These times the third generation cellular networks are getting in use increasingly and they dramatically exceed the parameters of second generation networks. Third generation networks are in contrast to older generations data-oriented, providing better maintenance in data and multimedia services. The most widespread third generation network is the UMTS, designed as succesor of GSM network. Master’s thesis is focused on parameters and communication protocols of radio interface of UMTS network. Parameters of radio interface affect the behaviour of mobile terminal through utilization of network services. This thesis describes individual protocols of radio interface and individual procedures, which the mobile terminal have to perform through its staying in the cell. Theoretical part of this thesis considers description of the UMTS network and individual procedures and parameters. Practical part is focused on measuring the radio interface and individual procedures in real UMTS networks. Some procedures are simulated in network simulation software. This thesis includes a lab task focused on this thema.

Este trabalho analisa a influência de mecanismos de segurança, incluindo autenticação de assinante, confidencialidade e integridade de dados, sobre o desempenho do sistema celular de terceira geração Universal Mobile Communication System (UMTS). Em função do serviço e do tamanho das chaves utilizadas foram medidos, através de simulação, o nível de potência gasto pelos equipamentos de usuário (UE) e o tempo de resposta em aplicações do tipo Web. Verificou-se que os efeitos negativos produzidos pelos mecanismos de segurança são pequenos em relação à proteção maior que é obtida nos sistemas UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) e Core Network (CN). / This work is aimed at analyzing the influence of security mechanisms, including user authentication, data confidentiality and integrity, related to system cellular performance of third generation named Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). By the service and the size of the used keys, there has been measured through simulation, the power level spent by the user equipments and the response time at web applications usage. It is seen that negative results produced by security mechanisms are small related to the greater protection that is get on UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) systems and Core Network (CN).

Este trabalho analisa a influência de mecanismos de segurança, incluindo autenticação de assinante, confidencialidade e integridade de dados, sobre o desempenho do sistema celular de terceira geração Universal Mobile Communication System (UMTS). Em função do serviço e do tamanho das chaves utilizadas foram medidos, através de simulação, o nível de potência gasto pelos equipamentos de usuário (UE) e o tempo de resposta em aplicações do tipo Web. Verificou-se que os efeitos negativos produzidos pelos mecanismos de segurança são pequenos em relação à proteção maior que é obtida nos sistemas UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) e Core Network (CN). / This work is aimed at analyzing the influence of security mechanisms, including user authentication, data confidentiality and integrity, related to system cellular performance of third generation named Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). By the service and the size of the used keys, there has been measured through simulation, the power level spent by the user equipments and the response time at web applications usage. It is seen that negative results produced by security mechanisms are small related to the greater protection that is get on UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) systems and Core Network (CN).

The subject of the diploma thesis are procedures in EPS network related to the operation of mobile terminals. In the introduction of my work I described the EPS system, including the quality of services and bearers. The following section focuses on control procedures in the EPS system such as attach network procedure, detach procedure, service request, handover or tracking area procedure. Further, three technologies for Internet of Things were described, namely EC-GSM-IoT, LTE-M and NB-IoT. All the procedures mentioned above were also captured in the experimental VUT EPS network and analyzed by TravelHawk using software M5 and Wireshark. Theoretical and practical findings were subsequently used out for setting of laboratory task for subject MKPM.

The aim of the work is the radio access network of mobile networks second, third and fourth generation. The main objective is a description of the radio access network of the second, third and fourth generation, their elements, interfaces and signaling procedures. The next part describes the emergency services and the architecture of the fourth generation mobile networks. The practical part is then devoted to identify actions needed to prepare radio access network to testing emergency services, identify actions needed to conversion of transport protocol fixed part of the radio access network from IPv4 to IPv6 and describe the intervention to radio access network to change the active segment of the core network.

