The use of satellites for mobile communication applications has become a global issue. The use of handheld, vehicle mounted and transportable terminals is a key feature of Satellite Personal Communication Networks (S-PCNs). Due to the higher eirp requirements on the Earths surface and also because of their inherent delay, geostationary (GEO) satellites are not considered suitable for such applications. Instead, constellations of satellites at lower altitudes have been proposed for use in what are termed 2nd generation mobile satellite communication systems. Low intensity regions in the Earths surrounding trapped radiation bands, have resulted in two altitude bands of specific interest, resulting in two constellation types - LEO (Low Earth Orbit) constellations at around 1,000 km and MEO (Medium Earth Orbit) constellations at around 10,000 km. A satellite constellation consists of a number of satellites orbiting at the same altitude and inclination and phased in a specific way. The work reported in this thesis proposes a network control architecture for LEO or MEO based S-PCN systems. Air-interface signalling aspects are then considered for mobility management and call setup signalling. LEO and MEO constellation design aspects and properties are initially considered. Important implications on the control network are drawn based on constellation coverage and connectivity properties. Other system constraints such as terrestrial network interworking considerations as well as user, network operator and regulator requirements are also considered. Finally network and more specifically satellite control signalling is examined before a S-PCN architecture is proposed. The reference architecture results in constellation control being distributed globally with individual satellite control, at any one time, being located at a specific earth station. The use of two earth station types allows network administration to be separated from traffic channel carrying aspects. In order to reduce system setup cost and delay, the reuse of network related standards from the GSM terrestrial mobile communication system is envisaged. An equivalence is made between the S-PCN architecture and the GSMs terrestrial architecture. Network implementation aspects are considered for a 14 satellite MEO constellation. Network implications resulting from the use of LEO and MEO constellations are considered. After an examination of S-PCN traffic demand on a MEO constellation, mobility management signalling is considered. A new approach is proposed based on the use of a positioning system. The performance of this approach is examined from a system signalling viewpoint for both LEO and MEO constellations and a method to minimise the required amount of signalling is described. The air interface signalling procedure for location update, based on a modified GSM network layer protocol, is simulated from a delay point of view for both LEO and MEO constellations. User-originated, user-terminated and user-to-user call setup signalling were also simulated and their delay performance examined. The importance of random access channel delay and of user cooperation with the link were highlighted as aspects which have a significant influence on the average signalling delay. Finally, the effect of common and dedicated control channel system signalling on satellite power consumption, based on busy hour call setup and mobility management signalling estimates, was examined for a MEO constellation. From this, conclusions can be made on the signalling power efficiency of S-PCN systems.

Les réseaux tolérants aux retards (DTN) ont été conçus pour fournir un moyen de communication durable entre terminaux mobiles dans les régions dépourvues d’infrastructure cellulaire. Dans de tels réseaux, l’ensemble des voisins de chaque nœud change au fil du temps en raison de la mobilité des nœuds, ce qui entraîne une connectivité intermittente et des routes instables dans le réseau. Nous analysons la performance d’un système d’incitation pour les DTN à deux sauts dans lequel une source en arriéré offre une récompense fixe aux relais pour délivrer un message. Un seul message à la fois est proposé par la source. Pour un message donné, seul le premier relais à le délivrer reçoit la récompense correspondant à ce message, induisant ainsi une compétition entre les relais. Les relais cherchent à maximiser la récompense attendue pour chaque message alors que l’objectif de la source est de satisfaire une contrainte donnée sur la probabilité de livraison du message. Nous considérons deux réglages différents : l’un dans lequel la source indique aux relais pendant combien de temps un message est en circulation, et l’autre dans lequel la source