Seamless Mobility In 4G Systems

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Pablo Vidales
University Of Cambridge Computer Laboratory

1 Introduction 13
1.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . .15
1.3 Contribution . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Outline of the rest of the dissertation . . . . . . . . . 17

2 Mobility Management Overview 19
2.1 IPv6: Next generation Internet protocol . . . . . . . 19
2.2 Terminal mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Mobile IPv6: How does it work? . . . . . . . 22
2.3 Terminal mobility protocols . . . . . . . . . .23
2.3.1 Micro-mobility solutions . . . . . . . . . . . . 25

2.3.2 Macro-mobility solutions . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Policy models to enable seamless mobility . . . . . . . . 27

3 The LCE-CL Experimental Setup 31
3.1 Integration techniques . . . . . . . . . 32
3.1.1 OSI-layer integration . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 Networking-component integration . . . . . . 33
3.1.3 OSI-functionality integration . . . . . . . . . . 34
3.2 The testbed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1 The Sentient Car . . . . . . . . 40
3.5 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.1 Operational software . . . . . . . . . . 42
3.5.2 Analysis tools . . . . . . . . . 42
3.6 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4 Evaluation and Networking Improvements for 4G Systems 45
4.1 Optimisations to Mobile IPv6 . . . . . . . . . 46
4.2 Experimental environment . . . . . . 47
4.3 Experiments to evaluate MIPv6 . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.1 Mobile IPv6 network layer performance (IP) . . . . . 48
4.3.2 Mobile IPv6 transport layer performance (UDP) . . . . 49
4.3.3 Mobile IPv6 impact on the transport layer (TCP) . . . 50
4.3.4 Packet overhead . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Vertical handover latency characterisation . . . . . . . .52
4.4.1 Analytical representation of latency partition . . . . . 54
4.4.2 Experimental latency partition . . . . . . 56
4.5 Impacting MIPv6 latency . . . . . . . 60
4.5.1 RA frequency . . . . . . 60
4.5.2 RA caching . . . . . . . . 61
4.5.3 BU simulcasting . . . . . . 61
4.5.4 Soft handover . . . . . . 62
4.6 Related work . . . . . . . . 64
4.7 Remarks . . . . . . . . . . 65

And Please Add Reputation

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5 Autonomic System for Future Networks 67
5.1 The Problem: Seamless complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1.1 Autonomic solution for 4G systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1.2 A novel approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.1 Network-side components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.2 Host-side components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3 Networking Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4 Policy model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4.1 Policy specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4.2 An evaluation model based on FSTs . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4.3 Modelling policies with TFFSTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.5 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.5.1 Policy translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.5.2 Conflict resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5.3 Model distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.5.4 Context gathering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5.5 Policy evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5.6 Tautness function computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5.7 Policy enforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.6 Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86


6 Evaluation 89
6.1 Test case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.1.1 Test case inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1.2 Case discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2 Resource usage and overheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2.1 TFFST construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2.2 TFFST distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2.3 TFFST computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3 Feasibility of deployment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.4 Scalability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.5 Qualitative analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5.1 System comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

7 Conclusion 107
7.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.2 Future research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
A Glossary 111
A.1 Definition of terms and concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.2 Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
B Policy Evaluation and Conflict Resolution 121
B.1 Transducers and Tautness functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
B.1.1 Recognisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
B.1.2 Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
B.1.3 Tautness functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
B.2 An Algebra for Tautness Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
B.3 Transducers with Tautness Functions and Identities . . . . . . . . . . . . . 124
B.4 Operations on TFFST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
B.4.1 Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
B.4.2 Union . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
B.4.3 Intersection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
B.4.4 Complement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
B.5 Conflict resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
B.5.1 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
B.5.2 Determinisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Bibliography 132