Les systèmes de 3G offrent de nouveaux services support (bearer services) à plus hauts débits pour les modes de transmission "paquet". Ces services vont coexister avec la voix (ou d'autres services temps réels), des scénarios de trafic mixte, voix et données, doivent être envisagés. La norme UMTS permet effectivement aux utilisateurs d'avoir plus d'un service activé simultanément. Les différentes classes de trafic augmentent la complexité de la gestion des ressources radios. Dans ce contexte, deux types de fonctions sont étudiés: l'allocation de TFCI et l'ordonnancement de paquets. Leur impact sur la qualité de service (QoS) ainsi que sur la capacité du système est évalué. On propose des améliorations de ces mécanismes dans le but d'augmenter la capacité du système et par conséquent d'améliorer la QoS des utilisateurs. Les études se restreignent au sens montant, c'est à dire aux transmissions du mobile (User Equipment ou UE) vers le réseau. Un premier mécanisme pour lequel un effort d'amélioration est fait, est l'adaptation du lien radio par variation du débit instantané transmis. On simule le cas d'une transmission multiservice (voix et données). L'UE doit partager un débit global qui lui est alloué entre les différents services activés. Ces derniers sont véhiculés dans des radio bearers (tuyaux supports). À chaque intervalle élémentaire de transmission (Transmission Time Interval, TTI), l'UE sélectionne un sous-débit pour chaque bearer; ceci se fait par la sélection d'un "format de transport" à appliquer pendant la durée TTI. Cette procédure s'effectue dans la couche MAC (Medium Access Control); le résultat de la sélection est une combinaison de formats de transport (Transport Format Combination, TFC) que la couche physique doit utiliser. La procédure, nommée sélection de TFC, permet d'adapter la transmission des différents services aux conditions variables de la propagation radio: elle détermine notablement la performance de transmission. L'algorithme de sélection de TFC est tracé dans ses grandes lignes dans la norme. Un de ses principes est de favoriser le trafic temps réel au détriment des services de données par paquet. Cependant, le trafic temps réel peut être perturbé par le trafic de données sous certaines conditions, en particulier pour les mobiles éloignés de la station de base (Node B). On propose un algorithme de sélection de TFC qui limite ces perturbations et qui offre une plus large zone de couverture aux services temps réels. En plus, il améliore la QoS du service de données et le débit effectif de l'UE sans augmenter sa puissance de transmission. Un autre type d'études concerne l'ordonnancement de paquets entre les différents utilisateurs ou UEs. C'est une procédure qui est contrôlée par la partie fixe du réseau. Nous l'étudions principalement par simulation en considérant divers mécanismes ou variations. Un premier mécanisme est nommé fast Variable Spreading Factor (fast VSF): les UEs distants changent rapidement leur facteur d'étalement (SF) afin de conserver une puissance de transmission constante, ce qui vise à stabiliser l'interférence inter-cellulaire. Un deuxième mécanisme étudié est un accès paquet décentralisé (decentralized mode) utilisant une information en retour sur le niveau global d'interférence dans la cellule. Un troisième mécanisme nommé "fast scheduling" (ordonnancement rapide) raccourcit le cycle d'ordonnancement. Les résultats ont montré que dans le cas de faible ou moyenne charge dans la cellule, le mode décentralisé réduit le délai par paquet jusqu'à 25 %. L'ordonnancement rapide augmente la capacité du système jusqu' à 10%. En plus, il améliore la QoS perçue par les utilisateurs en terme de débit par utilisateur et délai par paquet transmis.

