Ενοποιημένη σηματοδοσία IP σε εξελιγμένη αρχιτεκτονική κινητού δικτύου επόμενης γενιάς

Abstract

The scope of this thesis is the design and the investigation of an evolved architecture for Next Generation Mobile Networks. The proposed approach aims at the achievement of deeper IP penetration into the UMTS protocol stack, based on the definition of a flexible all-IP Core Network, as well as the adoption of unified IP signaling, by utilizing Session Initiation Protocol (SIP) as a generic control mechanism of Packet Switched Services. The above result in the replacement of the traditional UMTS processes by fully IP-based mechanisms, while substantial performance advantages, such as lighter signaling load, faster control procedures and optimized packet routing, are accomplished. The current thesis will present a complete description of the proposed evolved architecture for Next Generation Mobile Networks in seven (7) chapters. Chapter 1 is a short introduction into the scientific area and the content of the thesis. A brief presentation of the UMTS Network, in the evolution of which is the proposed architecture founded on, is presented in Chapter 2. In the framework of Chapter 3, the legacy UMTS Control procedures for Packet Switched services are analyzed. The analysis of these procedures in separate chapter was considered necessary, since they constitute the basis of the Generic Control Procedures, defined in the context of the proposed evolved architecture. The evolved architecture is presented in detail in Chapters 4 and 5. Chapter 4 performs a brief survey of the current research activities in the given scientific area and describes the basic principles of the proposed concept, namely the network and protocol architecture. The Generic Control Procedures, based on the proposed unified IP signalling, are analyzed in Chapter 5. A complete evaluation of the proposed network and protocol architecture is performed in Chapter 6. In order to evaluate the target architecture and substantiate its actual effectiveness, a series of experiments was carried out, by utilizing a fully functional emulator. The main part of this thesis is completed in Chapter 7, where the main conclusions are summarized and the future extensions are presented.

Το αντικείμενο έρευνας της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ο σχεδιασμός και η μελέτη μιας εξελιγμένης συνολικής αρχιτεκτονικής για κινητά δίκτυα επόμενης Γενιάς. Η προτεινόμενη από τη διατριβή προσέγγιση αποσκοπεί στην επίτευξη της βαθύτερης διείσδυσης του πρωτοκόλλου IP στη στοίβα πρωτοκόλλων UMTS, με τον ορισμό ενός ευέλικτου Δικτύου Πυρήνα, πλήρως βασισμένου στο IP, καθώς και την υιοθέτηση ενοποιημένης IP σηματοδοσίας, με χρήση του Πρωτοκόλλου Έναρξης Συνόδου, ως γενικού μηχανισμού ελέγχου των υπηρεσιών Μεταγωγής Πακέτου. Τα παραπάνω οδηγούν στην αντικατάσταση των παραδοσιακών λειτουργιών UMTS από μηχανισμούς αποκλειστικά βασισμένους στο IP (αναφερόμενοι ως Γενικευμένες Διαδικασίες Ελέγχου), ενώ παράλληλα επιτυγχάνονται σημαντικά πλεονεκτήματα επίδοσης, όπως είναι το ελαφρύτερο φορτίο σηματοδοσίας, οι ταχύτερες διαδικασίες ελέγχου, η βελτιστοποιημένη διαδρομή δρομολόγησης πακέτων κ.α. Η διδακτορική διατριβή θα παρουσιάσει μια πλήρη περιγραφή της προτεινόμενης εξελιγμένης αρχιτεκτονικής για Κινητά Δίκτυα επόμενης Γενιάς σε επτά (7) συνολικά κεφάλαια. Το Κεφάλαιο 1 αποτελεί μια γενική ολιγοσέλιδη εισαγωγή του αναγνώστη στο γνωστικό πεδίο και το περιεχόμενο της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 2 παρατίθεται μια σύντομη παρουσίαση του Δικτύου UMTS, στην εξέλιξη του οποίου στηρίζεται η αρχιτεκτονική που προτείνεται. Ακολουθεί το Κεφάλαιο 3, όπου αναλύονται συνοπτικά οι παραδοσιακές διαδικασίες ελέγχου UMTS για υπηρεσίες Μεταγωγής Πακέτου, πάνω στις οποίες βασίζονται οι προτεινόμενες Γενικευμένες Διαδικασίες Ελέγχου. Η εξελιγμένη αρχιτεκτονική παρουσιάζεται αναλυτικά στα Κεφάλαια 4 και 5 της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 4 πραγματοποιείται μια σύντομη ανασκόπηση της υφιστάμενης ερευνητικής δραστηριότητας στην εν λόγω επιστημονική περιοχή και παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της προτεινόμενης εξελιγμένης αρχιτεκτονικής, δηλαδή, η Διάταξη Αναφοράς των κόμβων του Δικτύου, καθώς και η Διάταξη Αναφοράς των αντίστοιχων πρωτοκόλλων. Στο Κεφάλαιο 5 αναλύονται οι Γενικευμένες Διαδικασίες Ελέγχου, οι οποίες προκύπτουν με χρήση της προτεινόμενης Ενοποιημένης Σηματοδοσίας IP. Στο Κεφάλαιο 6 πραγματοποιείται η συνολική αποτίμηση της προτεινόμενης, στα πλαίσια της διατριβής, εξελιγμένης αρχιτεκτονικής, εξακριβώνοντας την πληρότητα και την ευστάθεια λειτουργίας του συστήματος και εξετάζοντας την ανάλυση επιδόσεων, αναφορικά με διάφορες παραμέτρους Ποιότητας Υπηρεσίας. Για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων έχει εκτελεστεί ένα σύνολο δοκιμών στο πειραματικό δίκτυο εξομοίωσης της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, το οποίο έχει σχεδιαστεί και υλοποιηθεί ειδικά γι’ αυτό το σκοπό. Το κύριο μέρος της διατριβής ολοκληρώνεται με το Κεφάλαιο 7, όπου συνοψίζονται τα κυριότερα συμπεράσματα και παρουσιάζονται οι μελλοντικές επεκτάσεις.