Dynamic optimal fragmentation with rate adaptation (DORA) is an algorithm to achieve maximum goodput in wireless mobile networks. With the analytical model that incorporates number of users, contentions, packet lengths, and bit error rates in the network, DORA computes a fragmentation threshold and transmits optimal sized packets with maximum rates. To estimate the SNR in the model, an adaptive on-demand UDP estimator is designed to reduce overheads. Test-beds to execute experiments for channel estimation, WLANs, Ad Hoc networks, and Vehicle-to-Vehicle networks are developed to evaluate the performance of DORA. DORA is an energy-efficient generic CSMA/CA MAC protocol for wireless mobile computing applications, and enhances system goodput in WLANs, Ad Hoc networks, and Vehicle-to-Vehicle networks without modification of the protocols.

In recent years, the development of mobile networks is thriving or flourishing from 2G GSM, 2.5G GPRS, 3G UMTS to All-IP 4G, which integrates all heterogeneous networks and becomes mature and popular nowadays. Using mobile devices for voice transferring and multimedia sharing is also a part of our life. Mobile networks provide us an efficient way to exchange messages easily. However, these messages often contain critical personal data or private information. Transferring these messages freely in mobile network is dangerous since they can be eavesdropped easily by malicious mobile users for some illegal purposes, such as committing a crime. Hence, to avoid the exposure of the transmitted messages, robust security mechanisms are required. In this thesis, we will propose a one-round mutual authentication protocol which is computation and communication efficient and secure such that the privacy of mobile users¡¦ identities and the confidentiality of their transmitted data are guaranteed. In computation complexity, the protocol only employs symmetric encryption and hash-mac functions. Due to the possession of forward secrecy, the past encrypted messages are secure, even under the exposure of long-term keys. Furthermore, our scheme achieves the goal of user privacy and location privacy by changing TMSI in every session. Therefore, the third party cannot link two different sessions by eavesdropping the communication. Finally, our scheme also can prevent false base attacks which make use of a powerful base station to redirect mobile users¡¦ messages to a fake base station to obtain certain advantages.

This work studies application acceleration for wireless and mobile data networks. The problem of accelerating application can be addressed along multiple dimensions. The first dimension is advanced network protocol design, i.e., optimizing underlying network protocols, particulary transport layer protocol and link layer protocol. Despite advanced network protocol design, in this work we observe that certain application behaviors can fundamentally limit the performance achievable when operating over wireless and mobile data networks. The performance difference is caused by the complex application behaviors of these non-FTP applications. Explicitly dealing with application behaviors can improve application performance for new environments. Along this overcoming application behavior dimension, we accelerate applications by studying specific types of applications including Client-server, Peer-to-peer and Location-based applications. In exploring along this dimension, we identify a set of application behaviors that significantly affect application performance. To accommodate these application behaviors, we firstly extract general design principles that can apply to any applications whenever possible. These design principles can also be integrated into new application designs. We also consider specific applications by applying these design principles and build prototypes to demonstrate the effectiveness of the solutions. In the context of application acceleration, even though all the challenges belong to the two aforementioned dimensions of advanced network protocol design and overcoming application behavior are addressed, application performance can still be limited by the underlying network capability, particularly physical bandwidth. In this work, we study the possibility of speeding up data delivery by eliminating traffic redundancy present in application traffics. Specifically, we first study the traffic redundancy along multiple dimensions using traces obtained from multiple real wireless network deployments. Based on the insights obtained from the analysis, we propose Wireless Memory (WM), a two-ended AP-client solution to effectively exploit traffic redundancy in wireless and mobile environments. Application acceleration can be achieved along two other dimensions: network provision ing and quality of service (QoS). Network provisioning allocates network resources such as physical bandwidth or wireless spectrum, while QoS provides different priority to different applications, users, or data flows. These two dimensions have their respective limitations in the context of application acceleration. In this work, we focus on the two dimensions of overcoming application behavior and Eliminating traffic redundancy to improve application performance. The contribution of this work is as follows. First, we study the problem of application acceleration for wireless and mobile data networks, and we characterize the dimensions along which to address the problem. Second, we identify that application behaviors can significantly affect application performance, and we propose a set of design principles to deal with the behaviors. We also build prototypes to conduct system research. Third, we consider traffic redundancy elimination and propose a wireless memory approach.

