IPSec in 3G packet switched domain

Diplomityö käsittelee IPSec-protokollan (IP Security Protocol) implementointia UMTS:n (Universal Mobile Telecommunications System) pakettikytkentäiseen verkkoon. Runkoverkkoa käytetään mobiilikäyttäjän datan siirtämiseen sekä verkkoelementtien väliseen ohjausinformaation välitykseen. Koska UMTS:n runkoverkot ovat IP-pakettikytkentäisiä verkkoja, IPSec-protokollaa voidaan käyttää lähetettyjen IP-datasähkeiden suojaamiseen. IPSec- ja IKE-protokollien (Internet Key Exchange) käyttö on koettu monimutkaiseksi kiinteissä verkoissa. Tämän saman ongelman edessä tulevat olemaan myös operaattorit, kun he alkavat rakentaa UMTS-verkkojaan. On kuitenkin muistettava se, että tulevaisuudessa lähes kaikki data mukaanlukien ääni ja video on tarkoitus siirtää IP-protokollan avulla. IP-teknologiaan perustuva tiedonsiirron kasvu lisää IPSec-protokollan merkitystä ei ainoastaan runkoverkossa mutta myös radioliityntäverkoissa sekä SS7-merkinantoverkoissa (Signaling System No. 7). Diplomityö on tehty osaksi diplomi-insinöörin tutkintoa Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Työ on tehty Nokia Networksin palveluksessa Helsingissä, vuosien 2002 ja 2003 välisenä aikana.

Mobility Management in Packet Switched Mobile Networks

Nykyisin matkaviestinverkot ovat osa jokapäiväistä elämää. Merkittävimpiä eroja kiinteiden ja matkaviestinverkkojen välillä on käyttäjän liikkuvuus, joka voidaan määritellä mahdollisuudeksi soittaa ja vastaanottaa puheluita missä ja milloin tahansa. Työ selittää termin liikkuvuus ja määrittää ongelmat, jotka täytyy ratkaista liikkuvuuden aikaansaamiseksi sekä tavat, joilla nämä ongelmat on ratkaistu matkaviestinverkoissa. Työ luo yleiskatsauksen liikkuvuuden aikaansaamisessa käytettäviin menetelmiin, joita ovat haku, sijainnin päivitys, sijainnin seuranta ja kanavan vaihto. Työ keskittyy liikkuvuuteen kolmannen sukupolven matkaviestinverkkojen paketti-kytkentäisessä osassa, esimerkkinä liikkuvuuden hallinta UMTS:ssa (Universal Mobile Telecommunications System). Erot paketti- ja piirikytkentäisen osan välillä tuodaan esille ja selitetään. Jotta käyttäjät ja heidän päätteensä voisivat liikkua, tiedon täytyy kulkea verkon eri osien välillä. Merkinanto verkkoelementtien välillä ja liikkuvuuden mahdollistavien toimenpiteiden suoritus tehdään yhteyskäytännön avulla. Työ kuvaa yhteyskäytännöt, jotka ovat osallisena liikkuvuuden tarjontaan. Painopiste on GPRS:n liikkuvuuden-hallintayhteyskäytännössä, GMM:ssä. GMM protokollan prototyypin toteutus on esitetty työn käytännön osassa.

Packet Switched UMTS Pilot System

Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) on Third Generation Partnership Project (3GPP) –organisaation määrittelemä matkaviestinjärjestelmä. UMTS tukee sekä piiri- että pakettikytkentäistä tiedonsiirtoa ja mahdollistaa langattoman, suurinopeuksisen Internet-yhteyden. Diplomityön tarkoituksena on kuvata Nokia Research Center:n toteuttama kolmannen sukupolven 3GPP yhteensopiva pakettikytkentäinen koejärjestelmä. Työssä on käytetty uutta lähestymistapaa protokollakehitykseen, yhdistämällä eri työkaluilla tuotettuja protokollia yhdeksi kokonaisuudeksi. Liikenteen vaihtuessa lähitulevaisuudessa suurelta osin pakettikytkentäiseksi on mietittävä keinoja palvelunlaadun takaamiseksi. Näitä keinoja tutkittiin käyttämällä työssä toteutettua koejärjestelmää testialustana. Koejärjestelmää esiteltiin useissa konferensseissa ja se toimitettiin monille teleoperaattoreille.

