.4562.5 Generation (2.5G) and Third Generation (3G) cellular wireless networks allow mobile Internet access withbearers specifically designed for data communications. However, Internet protocols under-utilize wireless widearea network (WWAN) link resources, mainly due to large round trip times (RTTs) and request–reply protocolpatterns. Web browsing is a popular service that suffers significant performance degradation over 2.5G and 3G. Inthis paper, we review and compare the two main approaches for improving web browsing performance over wirelesslinks: (i) using adequate end-to-end parameters and mechanisms and (ii) interposing a performance enhancingproxy (PEP) between the wireless and wired parts. We conclude that PEPs are currently the only feasible way forsignificantly optimizing web browsing behavior over 2.5G and 3G. In addition, we evaluate the two main currentcommercial PEPs over live general packet radio service (GPRS) and universal mobile telecommunications system(UMTS) networks. The results show that PEPs can lead to near-ideal web browsing performance in certain scenarios.Postprint (published version

Optimizing IETF multimedia signaling protocols and architectures in 3GPP networks : an evolutionary approach

Signaling in Next Generation IP-based networks heavily relies in the family of multimedia signaling protocols defined by IETF. Two of these signaling protocols are RTSP and SIP, which are text-based, client-server, request-response signaling protocols aimed at enabling multimedia sessions over IP networks. RTSP was conceived to set up streaming sessions from a Content / Streaming Server to a Streaming Client, while SIP was conceived to set up media (e.g.: voice, video, chat, file sharing, …) sessions among users. However, their scope has evolved and expanded over time to cover virtually any type of content and media session. As mobile networks progressively evolved towards an IP-only (All-IP) concept, particularly in 4G and 5G networks, 3GPP had to select IP-based signaling protocols for core mobile services, as opposed to traditional SS7-based protocols used in the circuit-switched domain in use in 2G and 3G networks. In that context, rather than reinventing the wheel, 3GPP decided to leverage Internet protocols and the work carried on by the IETF. Hence, it was not surprise that when 3GPP defined the so-called Packet-switched Streaming Service (PSS) for real-time continuous media delivery, it selected RTSP as its signaling protocol and, more importantly, SIP was eventually selected as the core signaling protocol for all multimedia core services in the mobile (All-)IP domain. This 3GPP decision to use off-the-shelf IETF-standardized signaling protocols has been a key cornerstone for the future of All-IP fixed / mobile networks convergence and Next Generation Networks (NGN) in general. In this context, the main goal of our work has been analyzing how such general purpose IP multimedia signaling protocols are deployed and behave over 3GPP mobile networks. Effectively, usage of IP protocols is key to enable cross-vendor interoperability. On the other hand, due to the specific nature of the mobile domain, there are scenarios where it might be possible to leverage some additional “context” to enhance the performance of such protocols in the particular case of mobile networks. With this idea in mind, the bulk of this thesis work has consisted on analyzing and optimizing the performance of SIP and RTSP multimedia signaling protocols and defining optimized deployment architectures, with particular focus on the 3GPP PSS and the 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT) service. This work was preceded by a detailed analysis work of the performance of underlying IP, UDP and TCP protocol performance over 3GPP networks, which provided the best baseline for the future work around IP multimedia signaling protocols. Our contributions include the proposal of new optimizations to enhance multimedia streaming session setup procedures, detailed analysis and optimizations of a SIP-based Presence service and, finally, the definition of new use cases and optimized deployment architectures for the 3GPP MCPTT service. All this work has been published in the form of one book, three papers published in JCR cited International Journals, 5 articles published in International Conferences, one paper published in a National Conference