Localization is a fundamental operation for many wireless networks. While GPS is widely used for location determination, it is unavailable in many environments either due to its high cost or the lack of line of sight to the satellites (e.g., indoors, under the ground, or in a downtown canyon). The limitations of GPS have motivated researchers to develop many localization schemes to infer locations based on measured wireless signals. However, most of these existing schemes focus on localization in static wireless networks. As many wireless networks are mobile (e.g., mobile sensor networks, disaster recovery networks, and vehicular networks), we focus on localization in mobile networks in this thesis. We analyze real mobility traces and find that they exhibit temporal stability and low-rank structure. Motivated by this observation, we develop three novel localization schemes to accurately determine locations in mobile networks: 1. Low Rank based Localization (LRL), which exploits the low-rank structure in mobility. 2. Temporal Stability based Localization (TSL), which leverages the temporal stability. 3. Temporal Stability and Low Rank based Localization (TSLRL), which incorporates both the temporal stability and the low-rank structure. These localization schemes are general and can leverage either mere connectivity (i.e., range-free localization) or distance estimation between neighbors (i.e., range-based localization). Using extensive simulations and testbed experiments, we show that our new schemes significantly outperform state-of-the-art localization schemes under a wide range of scenarios and are robust to measurement errors. / text

Ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία. Στη ραγδαία εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας παράλληλα πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) – UMTS γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία HSPA. Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3GPP ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Κατά συνέπεια, η αγορά κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη του αποκαλούμενου «Mobile Broadband». Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής δεδομένων (multicasting) στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η MBMS υπηρεσία έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Το κρισιμότερο σημείο που εντοπίζεται κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι ο αποτελεσματικός έλεγχος ισχύος. Οι σταθμοί βάσης των κυψελωτών αυτών δικτύων διαθέτουν περιορισμένους πόρους ισχύος (άρα και περιορισμένη χωρητικότητα κυψέλης), γεγονός που επιβάλλει τη χρήση μίας βέλτιστης στρατηγικής για την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος στοχεύει στη μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος, στην ελαχιστοποίηση του θορύβου στο κυψελωτό δίκτυο και κατά συνέπεια στη διασφάλιση μεγαλύτερης χωρητικότητας επιπλέον χρηστών. Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς κατά τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων αποτελεί η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς για τη μετάδοση των δεδομένων από τον κόμβο RNC στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS στάνταρ έχει αναπτυχθεί ένας μηχανισμός που αποκαλείται Counting Mechanism. Ο στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UTRAN (διεπαφές Iub και Uu). Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα του υπάρχοντος Counting Mechanism είναι η απουσία ευρυζωνικών χαρακτηριστικών καθώς και η σπατάλη σημαντικού τμήματος των (ούτως ή άλλως περιορισμένων) πόρων ισχύος. Εν γένει, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των πολυμεσικών δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Γίνεται σαφές, λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση του υπάρχοντος Counting Mechanism για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων για τη βελτιστοποίηση του Counting Mechanism. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της μεταπτυχιακής αυτής εργασίας είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSDPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Η MBMS υπηρεσία μέχρι τώρα βασίζεται στη λειτουργικότητα των υπαρχόντων UMTS δικτύων. Ο συνδυασμός των δύο αυτών προτύπων, δηλαδή του MBMS και του HSDPA, υπόσχεται τόσο την παροχή ευρυζωνικών πολυμεσικών δεδομένων σε μεγάλο πλήθος κινητών χρηστών όσο και τη βέλτιστη επίτευξη ελέγχου ισχύος. Προς αυτή την κατεύθυνση, θα πραγματοποιηθεί ανάλυση όλων των υπαρχόντων καναλιών μεταφοράς του UMTS καθώς και της τεχνολογίας HSDPA και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed–Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, και κατά συνέπεια με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν, την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη, τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της κυψέλης κ.