Research Doctorate - Doctor of Philosophy (PhD) / The Radio Access Network (RAN) accounts for the major proportion of the UMTS system operating cost. Transmission from radio base station sites contributes a larger part of the RAN operating costs. Selection of suitable transport technologies and proper allocation of network resources are vital from an operator cost optimisation and the Quality of Experience (QoE) points of view. This thesis extensively investigated the performance of a RAN to support multimedia traffic on a HSDPA air interface. Transport network layer of a future RAN could be based on a number of transport protocols such as ATM, IP and Ethernet. With the increasing traffic volume and diversity the efficiencies of IP and Ethernet based RAN could increases significantly due to the use of larger payloads and simpler resource allocation techniques. Also, on IP and Ethernet based links relatively fewer overhead bits are transmitted compared to an ATM based link. Both the IP and Ethernet based links appear to perform better under heavy traffic load conditions. An IP based link could perform better than an Ethernet based link when an IP header compression technique is used. An Ethernet based link is an alternative transport technique for the UTRAN transport network due to its flexibility, economy and bandwidth efficiency. The HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) is considered to be one of the initial evolutionary steps to enhance the data rate, and QoS of downlink data and multimedia services for the evolved UMTS network. It can provide high data rate up to 28.8 Mbps on the downlink shared channel using the packet access technique. A HSDPA network can dynamically adjust a connection data rate to match radio conditions to ensure the highest possible data rate for different type of traffic. Inappropriate RAN capacity allocation could lead to low radio resource or RAN resource utilizations. In this thesis, a Markov chain based analytical model has been developed to study the interaction between the air interface and the RAN for a HSDPA network. The analytical model was used to study interactions of RAN transport protocols, flow control techniques and the air interface transmission conditions. Further a simulation model was developed to investigate the relationship between the HSDPA air interface and its RAN parameters. Another important issue in the HSDPA network design is the scheduling algorithm used at the Node-B. A scheduling algorithm plays a key role in allocating a RAN’s network resources. Impacts of scheduling algorithms are studied in this work using a simulation model. Based on the study of the HSDPA air interface and its RAN parameter interactions this work has developed an adaptive resource management algorithm, which uses the measured air interface information to allocate the corresponding connection data rate on the Iub link. The developed algorithm reduces RAN resource requirements while increasing the air interface resource utilization and QoS of connections.

This master’s thesis deals with a UMTS radio access network optimization, containing radio interface analysis, services and procedures description, ways to correct parameters calculations and settings and other issues necessary for a correct access network operation. The goal is effective network operation, minimum costs and maximum performance and flexibility of the network. The optimization during system operation is important because of the system character. The UMTS system uses the WCDMA technology, where particular users share the same frequency band and they are distinguished from one another via code sequences. The capacity of such a system is then given by the interference level - each particular user increases the interference level by the value corresponding to his transmit power. The maximum cell capacity is determined by the maximum interference level at which users can still operate with required services, so it is related not only to the number of users, but also to their bit rate. The optimization allows effective usage of the system for different services with different requirements. The main optimization tool is the radio resource management, containing number of algorithms, such as admission control, which decides the acceptance or rejection of a new user demanding certain service, power control, which ensure that users transmit with a minimal power sufficient for required service, handover and cell selection algorithms etc. The major parameter used by these algorithms is a cell load factor, which is related to the interference level margin. There are several methods for the load factor estimation and some of them are described in this work. Some other optimization techniques are mentioned here, too. This work also contains a laboratory exercise proposal for radio resource management introduction using the OPNET Modeler network simulation tool.

The thesis is focused on the description of LTE system in terms of signaling on interfaces of LTE and EPC subsystems, such as UE initial network connection. The next section describes the types of diagnostic methods for mobile networks using OSS, drive testing and flow analysis. The thesis also aims at description of key performance indicators (RSRP, RSSI, etc.) and the proposal for measuring of the LTE network physical layer and the data transmission speed.