ne donne pas cette information. Dans le premier paramètre, nous montrons que la politique optimale d’un relais est de type seuil : il accepte un message jusqu’à un premier seuil et le conserve jusqu’à ce qu’il atteigne la destination ou le deuxième seuil. Les formules de calcul des seuils ainsi que de la probabilité de livraison des messages sont dérivées pour une source d’arriérés. Nous étudions ensuite la performance asymptotique de ce réglage dans la limite moyenne du champ. Lorsque le deuxième seuil est infini, nous donnons l’ODE du champ moyen et montrons que tous les messages ont la même probabilité de réussite. Lorsque le deuxième seuil est fini, nous ne donnons qu’une approximation ODE car dans ce cas, la dynamique n’est pas markovienne. Pour le second réglage, nous supposons que la source propose chaque message pour une période de temps fixe et qu’un relais décide d’accepter un message selon une politique randomisée lors d’une rencontre avec la source. S’il accepte le message, un relais le garde jusqu’à ce qu’il atteigne la destina- tion. Nous établissons dans quelle condition la probabilité d’acceptation des relais est strictement positive et montrons que, dans cette condition, il existe un équilibre de Nash symétrique unique, dans lequel aucun relais n’a quelque chose à gagner en changeant unilatéralement sa probabilité d’acceptation. Des expressions explicites pour la probabilité de livraison du message et le temps moyen de livraison d’un message à l’équilibre symétrique de Nash sont dérivées, ainsi qu’une expression de la valeur asymptotique de la livraison du message. Enfin, nous présentons de nombreux résultats de simulations pour com- parer les performances de la stratégie de type seuil et de la stratégie ran- domisée, afin de déterminer dans quelle condition il est rentable pour la source de donner l’information sur l’âge d’un message aux relais. / Delay-Tolerant Networks (DTNs) were designed to provide a sustainable means of communication between mobile terminals in regions without cellular infrastructure. In such networks, the set of neighbors of every node changes over time due to the mobility of nodes, resulting in intermittent connectivity and unstable routes in the network. We analyze the performance of an incentive scheme for two-hop DTNs in which a backlogged source pro- poses a fixed reward to the relays to deliver a message. Only one message at a time is proposed by the source. For a given message, only the first relay to deliver it gets the reward corresponding to this message thereby inducing a competition between the relays. The relays seek to maximize the expected reward for each message whereas the objective of the source is to satisfy a given constraint on the probability of message delivery. We consider two different settings: one in which the source tells the relays for how long a message is in circulation, and one in which the source does not give this information. In the first setting, we show that the optimal policy of a relay is of thresh- old type: it accepts a message until a first threshold and then keeps the message until it either meets the destination or reaches the second threshold. Formulas for computing the thresholds as well as probability of message delivery are derived for a backlogged source. We then investigate the asymptotic performance of this setting in the mean field limit. When the second thresh- old in infinite, we give the mean-field ODE and show that all the messages have the same probability of successful delivery. When the second threshold is finite we only give an ODE approximation since in this case the dynamics are not Markovian. For the second setting, we assume that the source proposes each message for a fixed period of time and that a relay decides to accept a message accord- ing to a randomized policy upon encounter with the source. If it accepts the message, a relay keeps it until it reaches the destination. We establish under which condition the acceptance probability of the relays is strictly positive and show that, under this condition, there exists a unique symmetric Nash equilibrium, in which no relay has anything to gain by unilaterally changing its acceptance probability. Explicit expressions for the probability of message delivery and the mean time to deliver a message at the symmetric Nash equilibrium are derived, as well as an expression of the asymptotic value of message delivery. Finally, we present numerous simulations results to compare performances of the threshold-type strategy and the randomized strategy, in order to determine under which condition it is profitable for the source to give the information on the age of a message to the relays