α. Επίσης, αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η εύρεση ενός κατάλληλου σημείου εναλλαγής μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Θα διερευνηθούν τεχνικές μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος και θα προταθούν νέες παραλλαγές του Counting Mechanism με ανώτερα χαρακτηριστικά διαχείρισης και κατανομής πόρων ισχύος. Οι νέοι αυτοί μηχανισμοί υπόσχονται βελτιωμένη απόδοση, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών. Τέλος, θα διερευνηθούν και νέες, πιο αποδοτικές τεχνικές για τη μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων στα μελλοντικά δίκτυα LTE. Στην περίπτωση αυτή λαμβάνονται υπόψιν όλες οι βασικές τεχνικές μετάδοσης δεδομένων όπως τα MIMO κεραιοσυστήματα. / Due to rapid growth of mobile communications technology, the demand for wireless multimedia communications thrives in today’s consumer and corporate market. The need to evolve multimedia applications and services is at a critical point given the proliferation and integration of wireless systems. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide highspeed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. High Speed Packet Access (HSPA) constitutes a significant step towards the so-called Mobile Broadband. HSPA supports both downlink and uplink communication through the HSDPA and HSUPA channels, respectively. HSPA promises the provision of enhanced end-users’ experience with a wide range of novel, interactive applications, faster performance and reduced delays. Furthermore, from the operators’ prism, HSPA ensures improved network performance, increased capacity and higher coverage. Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) is a novel framework, extending the existing UMTS infrastructure that constitutes a significant step towards the so-called Mobile Broadband. MBMS is intended to efficiently use network and radio resources, both in the core network and, most importantly, in the air interface of UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), where the bottleneck is placed to a large group of users. Actually, MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. MBMS is an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia and application services such as IP Video Conferencing, Streaming Video by supporting both broadcast and multicast transmission modes. Long Term Evolution (LTE) will stretch the performance of 3G systems with improved coverage and system capacity, as well as increased data rates and reduced latency. LTE also provides a tight integration between unicast and multicast/broadcast MBMS transport bearers. Moreover, it also takes 3G-MBMS one step further to provide highly efficient multi-cell broadcast. By transmitting not only identical signals from multiple cell sites (with identical coding and modulation), but also synchronize the transmission timing between cells, the signal at the mobile terminal will appear exactly as a signal transmitted from a single cell site and subject to multi-path propagation. There is a growing demand for wireless data applications, which although face low penetration today, are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a ‘killer’ application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of some indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. However, increased improvements have to be made both in the uplink and downlink transmission and in better radio resource management, in order to meet future demands and provide rich multimedia services to large users’ population. In addition, several obstacles, mainly regarding the interoperability and ubiquitous access between different access technologies and services, have to be overcome (thus leading to 4G). The main target of this dissertation is the study of power control issues, the development and the performance evaluation of an efficient power scheme for the provision of broadband, multicast services and applications to mobile users. This will be effectively implemented through the efficient use of MBMS and HSPA technologies in both 3G and its evolution LTE. An important aspect of this work is the investigation of the selection of the most efficient radio bearer for the transmission of MBMS multicast data. MBMS services can be provided in each cell by either multiple Point to Point (PTP) channels or by a single Point to Multipoint (PTM) channel. PTM transmission uses a single channel reaching down to the cell edge, which conveys identical traffic. On the other hand, PTP transmission uses dedicated channel allocated to each user, which conveys identical content. Obviously, a decision has to be made on the threshold between these two approaches. Therefore, improvements of the currently existing Counting Mechanism in MBMS will be studied. Although relative research work in this field considers the need for a power-based Counting Mechanism and not a UE-based Counting Mechanism, the case of HSDPA usage in such a power mechanism could be further investigated, taking also into account the availability of multi-mode cells. This could lead to an optimal scheme for the MBMS Counting Mechanism. The fundamental selection criterion of channel type is the amount of base station power required to transmit to a group of users. To this direction, the role of power control in the MBMS multicast transmission in UMTS is studied and analysed. A power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS is then proposed. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station.

Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Οι υπηρεσίες που απευθύνονται σε ομάδες χρηστών θα αποτελέσουν μία νέα κατηγορία προηγμένων υπηρεσιών προς στους κινητούς χρήστες. Στα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα, η χρήση multicast μηχανισμών είναι αυτή που συνήθως ενδείκνυται για αυτή την κατηγορία υπηρεσιών. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting καθώς ελαχιστοποιεί τη χρήση των πόρων του δικτύου. Επομένως, η εφαρμογή του multicasting σε ένα κινητό δίκτυο έχει αρκετά διαφορετικά χαρακτηριστικά σε σχέση με την εφαρμογή του στο Internet. Κατά συνέπεια, δημιουργείται η ανάγκη για νέους μηχανισμούς οι οποίοι θα καλύψουν τις ιδιαιτερότητες των κινητών δικτύων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία προτείνεται ένας μηχανισμός που εκτελεί multicast μετάδοση δεδομένων στο σύστημα UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκμεταλλεύεται τη δενδρική τοπολογία των κινητών δικτύων και εισάγει τη χρήση των Routing Lists (RLs) στους κόμβους του UMTS. Η χρήση και η ενημέρωση των RLs γίνεται από τον προτεινόμενο μηχανισμό με τρόπο που παρουσιάζεται αναλυτικά. Επίσης, εξετάζονται διεξοδικά τα πιθανά σενάρια τα οποία περιλαμβάνουν όλες τις περιπτώσεις κινητικότητας των χρηστών. Ειδικότερα, εξετάζονται οι διάφοροι τύποι handover καθώς και η διαδικασία SRNS relocation. Τέλος, ο συγκεκριμένος μηχανισμός εξομοιώνεται στον network simulator ns-2. Μέσω της εξομοίωσης διερευνάται η ορθότητα του μηχανισμού καθώς και η αποδοτικότητά του. / It is a matter of fact that the third generation cellular networks are being deployed all over the world. A set of new services which will be provided by these networks, are those who address to user groups. Wireline networks use multicast mechanisms for the provision of similar services. A multicast mechanism transmits the same data once over each link of the path from the source to the destinations. Obviously, multicasting leads to the efficient use of the network resources. Nevertheless, the adoption of this kind of mechanisms by a mobile network is quite complicated and new schemes are required. In this master thesis, I present a mechanism for the multicast transmission of data in UMTS. This mechanism takes advantage of the tree topology of the examined networks and introduces the use of Routing Lists (RLs) in the nodes of UMTS. The use and the update of RLs are performed by the proposed mechanism and each step of these procedures is described in detail. Furthermore, I analyze the handling of special cases such as user mobility scenarios. Especially, the various handover types are examined along with the SRNS relocation procedure. Finally, I implement this approach in the ns-2 simulator. Through this simulation, I investigate the correctness and the efficiency of the proposed mechanism.