and one awarded patent. This thesis work provides a detailed description of all contributions plus a comprehensive overview of their context, the guiding principles beneath all contributions, their applicability to different network deployment technologies (from 2.5G to 5G), a detailed overview of the related OMA and 3GPP architectures, services and design principles. Last but not least, the potential evolution of this research work into the 5G domain is also outlined as well.Els mecanismes de Senyalització en xarxes de nova generació es fonamenten en protocols de senyalització definits per IETF. En particular, SIP i RTSP són dos protocols extensibles basats en missatges de text i paradigma petició-resposta. RTSP va ser concebut per a establir sessions de streaming de continguts, mentre SIP va ser creat inicialment per a facilitar l’establiment de sessions multimèdia (veu, vídeo, xat, compartició) entre usuaris. Tot i així, el seu àmbit d’aplicació s’ha anat expandint i evolucionant fins a cobrir virtualment qualsevol tipus de contingut i sessió multimèdia. A mesura que les xarxes mòbils han anat evolucionant cap a un paradigma “All-IP”, particularment en xarxes 4G i 5G, 3GPP va seleccionar els protocols i arquitectures destinats a gestionar la senyalització dels serveis mòbils presents i futurs. En un moment determinat 3GPP decideix que, a diferència dels sistemes 2G i 3G que fan servir protocols basats en SS7, els sistemes de nova generació farien servir protocols estandarditzats per IETF. Quan 3GPP va començar a estandarditzar el servei de Streaming sobre xarxes mòbils PSS (Packet-switched Streaming Service) va escollir el protocol RTSP com a mecanisme de senyalització. Encara més significatiu, el protocol SIP va ser escollit com a mecanisme de senyalització per a IMS (IP Multimedia Subsystem), l’arquitectura de nova generació que substituirà la xarxa telefònica tradicional i permetrà el desplegament de nous serveis multimèdia. La decisió per part de 3GPP de seleccionar protocols estàndards definits per IETF ha representat una fita cabdal per a la convergència del sistemes All-IP fixes i mòbils, i per al desenvolupament de xarxes NGN (Next Generation Networks) en general. En aquest context, el nostre objectiu inicial ha estat analitzar com aquests protocols de senyalització multimèdia, dissenyats per a xarxes IP genèriques, es comporten sobre xarxes mòbils 3GPP. Efectivament, l’ús de protocols IP és fonamental de cara a facilitar la interoperabilitat de solucions diferents. Per altra banda, hi ha escenaris a on és possible aprofitar informació de “context” addicional per a millorar el comportament d’aquests protocols en al cas particular de xarxes mòbils. El cos principal del treball de la tesi ha consistit en l’anàlisi i optimització del rendiment dels protocols de senyalització multimèdia SIP i RTSP, i la definició d’arquitectures de desplegament, amb èmfasi en els serveis 3GPP PSS i 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT). Aquest treball ha estat precedit per una feina d’anàlisi detallada del comportament dels protocols IP, TCP i UDP sobre xarxes 3GPP, que va proporcionar els fonaments adequats per a la posterior tasca d’anàlisi de protocols de senyalització sobre xarxes mòbils. Les contribucions inclouen la proposta de noves optimitzacions per a millorar els procediments d’establiment de sessions de streaming multimèdia, l’anàlisi detallat i optimització del servei de Presència basat en SIP i la definició de nous casos d’ús i exemples de desplegament d’arquitectures optimitzades per al servei 3GPP MCPTT. Aquestes contribucions ha quedat reflectides en un llibre, tres articles publicats en Revistes Internacionals amb índex JCR, 5 articles publicats en Conferències Internacionals, un article publicat en Congrés Nacional i l’adjudicació d’una patent. La tesi proporciona una descripció detallada de totes les contribucions, així com un exhaustiu repàs del seu context, dels principis fonamentals subjacents a totes les contribucions, la seva aplicabilitat a diferents tipus de desplegaments de xarxa (des de 2.5G a 5G), així una presentació detallada de les arquitectures associades definides per organismes com OMA o 3GPP. Finalment també es presenta l’evolució potencial de la tasca de recerca cap a sistemes 5G

Optimizing IETF multimedia signaling protocols and architectures in 3GPP networks : an evolutionary approach

