Abstract Software-Defined Networks (SDN) focus on addressing the challenges of increased complexity and unified communication, for which the conventional networks are not optimally suited due to their static architecture. This dissertation discusses the methods about how to enhance communication security and mobility management in small-cell networks with IEEE 802.11 backhaul. Although 802.11 has become a mission-critical component of enterprise networks, in many cases it is not managed with the same rigor as the wired networks. 802.11 networks are thus in need of undergoing the same unified management as the wired networks. This dissertation also addresses several new issues from the perspective of mobility management in 802.11 backhaul. Due to lack of built-in quality of service support, IEEE 802.11 experiences serious challenges in meeting the demands of modern services and applications. 802.11 networks require significantly longer duration in association compared to what the real-time applications can tolerate. To optimise host mobility in IEEE 802.11, an extension to the initial authentication is provided by utilising Host Identity Protocol (HIP) based identity attributes and Elliptic Curve Cryptography (ECC) based session key generation. Finally, this dissertation puts forward the concept of SDN based cell mobility and network function virtualization, its counterpart. This is validated by introducing a unified SDN and cognitive radio architecture for harmonized end-to-end resource allocation and management presented at the end. / Tiivistelmä Ohjelmisto-ohjatut verkot (SDN) keskittyvät ratkaisemaan haasteita liittyen kasvaneeseen verkkojen monimutkaisuuteen ja yhtenäiseen kommunikaatioon, mihin perinteiset verkot eivät staattisen rakenteensa vuoksi sovellu. Väitöskirja käsittelee menetelmiä, joilla kommunikaation turvallisuutta ja liikkuvuuden hallintaa voidaan parantaa IEEE 802.11 langattomissa piensoluverkoissa. Vaikkakin 802.11 on muodostunut avainkomponentiksi yritysverkoissa, monissa tapauksissa sitä ei hallinnoida yhtä täsmällisesti kuin langallista verkkoa. 802.11 verkoissa on näin ollen tarve samantyyppiselle yhtenäiselle hallinnalle, kuin langallisissa verkoissa on. Väitöskirja keskittyy myös moniin uusiin liikkuvuuden hallintaan liittyviin ongelmiin 802.11 verkoissa. Johtuen sisäänrakennetun yhteyden laatumäärittelyn (QoS) puuttumisesta, IEEE 802.11 verkoille on haasteellista vastata modernien palvelujen ja sovellusten vaatimuksiin. 802.11 verkot vaativat huomattavasti pidemmän ajan verkkoon liittymisessä, kuin reaaliaikasovellukset vaativat. Työssä on esitelty laajennus alustavalle varmennukselle IEEE 802.11-standardiin isäntälaitteen liikkuvuuden optimoimiseksi, joka hyödyntää Host Identity Protocol (HIP)-pohjaisia identiteettiominaisuuksia sekä elliptisten käyrien salausmenetelmiin (ECC) perustuvaa istunnon avaimen luontia. Lopuksi työssä esitellään ohjelmisto-ohjattuihin verkkoihin pohjautuva solujen liikkuvuuden konsepti, sekä siihen olennaisesti liittyvä verkon virtualisointi. Tämä validoidaan esittelemällä yhtenäinen SDN:ään ja kognitiiviseen radioon perustuva arkkitehtuuri harmonisoidulle päästä päähän resurssien varaamiselle ja hallinnoinnille, joka esitellään lopussa.

Mobile penetration rates have already exceeded 100% in many countries. Nowadays, mobile phones are part of our daily lives not only for voice or short text messages but for a plethora of multimedia services they provide via their internet connection. Thus, mobile broadband has become the main driver for the evolution of mobile networks and it is estimated that until 2018 the mobile broadband traffic will exceed the level of 15 exabytes. This estimation is a threat to the current mobile networks which have to significantly improve their capacity performance. Furthermore, another important aspect is the fact that 80% of the mobile broadband demand comes from indoor environments which add to the signal propagation the burden of building penetration loss. Keeping these facts in mind, there are many potential solutions that can solve the problem of the increasing indoor mobile broadband demand. In general, there are two approaches; improve the existing macro-cellular networks by for example enhancing them with carrier aggregation or enter the buildings and deploy small cell solutions such as femtocells or WiFi APs. Both the academia and the industry have already shown interest in these two approaches demonstrating the importance of the problem. Various research papers and reports have been produced describing the technologies and presenting their capability to satisfy the perpetual increase in mobile broadband demand. However, according to the best of our knowledge, no research has been done so far that compares the two different approaches with a techno-economic perspective. Hence, the contribution of this thesis project is a holistic techno-economic study of the two approaches (macrocells with carrier aggregation and small cells) to encounter the tremendous growth of indoor mobile broadband demand. In order to achieve this goal, an indoor deployment scenario is presented and the different indoor and outdoor solutions are applied and studied in terms of radio performance (capacity) as well as total cost of ownership. The final result of the project is a comparison of the two approaches as well as a proposed strategy to deal with the problem. The result will help network operators to plan the evolution of their networks, vendors to focus their production as well as regulatory bodies to set the rules and supervise operators’ deployments. The simulations have shown that all the examined technologies are capable of supporting the mobile broadband demand of the studied scenario but macrocells enhanced with carrier aggregation is the most cost