Τα Long Term Evolution (LTE) δίκτυα αποτελούν το πιο πρόσφατο πρότυπο στην τεχνολογία της ιεραρχίας των κινητών δικτύων (GSM/EDGE και UMTS/HSPA τεχνολογίες δικτύων). Οι απαιτήσεις για γρήγορη κινητή, ευρυζωνική πρόσβαση αυξάνει εκθετικά τις τελευταίες δεκαετίες και αναμένεται μεγαλύτερη ακόμα ανάπτυξη στο μέλλον, το οποίο απαιτεί απεριόριστες δυνατότητες σε υπηρεσίες και εφαρμογές διαδικτύου και ανάπτυξη σε συσκευές χειρός και κινητούς εξοπλισμούς. Για να επιτευχθούν αυτές οι απαιτήσεις για μεγάλους ρυθμούς δεδομένων στα κινητά δίκτυα, η International Telecommunication Union (ITU) όρισε τα αρχικά επίπεδα για την εξέλιξη των 4ης γενιάς δικτύων. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας στόχος είναι η υλοποίηση του φυσικού κατερχόμενου καναλιού Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) του Long Term Evolution (LTE), ενός φυσικού καναλιού μεταφοράς δεδομένων (κάνει τη μετάδοση του DL-SCH καναλιού μεταφοράς). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναδρομή στην εξέλιξη των δικτύων μέχρι να φτάσουμε στην σημερινή εποχή και το LTE. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η αρχιτεκτονική που ακολουθεί το LTE. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν το OFDMA, της τεχνικής διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται στην κατερχόμενη μετάδοση. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι MIMO τεχνολογίες, ενώ στο πέμπτο περιγράφεται αναλυτικά το συγκεκριμένο κανάλι και τέλος στο έκτο κεφάλαιο παρατίθενται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα. / LTE Networks is the latest standard in mobile networks technologies hierarchy (GSM/EDGE and UMTS/HSPA). The requirements for fast mobile, broadband access increases exponentially during the last decades and even larger and even more significant development is expected in the future, which (future) is guided from the unlimited features in services and internet applications and from the development of mobile equipment and portable devices).To fulfill these demands for the large data rates in mobile networks , International Telecommunication Union (ITU) defined those primal levels for 4th Generation Networks evolution. The purpose of this thesis is the implementation of LTE’s Physical Downlink Shared Channel (PDSCH), a physical channel for data transfer . In the first chapter a recursion is made through the development of networks and up to current technologies and LTE. In chapter two LTE architectures are described. In chapter three, basic OFDMA principles are described , which is the modulation method used in downlink transmission. In chapter four MIMO technologies are described while in the fifth chapter the particular channel is described in depth. Finally in chapter six are laid down the results and conclusions.

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας έγινε μια εκτενής μελέτη των τρόπων μετάδοσης και των μηχανισμών που συντελούν στην ασύρματη διάδοση. Επίσης παρουσιάστηκαν συνοπτικά ιστορικά στοιχεία σε σχέση με την εξέλιξη των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας, καθώς και στοιχεία που αφορούν τις μεθόδους πολλαπλής πρόσβασης που έχουν χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα. Επιπροσθέτως, ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στη μελέτη και περιγραφή της δομής του υπάρχοντος δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Ορίστηκαν τα βασικά μέρη στα οποία χωρίζεται και παρουσιάστηκαν εκτενώς οι βασικές λειτουργικές μονάδες που τα αποτελούν, καθώς και οι διεπαφές μέσω των οποίων αυτές επικοινωνούν. Στη συνέχεια, δόθηκε έμφαση στην προτεινόμενη μέθοδο κατανομής των πόρων του συστήματος με χρήση της OFDMA μεθόδου πολλαπλής πρόσβασης, η οποία έχει ως στόχο την ελαχιστοποίηση της ομοκαναλικής παρεμβολής. Τέλος, μετά την ολοκλήρωση των προσομοιώσεων που είχαν ως στόχο τη διερεύνηση της συμπεριφοράς του συστήματος ως προς το ρυθμό εξυπηρέτησης και τη δικαιοσύνη, εξάχθηκαν συμπεράσματα σχετικά με την επιρροή που έχουν στο δίκτυο η μεταβολή του αριθμού των χρηστών κάθε κελιού, η μεταβολή του μεγέθους του κελιού, η κατανομή της ισχύος μεταξύ των χρηστών και ο ρυθμός μετάδοσης λαθών. / Thw sybject of this essay is power allocation in 4G mobile networks. It consists of a thorought description of the basic mechanisms in a mobile network and a throughput and fairness analysis on the recommended power allocation algorithms.