Signaling in Next Generation IP-based networks heavily relies in the family of multimedia signaling protocols defined by IETF. Two of these signaling protocols are RTSP and SIP, which are text-based, client-server, request-response signaling protocols aimed at enabling multimedia sessions over IP networks. RTSP was conceived to set up streaming sessions from a Content / Streaming Server to a Streaming Client, while SIP was conceived to set up media (e.g.: voice, video, chat, file sharing, …) sessions among users. However, their scope has evolved and expanded over time to cover virtually any type of content and media session. As mobile networks progressively evolved towards an IP-only (All-IP) concept, particularly in 4G and 5G networks, 3GPP had to select IP-based signaling protocols for core mobile services, as opposed to traditional SS7-based protocols used in the circuit-switched domain in use in 2G and 3G networks. In that context, rather than reinventing the wheel, 3GPP decided to leverage Internet protocols and the work carried on by the IETF. Hence, it was not surprise that when 3GPP defined the so-called Packet-switched Streaming Service (PSS) for real-time continuous media delivery, it selected RTSP as its signaling protocol and, more importantly, SIP was eventually selected as the core signaling protocol for all multimedia core services in the mobile (All-)IP domain. This 3GPP decision to use off-the-shelf IETF-standardized signaling protocols has been a key cornerstone for the future of All-IP fixed / mobile networks convergence and Next Generation Networks (NGN) in general. In this context, the main goal of our work has been analyzing how such general purpose IP multimedia signaling protocols are deployed and behave over 3GPP mobile networks. Effectively, usage of IP protocols is key to enable cross-vendor interoperability. On the other hand, due to the specific nature of the mobile domain, there are scenarios where it might be possible to leverage some additional “context” to enhance the performance of such protocols in the particular case of mobile networks. With this idea in mind, the bulk of this thesis work has consisted on analyzing and optimizing the performance of SIP and RTSP multimedia signaling protocols and defining optimized deployment architectures, with particular focus on the 3GPP PSS and the 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT) service. This work was preceded by a detailed analysis work of the performance of underlying IP, UDP and TCP protocol performance over 3GPP networks, which provided the best baseline for the future work around IP multimedia signaling protocols. Our contributions include the proposal of new optimizations to enhance multimedia streaming session setup procedures, detailed analysis and optimizations of a SIP-based Presence service and, finally, the definition of new use cases and optimized deployment architectures for the 3GPP MCPTT service. All this work has been published in the form of one book, three papers published in JCR cited International Journals, 5 articles published in International Conferences, one paper published in a National Conference and one awarded patent. This thesis work provides a detailed description of all contributions plus a comprehensive overview of their context, the guiding principles beneath all contributions, their applicability to different network deployment technologies (from 2.5G to 5G), a detailed overview of the related OMA and 3GPP architectures, services and design principles. Last but not least, the potential evolution of this research work into the 5G domain is also outlined as well.Els mecanismes de Senyalització en xarxes de nova generació es fonamenten en protocols de senyalització definits per IETF. En particular, SIP i RTSP són dos protocols extensibles basats en missatges de text i paradigma petició-resposta. RTSP va ser concebut per a establir sessions de streaming de continguts, mentre SIP va ser creat inicialment per a facilitar l’establiment de sessions multimèdia (veu, vídeo, xat, compartició) entre usuaris. Tot i així, el seu àmbit d’aplicació s’ha anat expandint i evolucionant fins a cobrir virtualment qualsevol tipus de contingut i sessió multimèdia. A mesura que les xarxes mòbils han anat evolucionant cap a un paradigma “All-IP”, particularment en xarxes 4G i 5G, 3GPP va seleccionar els protocols i arquitectures destinats a gestionar la senyalització dels serveis mòbils presents i futurs. En un moment determinat 3GPP decideix que, a diferència dels sistemes 2G i 3G que fan servir protocols basats en SS7, els sistemes de nova generació farien servir protocols estandarditzats per IETF. Quan 3GPP va començar a estandarditzar el servei de Streaming sobre xarxes mòbils PSS (Packet-switched Streaming Service) va escollir el protocol RTSP com a mecanisme de senyalització. Encara més significatiu, el protocol SIP va ser escollit com a mecanisme de senyalització per a IMS (IP Multimedia Subsystem), l’arquitectura de nova generació que substituirà la xarxa telefònica tradicional i permetrà el desplegament de nous serveis multimèdia. La decisió per part de 3GPP de seleccionar protocols estàndards definits per IETF ha representat una fita cabdal per a la convergència del sistemes All-IP fixes i mòbils, i per al desenvolupament de xarxes NGN (Next Generation Networks) en general. En aquest context, el nostre objectiu inicial ha estat analitzar com aquests protocols de senyalització multimèdia, dissenyats per a xarxes IP genèriques, es comporten sobre xarxes mòbils 3GPP. Efectivament, l’ús de protocols IP és fonamental de cara a facilitar la interoperabilitat de solucions diferents. Per altra banda, hi ha escenaris a on és possible aprofitar informació de “context” addicional per a millorar el comportament d’aquests protocols en al cas particular de xarxes mòbils. El cos principal del treball de la tesi ha consistit en l’anàlisi i optimització del rendiment dels protocols de senyalització multimèdia SIP i RTSP, i la definició d’arquitectures de desplegament, amb èmfasi en els serveis 3GPP PSS i 3GPP Mission Critical Push-to-Talk (MCPTT). Aquest treball ha estat precedit per una feina d’anàlisi detallada del comportament dels protocols IP, TCP i UDP sobre xarxes 3GPP, que va proporcionar els fonaments adequats per a la posterior tasca d’anàlisi de protocols de senyalització sobre xarxes mòbils. Les contribucions inclouen la proposta de noves optimitzacions per a millorar els procediments d’establiment de sessions de streaming multimèdia, l’anàlisi detallat i optimització del servei de Presència basat en SIP i la definició de nous casos d’ús i exemples de desplegament d’arquitectures optimitzades per al servei 3GPP MCPTT. Aquestes contribucions ha quedat reflectides en un llibre, tres articles publicats en Revistes Internacionals amb índex JCR, 5 articles publicats en Conferències Internacionals, un article publicat en Congrés Nacional i l’adjudicació d’una patent. La tesi proporciona una descripció detallada de totes les contribucions, així com un exhaustiu repàs del seu context, dels principis fonamentals subjacents a totes les contribucions, la seva aplicabilitat a diferents tipus de desplegaments de xarxa (des de 2.5G a 5G), així una presentació detallada de les arquitectures associades definides per organismes com OMA o 3GPP. Finalment també es presenta l’evolució potencial de la tasca de recerca cap a sistemes 5G