Managing Packet Data (Sessions) in 3G Mobile Networks

Tällä hetkellä kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmät ovat siirtyneet kaupalliseen vaiheeseen. Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) on eräs kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmä, jota tullaan käyttämään Euroopassa. Diplomityön päämääränä on tutkia, kuinka pakettivälitteistä tiedonsiirtoa hallitaan UMTS - verkoissa. Diplomityö antaa yleiskuvan toisen sukupolven matkapuhelinjärjestelmien datapalveluiden kehityksestä kolmannen sukupolven nopeisiin matkapuhelinjärjestelmiin. Pakettivälitteisen verkon verkkoarkkitehtuuri on esitetty sekä sen, diplomityön kannalta, tärkeimpien osien toiminnallisuus on selvitetty. Myös pakettipohjaisten datayhteyksien eli istuntojen muodostaminen ja vapauttaminen sekä aktiivisen yhteyden ominaisuuksien muokkaaminen on esitetty tässä diplomityössä. Yhteydenhallintaprotokolla, Session Management (SM), on yksi protokolla, joka osallistuu pakettidatayhteyden hallintaan. SM -protokolla on käsitelty työssä yksityiskohtaisesti. SM -protokollan SDL toteutus on esitetty diplomityön käytännönosassa

Packet backbone design differences between commercial network and Container Trial System of LTE/SAE

The mobile networks of earlier and current generations, or 2G and 3G networks, provide users voice and packet services with higher transmission rates and good quality over the same core network. When developing the next generation of mobile networks the current quality of services needs to be maintained. This thesis concentrates on the next generation mobile network, especially on the evolution of the packet network part. The new mobile network has requirements for the common packet backbone network, Mobile Packet Backbone Network, which is additionally discussed in this study. The next generation mobile network, called LTE/SAE, is currently under testing. The test system is called Container Trial System. It is a mini sized LTE/SAE site. The LTE/SAE is studied in this thesis concentrating on the evolved packet core, the SAE part of the composition. The empirical part of the study compares the LTE/SAE Container Trial System and commercial network designs and additionally produces documentation for internal personnel and customers. The research is performed by comparing the documentations and specifications of both the Container Trial System and commercial network. Since the LTE commercial network is not yet constructed, the comparison is done theoretically. The purpose is furthermore to find out if there are any design issues that could be done differently in the next version of the Container Trial System.

IP Telephony in Third Generation Mobile Systems: Transport Layer Dimensioning

Tämä diplomityö käsittelee kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmien kuljetuskerroksen mitoitusta. Nykyisten matkapuhelinverkkojen korvaajiksi suunnitellut kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmät tulevat yhdistämään perinteisen puhelinviestinnän ja uudenlaiset datapalvelut. Uudet verkot tulevat perustumaan pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon joka mahdollistaa molempien liikennetyyppien, puheen sekä datan, siirtämisen samassa verkossa. Tämän ratkaisun uskotaan tarjoavan paremmat mahdollisuudet uusien palvelujen luomiseen ja parantavan tiedonsiirtokapasiteettia. Siirtyminen pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon aiheuttaa kuitenkin suuria muutoksia verkkoarkkitehtuurissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan tulevien runkoverkkojen mitoitukseen liittyviä näkökohtia sekä muodostetaan alustavia kuljetuskerroksen mitoitusohjeita. Diplomityö on tehty osaksi diplomi-insinöörin tutkintoa Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa. Työ on tehty Nokia Networksin palveluksessa Helsingissä, vuoden 2000 toisella puoliskolla.

Secure IP-based Connection Solutions for Mobile Users

Tämä diplomityö tutkii turvallisia etäyhteystapoja yritysverkkoihin. Samanaikasesti kuin Internettiin liitetyt langattomat verkot, kuten langattomat lähiverkot ja pakettikytkentäiset matkapuhelinverkot, tulevat yhä yleisemmiksi, mahdollisuus etäyhteksien luomiseen näiden verkkojen kautta tulee yhä suositummaksi. Vaikka tietoverkot kehittyvät, pysyvät niitä uhkaavat yleisluontoiset uhat samoina. IP pohjaiset VPN-verkot ovat sopiva tapa suojata Internetin ylitse tapahtuvia etäyhteksiä. Eri VPN-ratkaisuja on kuitenkin tarjolla laaja valikoima. Oikean tyyppisen VPN-ratkaisun valinta on kriittistä, jotta yrityksen etäyhteystarpeet saadaan täytettyä. Diplomityö esittelee eräänä vaihtoehtona miten Pocket PC 2002 PDA laitetta ja Windows XP Professional käyttöjärjestelmää voidaan käyttää edullisen VPN ratkaisun toteuttamiseen.