Le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) a choisi, dans sa Release 99, le protocole AAL2/ATM pour le transport des données sur les interfaces Iub et Iur du réseau d'accès de l'UMTS, nommé UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). L'AAL-2 (ATM Adaptation Layer - Type 2) est une couche d'adaptation au-dessus de la couche ATM. L'AAL2 consiste à agréger plusieurs paquets de différents flux dans une même cellule ATM pour réduire le temps de remplissage surtout pour les applications temps-réel à bas débit. Les études menées sur l'AAL2 pour évaluer ses performances ne sont pas nombreuses, surtout dans le contexte de l'UTRAN où les contraintes temporelles sont strictes à cause des mécanismes de synchronisation des canaux de transport radio. Le lien entre le Node B et le RNC, où le protocole AAL2 est déployé, ne doit pas constituer le goulot d'étranglement (Bottleneck) pour les flux transportés. Le protocole AAL2 doit être bien étudié pour évaluer ses performances et ses capacités pour le transport des canaux radio. <br />L'AAL2 constitue un véritable protocole de transport qui se superpose au protocole de transport ATM. Or, dans les normes de l'AAL2, aucune notion de qualité de service (QoS) n'était définie pendant notre étude. En plus, les études faites étaient insuffisantes pour définir un modèle complet de la QoS dans l'AAL2. Nous avons alors contribué pour définir des classes de QoS au niveau AAL2, des paramètres de QoS, des capacités de transfert (AAL2-TC) ainsi que des critères de performance. Ensuite, nous proposons des schémas d'association (mapping) entre les différentes classes de service de l'UMTS et les classes de l'AAL2 d'une part et entre les classes de l'AAL2 et les classes de l'ATM d'autre part. Un schéma de partage de la bande passante entre les différentes classes est proposé ainsi qu'un schéma de contrôle d'admission des connexions AAL2. Dans le cas où plusieurs types de trafic seraient agrégés dans le même VC ATM, un mécanisme d'ordonnancement au niveau AAL2 est nécessaire pour pouvoir différencier entre les classes de services. Plusieurs algorithmes d'ordonnancement sont proposés au niveau de l'AAL2 et une comparaison entre ces mécanismes est réalisée dans plusieurs contextes pour évaluer les avantages et les inconvénients de chaque algorithme. Nous proposons un nouvel algorithme dynamique appelé DyWRR qui s'adapte avec le changement du trafic. Nous étudions aussi un paramètre important relatif au protocole AAL2 qui est le Timer-CU (Timer - Combined Use). Ce paramètre de temporisation a une influence sur le délai des paquets et sur le taux d'utilisation de la bande passante. Une étude fine et détaillée de ce paramètre est réalisée pour obtenir des résultats sur sa valeur optimale. Le choix de l'ATC (ATM Transfer Capability) pour le transport des connexions AAL2 fait une partie de notre étude. Le DBR et le SBR sont deux ATC proposées et une comparaison entre ces deux solutions est analysée. Quand on parle de l'AAL2 comme un protocole de transport, l'idée de la commutation AAL2 ne sera plus exclue. Au lieu de commuter les cellules ATM, on peut commuter les paquets AAL2 pour qu'on puisse séparer les connexions AAL2 dans un nud donné du réseau. La commutation AAL2 présente des avantages mais également des inconvénients que nous traitons dans cette thèse.<br />Les résultats de létude sur lAAL2 faite dans le cadre de cette thèse ont été utilisés pour une contribution à la normalisation au sein de lITU-T (International Telecommunication Union -Telecommunication standardization sector). Ces travaux de normalisation ont abouti à une nouvelle norme appelée ITU-T I.378 qui traite la problématique de la qualité de service et du contrôle de trafic au niveau de lAAL2.<br />Dans la Release 5 du 3GPP, l'IP est introduit comme protocole de transport sur les interfaces Iub et Iur dans une optique de réaliser des réseaux "tout-IP". Ce protocole, dans sa version simple, ne peut pas garantir une qualité de service parce qu'il ne fournit qu'une seule classe de service pour tous les flux, la classe du meilleur effort (Best Effort). Des mécanismes de différenciation des services sont alors nécessaires comme DiffServ ou IntServ dans le contexte de l'UTRAN. Plusieurs architectures pour le transport en IP sur l'interface Iub sont présentées. D'ailleurs, ces solutions en IP introduisent une charge supplémentaire à cause de la longueur des en-têtes. Sachant que les opérateurs des télécommunications s'intéressent à l'optimisation de la bande passante sur les liens appelés Last Mile Link, une étude est alors réalisée dans cette thèse pour évaluer les performances des solutions en IP dans l'UTRAN.