A distributed man-machine dispatching architecture for emergency operations based on 3GPP mission critical services

With the number of non-human devices expected to significantly overtake human users of LTE networks, it is no surprise that First Responders in Mission Critical operations will need to interact with an increasing number of unmanned devices, “bots” or drones. In the paper we propose the Mission Critical “bot” concept as an entity capable of gathering environmental/situational information and triggering certain automated actions without the need of human intervention. We prove that in certain circumstances these bots can help quickly resolve emergency situations and complement traditional centralized coordination from Dispatch Control Rooms. We explain how such “bots” relate and expand the 3GPP Mission Critical Communications architecture framework, considering different architectural approaches and complexity levels. Importantly, because First Responders must remain focused, hands-free and context-aware most of the time, we cover specifically the case where man-machine interaction is based on voice communication without having to use hands or look at a screen. It is hence of particular interest to convert “bot” interactions into audio information exchanged over push-to-talk communication services, be it through the cellular network or leveraging the 3GPP device-to-device capability. The paper is complemented with theoretical use cases as well as description and multimedia material of a prototype implementation of a concept emulator.Peer Reviewe

Achievable bandwidth estimation for stations in multi-rate IEEE 802.11 WLAN cells

This paper analyzes the effect of multi-rate transmissions in a CSMA wireless LAN environment. Observations in a real testbed showed that bandwidth resources (in Bytes/s) are shared fairly among all stations even though transmissions carried out at lower rates capture the medium for longer periods, which drastically reduces the overall throughput. The intrinsic concept of fairness in a CSMA scheme with multiple rates is quantified by means of a new formulation which is validated through simulations and practical measurements. The algorithm presented provides the maximum achievable bandwidth that can be offered to a given IEEE 802.11 station. Having this information has evident applications in realtime multimedia transmissions over WLANs. The algorithm was also run in commercial APs as a proof of concept, after analyzing its implementation issues

Achievable bandwidth estimation for stations in multi-rate IEEE 802.11 WLAN cells

This paper analyzes the effect of multi-rate transmissions in a CSMA wireless LAN environment. Observations in a real testbed showed that bandwidth resources (in Bytes/s) are shared fairly among all stations even though transmissions carried out at lower rates capture the medium for longer periods, which drastically reduces the overall throughput. The intrinsic concept of fairness in a CSMA scheme with multiple rates is quantified by means of a new formulation which is validated through simulations and practical measurements. The algorithm presented provides the maximum achievable bandwidth that can be offered to a given IEEE 802.11 station. Having this information has evident applications in realtime multimedia transmissions over WLANs. The algorithm was also run in commercial APs as a proof of concept, after analyzing its implementation issues