effective solution. However, if the requirements for guaranteed data rate and thus the QoS provided increase then eventually MNOs will have to abandon outdoor solutions and extend their infrastructure inside the buildings where the mobile data traffic is mainly generated. / Graden av mobilpenetration har redan nått över 100% i många länder. Nuförtiden är mobiltelefoner en del av vårt dagliga liv inte bara för röstsamtal eller korta textmeddelanden men också för en lång rad multimediatjänster som de tillhandahåller via sin Internetuppkoppling. På grund av detta har mobilt bredband blivit den huvudsakliga drivkraften för utvecklingen av mobila nätverk och det uppskattas att fram till 2018 kommer den mobila bredbandstrafiken överstiga 15 exabyte. Denna uppskattning är ett hot mot de nuvarande mobila nätverken som måste öka sin kapacitet avsevärt. Utöver det är en annan viktig aspekt det faktum att 80% av efterfrågan på mobilt bredband kommer från inomhusmiljöer vilket ger spridningen av radiosignaler problem med minskad penetrationsförmåga orsakad av byggnaden. Med hänsyn till dessa faktorer finns det många potentiella lösningar som kan åtgärda problemet med den ökande efterfrågan på bredband i inomhusmiljöer. Generellt sett finns två tillvägagångssätt; förbättra de existerande makrocells-baserade nätverken exempelvis genom att förstärka dem med carrier aggregation alternativt att i byggnader installera lösningar baserade på små celler som femtoceller eller WiFi-accesspunkter. Både den akademiska världen och industrin har redan visat intresse för dessa två tillvägagångssätt vilket visar att detta är ett viktigt problem. Ett antal forskningsartiklar och rapporter har producerats vilka beskriver teknologierna och deras förmåga att tillfredställa den ständigt ökande efterfrågan på mobilt bredband. Med det sagt, enligt vår kunskap i dagsläget har dock ingen forskning hittills utförts som jämför dessa två tillvägagångssätt från ett teknoekonomiskt perspektiv. Följaktligen är det bidrag denna uppsats ger en holistisk teknoekonomisk studie av de två metoderna (makroceller med carrier aggregation och lösningar baserade på små celler) för att möta den mycket stora ökningen av efterfrågan på mobilt bredband inomhus. För att uppnå detta mål presenteras ett scenario med installation i inomhusmiljö och de olika lösningarna för inomhus- och utomhusmiljöer appliceras och studeras med hänsyn till radioprestanda (kapacitet) och även total ägandekostnad. Projektets slutgiltiga resultat är en jämförelse mellan de två metoderna och ett förslag på en strategi som kommer hjälpa nätverksoperatörer att planera utvecklingen av sina nätverk, leverantörer att fokusera sin tillverkning och tillsynsmyndigheter att upprätta regler samt övervaka att dessa efterföljs. Simuleringarna har visat att alla de granskade teknikerna klarar av att uppfylla efterfrågan på mobilt bredband i de studerade scenariona men att makroceller med carrier aggregation är den mest kostnadseffektiva lösningen. Men om kraven på garanterad datahastighet, och med det den QoS som tillhandahålls, ökar så kommer MNOs till slut att behöva överge utomhuslösningar och utöka deras infrastruktur inuti byggnader där den mobila datatrafiken i huvudsak genereras.

The architecture of mobile networks has dramatically evolved in order to fulfill the growing demands on wireless services and data. The radio resources, which are used by the current mobile networks, are limited while the users demands are substantially increasing. In the future, tremendous Internet applications are expected to be served by mobile networks. Therefore, increasing the capacity of mobile networks has become a vital issue. Heterogeneous networks (HetNets) have been considered as a promising paradigm for future mobile networks. Accordingly, the concept of small cell has been introduced in order to increase the capacity of the mobile networks. A femtocell network is a kind of small cell networks. Femtocells are deployed within macrocells coverage. Femtocells cover small areas and operate with low transmission power while providing high capacity. Also, UEs can be offloaded from macrocells to femtocells. Thus, the capacity can be increased. However, this will introduce different technical challenges. The interference has become one of the key challenges for deploying femtocells within a certain macrocells coverage. Undesirable impact of the interference can degrade the performance of the mobile networks. Therefore, radio resource management mechanisms are needed in order to address key challenges of deploying femtocells. The objective of this work is to introduce radio resource control approaches, which are used to increase mobile networks' capacity and alleviate undesirable impact of the interference. In addition, proposed radio resource control approaches ensure the coexistence between macrocell and femtocells based on LTE-Advanced environment. Firstly, a novel mechanism is proposed in order to address the interference challenge. The proposed approach mitigates the impact of interference based on controlling radio sub-channels' assignment and dynamically adjusting the transmission power. Secondly, a dynamic strategy is proposed for the FFR mechanism. In the FFR mechanism, the whole spectrum is divided into four fixed sub-channels and each sub-channel is assigned for a different sub-area after splitting the macrocell coverage area into four sub-areas. The objective of the proposed scheme is to divide the spectrum dynamically based on the QoS indicators for each sub-area. Lastly, a novel packet scheduling scheme is proposed to improve the performance of femtocell networks. The proposed scheduling strategy assigns radio resources based on two objectives: increasing the network capacity and achieving better fairness among attached UEs.