A Mobile Ad Hoc Network (MANETs) is a collection of wireless hosts that can be rapidly deployed as a multi hop packet radio network without the aid of any established infrastructure or centralized administration. Such networks can be used to enable next generation of battlefield applications envisioned by the military, including situation awareness systems for maneuvering war fighters, and remotely deployed unmanned microsensor networks. Ad Hoc networks can also provide solutions for civilian applications such as disaster recovery and message exchanges among safety and security personnel involved in rescue missions. Existing solutions for wired network Intrusion Detection Systems (IDSs) do not suit wireless Ad Hoc networks. To utilize either misuse detection or anomaly detection to monitor any possible compromises, the IDS must be able to distinguish normal from anomaly activities. To enable intrusion detection in wireless Ad Hoc networks, the research problems are: • How to efficiently collect normal and anomaly patterns of Ad Hoc networks? The lifetime of the hosts is short and Ad Hoc networks do not have traffic concentration points (router, switch). • How to detect anomalies? The loss could be caused by host movement instead of attacks. Unexpectedly long delay could be caused by unreliable channel instead of malicious discard. In this thesis, we have proposed a novel architecture that uses specification based intrusion detection techniques to detect active attacks against the routing protocols of mobile Ad Hoc networks. Our work analyzes some of the vulnerabilities and discuss the attacks against the AODV protocol. Our approach involves the use of an FSM (Finite State Machine) for specifying the AODV routing behavior and the distributed network monitors for detecting the sequence number attack. Our method can detect most of the bad nodes with low false positive rate and the packet delivery ratio can also be increased with high detection rate. For packet dropping attack, we present a distributed technique to detect this attack in wireless Ad Hoc networks. A bad node can forward packets but in fact it fails to do so. In our technique, every node in the network will check the neighboring nodes to detect if any of them fail to forward the packets. Our technique can detect most of the bad nodes with low false positive rate and the packet delivery ratio can also be increased. The proposed solution can be applied to identify multiple malicious nodes cooperating with each other in MANETs and discover secure routes from source to destination by avoiding malicious nodes acting in cooperation. Our technique will detect the sequence number and Packet Dropping attacks in real time within its radio range with no extra overhead. For resource consumption attack, the proposed scheme incurs no extra overhead, as it makes minimal modifications to the existing data structures and functions related to bad listing a node in the existing version of pure AODV. The proposed scheme is more efficient in terms of the resultant routes established, resource reservations, and computational complexity. If multiple malicious nodes collaborate, they in turn will be restricted and isolated by their neighbors, because they monitor and exercise control over forwarding RREQs by nodes. Hence, the scheme successfully prevents Distributed attacks. The proposed scheme shifts the responsibility of monitoring this parameter to the node's neighbor, ensuring compliance of this restriction. This technique solves all of the problems caused due to unnecessary RREQs from a compromised node. Instead of self-control, the control exercised by a node's neighbor results in preventing this attack. Experiments show that the tool provides effective intrusion detection functionality while using only a limited amount of resources. The loop freedom property has been reduced to an invariant on pairs of nodes. Each node decides & transmits its decision to a control center. Robustness to Threats, Robustness to nodes destruction: Loss of Performance (in terms of ratio) is least for Distributed Option and highest for Centralized Option and Robustness to observations deletion. All the proposed schemes were analyzed and tested under different topologies and conditions with varying number of nodes .The proposed algorithms for improving the robustness of the wireless Ad Hoc networks using AODV protocol against Packet Dropping Attack, Sequence Number attack and resource consumption attack have been simulated for an illustrative network of about 30 nodes. Our experiments have shown that the pattern extracted through simulation can be used to detect attacks effectively. The patterns could also be applied to detect similar attacks on other protocols.

Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του “Mobile Broadband”. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point-to-multipoint data transmission). Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία μηχανισμών στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και προτείνονται μηχανισμοί οι οποίοι προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου που επικρατούν στο δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί που ονομάζονται μηχανισμοί προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων είναι κυρίως μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μετάδοση εφαρμογών πραγματικού χρόνου όπως είναι για παράδειγμα η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο ή μια βιντεοκλήση μεταξύ δύο συνδρομητών ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Οι μηχανισμοί προσαρμογής της μετάδοσης πολυμέσων είναι μηχανισμοί μετάδοσης πολυμεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδομένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν τη μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση μηχανισμών προσαρμογής της μετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη μηχανισμών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρμογή των πολυμεσικών δεδομένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των μηχανισμών είναι η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες μεταβάλλονται. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). To MBMS 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. Έτσι λοιπόν, όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία μηχανισμών, 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 σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting λόγω του γεγονότος ότι εκμεταλλεύεται την κατανομή των χρηστών μέσα στο δίκτυο προς όφελος της οικονομίας στην αποστολή πακέτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται ένας multicast μηχανισμός ο οποίος προσφέρει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή προς μια ομάδα κινητών χρηστών ενός δικτύου UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκτός από τη λειτουργικότητα της multicast δρομολόγησης των πακέτων στους κόμβους του δικτύου, υποστηρίζεται επίσης από ένα σχήμα διαχείρισης της ομάδας των multicast χρηστών. Επιπλέον, στο μηχανισμό έχει ενσωματωθεί επιπλέον λειτουργικότητα η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση των δεδομένων στην ομάδα των multicast χρηστών ακόμα και όταν αυτοί βρίσκονται σε διαρκή κίνηση (Handover functionality). Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μια προσπάθεια να αξιολογηθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο UMTS για μετάδοση δεδομένων από έναν αποστολέα προς μια ομάδα παραληπτών. Συγκεκριμένα, οι τρεις μηχανισμοί που αναλύονται είναι ο Broadcast μηχανισμός, o Multiple Unicast μηχανισμός και ο Multicast μηχανισμός. Η αξιολόγηση των μηχανισμών γίνεται με χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου το οποίο μετρά το τηλεπικοινωνιακό κόστος μετάδοσης των δεδομένων από τον έναν κόμβο του δικτύου στον άλλον. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μηχανισμοί αξιολογούνται για διάφορες τοπολογίες του δικτύου και διαφορετικές κατανομές των χρηστών στο δίκτυο. Τέλος, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αξιολόγηση των καναλιών μεταφοράς του UMTS και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση των δεδομένων. Ειδικότερα, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. 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 το ρυθμό μετάδοσης τους, την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν και τέλος την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη. / As communications technology is being developed, users’ demand for multimedia services raises. Meanwhile, the Internet has enjoyed tremendous growth in recent years. 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 high-speed 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. The recent years, the usage of third generation cellular networks has begun to rise all over the world. These new infrastructures substitute the existed second generation cellular networks and offer broadband services to mobile users. 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. The main target of this dissertation is the study and the analysis of the mechanisms that are operated behind the above mentioned services and applications. More specifically, we analyze already existed mechanisms used for the transmission of real time services over 3G networks and furthermore we propose new mechanisms for the effective data transmission in 3G networks in terms of network performance and satisfaction of the mobile user. Generally, we consider two categories of mechanisms for the data transmission: • Mechanisms for point to point data transmission. • Mechanisms for point to multipoint data transmission. Regarding the first category of the mechanisms, in this dissertation, we analyze and propose mechanisms for real time data transmission in 3G networks. We focus firstly on schemes that reliable transmit the real time data to mobile users and secondly on mechanisms for adaptive multimedia transmission in UMTS. Bandwidth is a valuable and limited resource for UMTS and every wireless network, in general. Therefore, it is of extreme importance to exploit this resource in the most efficient way. It is essential for a wireless network to have an efficient bandwidth allocation scheme in order the mobile user to experience both real time applications and Internet applications such as HTTP or SMTP. Consequently, when a user experiences a real time