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