GPRS/EDGE Session Tracing and Analysis in Abis and AGPRS Interfaces

Efficient problem solving in cellular networks is important when enhancing the network performance and liability. Analysis of calls and packet switched sessions in protocol level between the network elements is an important part of this process. They can provide very detailed information about error situations which otherwise would be difficult to recognise. In this thesis we seek solutions for monitoring GPRS/EDGE sessions in two specific interfaces simultaneously in such manner that all information important to the users will be provided in easily understandable form. This thesis focuses on Abis and AGPRS interfaces of GSM radio network and introduces a solution for managing the correlation between these interfaces by using signalling messages and common parameters as linking elements. ~: Finally this thesis presents an implementation of GPRS/EDGE session monitoring application for Abis and AGPRS interfaces and evaluates its benefits to the end users. Application is implemented as a part of Windows based 3G/GSM network analyser.

Exploring Adaptive Implementation of On-Chip Networks

As technology geometries have shrunk to the deep submicron regime, the communication delay and power consumption of global interconnections in high performance Multi- Processor Systems-on-Chip (MPSoCs) are becoming a major bottleneck. The Network-on- Chip (NoC) architecture paradigm, based on a modular packet-switched mechanism, can address many of the on-chip communication issues such as performance limitations of long interconnects and integration of large number of Processing Elements (PEs) on a chip. The choice of routing protocol and NoC structure can have a significant impact on performance and power consumption in on-chip networks. In addition, building a high performance, area and energy efficient on-chip network for multicore architectures requires a novel on-chip router allowing a larger network to be integrated on a single die with reduced power consumption. On top of that, network interfaces are employed to decouple computation resources from communication resources, to provide the synchronization between them, and to achieve backward compatibility with existing IP cores. Three adaptive routing algorithms are presented as a part of this thesis. The first presented routing protocol is a congestion-aware adaptive routing algorithm for 2D mesh NoCs which does not support multicast (one-to-many) traffic while the other two protocols are adaptive routing models supporting both unicast (one-to-one) and multicast traffic. A streamlined on-chip router architecture is also presented for avoiding congested areas in 2D mesh NoCs via employing efficient input and output selection. The output selection utilizes an adaptive routing algorithm based on the congestion condition of neighboring routers while the input selection allows packets to be serviced from each input port according to its congestion level. Moreover, in order to increase memory parallelism and bring compatibility with existing IP cores in network-based multiprocessor architectures, adaptive network interface architectures are presented to use multiple SDRAMs which can be accessed simultaneously. In addition, a smart memory controller is integrated in the adaptive network interface to improve the memory utilization and reduce both memory and network latencies. Three Dimensional Integrated Circuits (3D ICs) have been emerging as a viable candidate to achieve better performance and package density as compared to traditional 2D ICs. In addition, combining the benefits of 3D IC and NoC schemes provides a significant performance gain for 3D architectures. In recent years, inter-layer communication across multiple stacked layers (vertical channel) has attracted a lot of interest. In this thesis, a novel adaptive pipeline bus structure is proposed for inter-layer communication to improve the performance by reducing the delay and complexity of traditional bus arbitration. In addition, two mesh-based topologies for 3D architectures are also introduced to mitigate the inter-layer footprint and power dissipation on each layer with a small performance penalty.

Adaptive Routing Approaches for Networked Many-Core Systems

Through advances in technology, System-on-Chip design is moving towards integrating tens to hundreds of intellectual property blocks into a single chip. In such a many-core system, on-chip communication becomes a performance bottleneck for high performance designs. Network-on-Chip (NoC) has emerged as a viable solution for the communication challenges in highly complex chips. The NoC architecture paradigm, based on a modular packet-switched mechanism, can address many of the on-chip communication challenges such as wiring complexity, communication latency, and bandwidth. Furthermore, the combined benefits of 3D IC and NoC schemes provide the possibility of designing a high performance system in a limited chip area. The major advantages of 3D NoCs are the considerable reductions in average latency and power consumption. There are several factors degrading the performance of NoCs. In this thesis, we investigate three main performance-limiting factors: network congestion, faults, and the lack of efficient multicast support. We address these issues by the means of routing algorithms. Congestion of data packets may lead to increased network latency and power consumption. Thus, we propose three different approaches for alleviating such congestion in the network. The first approach is based on measuring the congestion information in different regions of the network, distributing the information over the network, and utilizing this information when making a routing decision. The second approach employs a learning method to dynamically find the less congested routes according to the underlying traffic. The third approach is based on a fuzzy-logic technique to perform better routing decisions when traffic information of different routes is available. Faults affect performance significantly, as then packets should take longer paths in order to be routed around the faults, which in turn increases congestion around the faulty regions. We propose four methods to tolerate faults at the link and switch level by using only the shortest paths as long as such path exists. The unique characteristic among these methods is the toleration of faults while also maintaining the performance of NoCs. To the best of our knowledge, these algorithms are the first approaches to bypassing faults prior to reaching them while avoiding unnecessary misrouting of packets. Current implementations of multicast communication result in a significant performance loss for unicast traffic. This is due to the fact that the routing rules of multicast packets limit the adaptivity of unicast packets. We present an approach in which both unicast and multicast packets can be efficiently routed within the network. While suggesting a more efficient multicast support, the proposed approach does not affect the performance of unicast routing at all. In addition, in order to reduce the overall path length of multicast packets, we present several partitioning methods along with their analytical models for latency measurement. This approach is discussed in the context of 3D mesh networks.