application, there should be enough bandwidth available at any time for any other application that the mobile user might realize. In addition, when two different applications run together, the network should guarantee that there is no possibility for any of the above-mentioned applications to prevail against the other by taking all the available channel bandwidth. Taking into consideration the fact that Internet applications adopt mainly TCP as the transport protocol, while real time applications mainly use RTP, the network should guarantee that RTP does not prevail against the TCP traffic. Consequently, this means that there should be enough bandwidth available in the wireless channel for the Internet applications to run properly. To this direction, rate control of real time applications is an important issue in mobile networks. With the aid of rate control schemes the network could adapt the packet transmission rate of real time applications according to the current network conditions giving the opportunity to the mobile users to experience both real time and non real time applications at the same time in their mobile devices. Regarding the second category of the mechanisms, although UMTS networks offer high capacity, the expected demand will certainly overcome the available resources. Thus, the multicast transmission over the UMTS networks constitutes a challenge and an area of research. To this direction the third Generation Partnership Project (3GPP) is currently standardizing the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) framework of UMTS. In this dissertation, we present a new mechanism for the efficient multicast data routing in UMTS. The proposed mechanism is enhanced with multicast group management functionality as well as with functionality related to the user mobility (handover and relocation). Furthermore, it is known that multicasting is more efficient method of supporting group communication than unicasting or broadcasting, as it allows transmission and routing of packets to multiple destinations using fewer network resources. In this dissertation, the three above mentioned methods of supporting group communication in UMTS are analyzed in terms of their performance. The critical parameters of primary interest for the evaluation of any method are the packet delivery cost and the scalability of the method. Finally, this dissertation analyses the role of power control in the multicast transmission in UMTS. It is proposed a power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS. 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.

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) - Universal Mobile Telecommunication System (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 High Speed Packet Access (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 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό που προτυποποιεί τις νέες τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, 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 της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας» (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 (multicasting) δεδομένων 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 υπηρεσία MBMS 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 σχετικά 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, γεγονός που περιορίζει τη χωρητικότητα της κυψέλης (cell) και 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 στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS πρότυπο έχουν αναπτυχθεί διάφοροι μηχανισμοί, με χαρακτηριστικό τον MBMS Counting Mechanism. Στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UMTS/HSPA δικτύου. Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού, καθώς και των αρκετών άλλων μηχανισμών που έχουν προταθεί από το 3GPP, διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα των μηχανισμών αυτών 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 μίας ολόκληρης κυψέλης. Γίνεται σαφές λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση των υπαρχόντων μηχανισμών για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων/μηχανισμών για τη βελτιστοποίηση του. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της διατριβής αυτής είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και αξιολογούνται όλα τα υπάρχοντα κανάλια μεταφοράς του UMTS και της τεχνολογίας HSPA τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται 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. Οι ιδιαίτερα αυξημένες απαιτήσεις των MBMS υπηρεσιών μας οδήγησαν στη συνέχεια στη διερεύνηση και αξιολόγηση ορισμένων τεχνικών μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος, με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως μία MBMS υπηρεσία με ρυθμό μετάδοσης 128 Kbps μπορεί να καταναλώσει έως και το 80% των πόρων ισχύος ενός σταθμού βάσης. Επομένως, γίνεται κατανοητό ότι η μετάδοση MBMS υπηρεσιών με τόσο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης καθίσταται δύσκολη έως και αδύνατη. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί τεχνικές, όπως η FACH Dynamic Power Setting, η Macro Diversity Combining και το Rate Splitting, ικανές να μειώσουν τα επίπεδα ισχύος κατά τη μετάδοση multicast δεδομένων στους MBMS χρήστες. Η διδακτορική αυτή διατριβή εξετάζει την αποδοτικότητα της χρήσης αυτών των τεχνικών εξοικονόμησης ισχύος και παρουσιάζει πειραματικά αποτελέσματα που αποκαλύπτουν το ποσό ισχύος που εξοικονομείται από κάθε μία τεχνική. Η αξιολόγηση τόσο των καναλιών μεταφοράς όσο και των τεχνικών μείωσης ισχύος θα οδηγήσει στην εύρεση ενός κατάλληλου σχήματος/μηχανισμού, ο οποίος θα εξασφαλίζει την αποδοτική εναλλαγή μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ο μηχανισμός αυτός, τον οποίο καλούμε MBMS Channel Assignment Mechanism (ή χάριν συντομίας «MCAM»), αναμένεται να εξασφαλίσει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με τους αντίστοιχους μηχανισμούς που έχουν προταθεί από το 3GPP, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Ωστόσο, το πιο αξιοπρόσεκτο πλεονέκτημα του προτεινόμενου μηχανισμού, που ουσιαστικά τον διαφοροποιεί από τις άλλες προσεγγίσεις, είναι ότι προσαρμόζεται στις αυξημένες απαιτήσεις των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς για ταυτόχρονη παροχή πολλαπλών πολυμεσικών συνόδων. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών, θέτοντας κατά τον τρόπο αυτό τον MCAM σαν έναν ισχυρό υποψήφιο για τα δίκτυα επόμενης γενιάς. / The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication. The fast development of this area was mainly motivated by the requirements of modern market for a unified and functional system of mobile communications that, at the same time, may provide numerous broadband services to its users. More specifically, in the recent years, the usage of third generation (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) cellular networks has begun to rise in most European countries, as in Greece. 3G networks have replaced the second generation mobile networks and moreover, are in position of offering advanced services to mobile users. However, the need for higher (broadband) speeds led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. However, despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel project is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to UMTS and HSPA networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. Simultaneously, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and re-use the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they 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 indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). 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. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. The main requirement during the provision of MBMS multicast services is to make an efficient overall usage of radio and network resources. This necessity mainly translates into improved power control strategies, since the base stations’ transmission power is the limiting factor of downlink capacity in UMTS networks. Under this prism, power control is one of the most critical aspects in MBMS due to the fact that downlink transmission power in UMTS networks is a limited resource and must be shared efficiently among all MBMS users in a cell. Moreover, power control aims at minimizing the transmitted power, eliminating in this way the intercell interference. However, when misused, the use of power control may lead to a high level of wasted power and worse performance results. In order to have efficient power control in MBMS, one of the most critical aspects is the selection of the transport channel for the transmission of MBMS multicast traffic. 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. A wrong channel selection may result to a significant capacity decrease, thus, preventing the mass delivery of multimedia applications. It is worth mentioning that channel selection is still an open issue in today’s MBMS infrastructure mainly due to its catalytic role in MBMS performance. In the frame of MBMS power control and transport channel selection several approaches have been proposed, with main representative the 3GPP MBMS Counting Mechanism. However, none of these approaches performs optimal transport channel selection either due to the fact that some of them do not consider the power consumption as the selection criterion or because of the fact that they do not consider all the available transport channels (or combination of them) for the transmission of the MBMS data. All the above stress the need for an advanced version of these mechanisms that could deliver multimedia content to a large number of mobile users in a more efficient and economic way. After taking into account the above analysis, objective of this dissertation is the study of power control issues in next generation mobile communication networks and the development of new approaches/ mechanisms for its optimization. To this direction, this dissertation analyzes and evaluates all the available UMTS and HSPA transport channels that could be used for the transmission of MBMS multicast services. Moreover, this dissertation investigates and evaluates several power saving techniques that aim at the efficient usage of radio and network resources. Techniques, such as Dynamic Power Setting, Macro Diversity Combining and Rate Splitting are capable of decreasing the power consumption during the provision of MBMS services and may enable the mass market delivery of multimedia services to mobile users. The evaluation of the available transport channels and power saving techniques will lead to the development of a novel scheme/mechanism that will enable the efficient selection of transport channels for the transmission of MBMS services. The proposed mechanism, which we call MBMS Channel Assignment Mechanism (or «MCAM»), is expected to optimally utilize the available power resources of base stations to MBMS sessions running in the network, resulting in that way to an extensive increase on the system’s capacity. Therefore, MCAM may allow the mass provision of multimedia data to a large number of mobile users, which makes MCAM a strong candidate for next generation networks.