Η παρούσα εργασία διερευνά την παράμετρο της συμφόρησης της επικοινωνιακής κίνησης στα κυψελωτά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας GSM. Αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας ξεκινώντας από τα συστήματα 1ης γενιάς και καταλήγοντας τα σημερινά συστήματα 4ης γενιάς. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται η δομή του κυψελωτού δικτύου κινητής τηλεφωνίας GSM δίνοντας έμφαση στην αρχιτεκτονική του, στις διεπαφές και το πρωτόκολλα που χρησιμοποιεί καθώς και στις βασικές λειτουργίες που εκτελεί. Σε μεγαλύτερο βάθος, αναλύονται οι λειτουργίες και τα πρωτόκολλα του HLR κόμβου, ο οποίος αποτελεί και ένα από τα πιο κεντρικά μέρη του δικτύου GSM. Μετά μελετάται η παράμετρος της συμφόρησης στα δίκτυα GSM γενικά δίνοντας τον ορισμό της έννοιας της συμφόρησης, παρουσιάζοντας τα διαφορετικά είδη συμφόρησης και τις αιτίες που την δημιουργούν και καταλήγοντας στους ποικίλους τρόπους αντιμετώπισης της. Το βασικό κομμάτι της παρούσας εργασίας ασχολείται με την διερεύνηση της παραμέτρου της τηλεπικοινωνιακής συμφόρησης μέσα στο HLR κόμβο ενός κυψελωτού δικτύου κινητής τηλεφωνίας GSM, και συγκεκριμένα την συμφόρηση της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας CPU του κόμβου αυτού. Περιγράφεται η περίπτωση του ενσωματωμένου HLR κόμβου (Integrated MSC/HLR) ενώ αναλύεται, σε πιο μεγάλη λεπτομέρεια, η περίπτωση του αυτόνομου HLR κόμβου (Stand-alone HLR). Ακολουθεί η παρουσίαση των αιτιών συμφόρησης της CPU ενός αυτόνομου HLR κόμβου και δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην διαδικασία του Location Updating και στην συμφόρηση που συμβαίνει κατά την διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Γίνεται μια σύντομη αναφορά σε διάφορους τρόπους αντιμετώπισης αυτού του είδους της συμφόρησης και ύστερα προτείνεται ένας ολοκληρωμένος αλγόριθμος αποφυγής της εν λόγω συμφόρησης. Παρουσιάζεται με λεπτομέρεια το κάθε κομμάτι του αλγορίθμου αυτού και κατασκευάζεται ένας κώδικας προσομοίωσης του. Με βάση αυτών τον κώδικα, πραγματοποιούνται διάφορες μετρήσεις και πειράματα, παρουσιάζονται τα διάφορα αποτελέσματα και τελικά ο αλγόριθμος κρίνεται για την τη καταλληλότητα, την απόδοση, την προσαρμοστικότητα και την αξιοπιστία του. / This paper investigates the parameter of congestion of communication traffic in cellular mobile networks GSM. Initially, an introduction in the mobile networks is presented starting from the first generation systems and ending to the current fourth-generation systems. Then, the structure of cellular mobile GSM network is explored with an emphasis on architecture, interfaces and protocols used and the basic functions it performs. The functions and protocols of the HLR node, which is also one of the most central parts of the network GSM, is analyzed in more detail. Additionally, the parameter of the congestion in GSM networks, in general, is considered giving the definition of congestion, showing the different types and the causes that lead to its appearance and ending to the several ways that can help to prevent its creation or to suppress it. The main part of this study deals with the exploration of the parameter of congestion of telecommunication traffic in the HLR node in a cellular mobile network GSM, namely the congestion of central processing unit CPU of this node. It describes the case of integrated HLR node (Integrated MSC / HLR) and analyzes, in greater detail, the case of autonomous HLR node (Stand-alone HLR). The presentation of the causes of CPU bottlenecks in an autonomous HLR node follows with a particular attention to the Location Updating procedure and the congestion that occurs during this process. A brief reference to the various ways of dealing with this kind of congestion is presented and then an integrated algorithm that aims to avoid the congestion is proposed. Every piece of this algorithm is analyzed in great detail and a simulation code is constructed . Based on this code, various measurements and experiments are carried out , the different results are studied and evaluated and the algorithm is finally judged for its appropriateness, efficiency, adaptability and reliability.

Context. With the increased usage of mobile devices and internet, the cellular network traffic has increased tremendously. This increase in network traffic has led to increased occurrences of communication failures among the network nodes. Each communication failure among the nodes is defined as a bad event and occurrence of one such bad event acts as a source of origin for several consecutive bad events. These bad events as a whole may eventually lead to node failures (not being able to respond to any data requests). But it requires a lot of human effort and cost to be invested in by the telecom companies to implement workarounds for these node failures. So, there is a need to prevent node failures from happening. This can be done by classifying the traffic patterns between nodes in the network, identify bad events in them and deliver the verdict immediately after their detection. Objectives. Through this study, we aim to find the best suitable machine learning algorithm which can efficiently classify the traffic patterns of SGSN-MME (SGSN (Serving GPRS (General Packet Radio Service) Support node) and MME (Mobility Management Entity). SGSN-MME is a network management tool designed to support the functionalities of two nodes namely SGSN and MME. We do this by evaluating the classification performance of four machine learning classification algorithms, namely Support vector machines (SVMs), Naïve Bayes, Decision trees and Random forests, on the traffic patterns of SGSN and MME. The selected classification algorithm will be developed in such a way that, whenever it detects a bad event, it notifies the user about it by prompting a message saying, “Something bad is happening”. Methods. We have conducted an experiment for evaluating the classification performance of our four chosen classification algorithms on the dataset provided by Ericsson AB, Gothenburg. The experimental dataset is a combination of three logs, one of which represents the traffic patterns in real network and the other two logs contain synthetic traffic patterns that are generated manually. The dataset is unlabeled with 720 data instances and 4019 attributes in it. K-means clustering is performed for dividing the data instances into groups and thereby proceed with labeling them accordingly into good and bad events. Also, since the number of attributes in the experimental dataset are more than the number of instances, feature selection is performed for selecting the subset of relevant attributes which best represents the whole data. All the chosen classification algorithms are trained and tested with ten-fold cross validation sets using the selected subset of attributes and the obtained performance measures like classification accuracy, F1 score and training time are analyzed and compared for selecting the best suitable one among them. Finally, the chosen algorithm is tested on unlabeled real data and the performance measures are analyzed in order to check if is able to detect the bad events correctly or not. Results. Experimental results showed that Random forests outperformed Support vector machines, Naïve Bayes and Decision trees with an average classification accuracy of 99.72% and average F1 score of 99.6, when classification accuracy and F1 score are considered. On the other hand, Naive Bayes outperformed Support vector machines, Decision trees and Random forests with an average training time of 0.010 seconds, when training time is considered. Also, the classification accuracy and F1 score of Random forests on unlabeled data are found to be 100% and 100 respectively. Conclusions. Since our study focuses on classifying the traffic patterns of SGSN-MME more accurately, classification accuracy and F1 score are of highest importance than the training time of algorithm. Therefore, based on experimental results, we conclude that Random forests is the best suitable machine learning algorithm for classifying the traffic patterns of SGSN -MME. However, Naive Bayes can be also used if classification has to be performed in the least time possible and with moderate accuracy (around 70%).