3G SGSN Toiminnallisuustestauksen Automatisointi

3G SGSN (3rd Generation Serving GPRS Support Node) onUMTS (Universal Mobile Telecommunications System) pakettiverkon verkkoelementti, joka toimii linkkinä ulkoisen verkon(kuten Internet) ja radioverkon välillä. 3G SGSN ylläpitää tilaajan tietoja ja paikannustietoja päätelaitteen liikkuessa verkon sisällä ja välittää myös dataa ulkoisen verkon ja mobiilipäätelaitteen välillä. Tämän diplomityön aiheena on 3G SGSN toiminnallisuus-testauksen automatisointi. Työssä kehitetään 3G SGSN toiminnallisuustestaukseen soveltuva testauksen automatisointijärjestelmä Linux-ympäristössä AuTS (Automated Test Sequences)-automatisointityökalulla. Kehitystyöhön kuuluu järjestelmän suunnittelu ja toteutus. Toteutettu automatisointijärjestelmä suorittaa 3G SGSN toiminnallisuustestauksen istunnon- ja liikkuvuudenhallinnan testitapauksia.Suoritettujen testitapausten tuloksista luodaan HTML (Hypertext Markup Language)-raportti, joka sisältää tiedot ja analyysit suoritetuista testitapauksista sekä linkit testitapausten lokitietoihin. Hyvä automatisointi vaatii suunnittelua, jossa huomioidaan käytettävyys ja ylläpidettävyys. Näihin ominaisuuksiin on toteutuksessa kiinnitetty erityistä huomiota. Lopputuloksena saatiin toimiva automatisointijärjestelmä, joka osoittaa automatisoinnin tuovan huomattavia etuja toiminnallisuustestauksen tehokkuuteen. Työssä käsitelläänmyös ohjelmistotestausta sekä testauksen automatisointia ja niiden periaatteita.

WCDMA HSPA performance counters for monitoring 3G-radio access network

The objective of this project was to gather all the counters which are used on HSPA performance monitoring. The main purpose was to create a compact packet of HSPA performance counters and radio network monitoring which Ericsson's employees can then use in their daily work. The study includes a short introduction to the architecture of the 3G-radio access network. The HSPA technology and HSPA performance are presented including a functional description of performance counters and KPIs, which are used for performance management and monitoring. The theory part of the study also covers an overview of performance management in OSS-RC. The final part of the study covers an overview of the performance management tools, in-troducing how the counters are represented in these interfaces. MOShell and OSS-RC are tools used in this study. Tools were selected because the MOShell is Ericsson's inter-nal management tool and OSS-RC is a tool designed for customers.

An IP capable data link layer protocol for narrow band half-duplex packet data radio networks

The wide adaptation of Internet Protocol (IP) as de facto protocol for most communication networks has established a need for developing IP capable data link layer protocol solutions for Machine to machine (M2M) and Internet of Things (IoT) networks. However, the wireless networks used for M2M and IoT applications usually lack the resources commonly associated with modern wireless communication networks. The existing IP capable data link layer solutions for wireless IoT networks provide the necessary overhead minimising and frame optimising features, but are often built to be compatible only with IPv6 and specific radio platforms. The objective of this thesis is to design IPv4 compatible data link layer for Netcontrol Oy's narrow band half-duplex packet data radio system. Based on extensive literature research, system modelling and solution concept testing, this thesis proposes the usage of tunslip protocol as the basis for the system data link layer protocol development. In addition to the functionality of tunslip, this thesis discusses the additional network, routing, compression, security and collision avoidance changes required to be made to the radio platform in order for it to be IP compatible while still being able to maintain the point-to-multipoint and multi-hop network characteristics. The data link layer design consists of the radio application, dynamic Maximum Transmission Unit (MTU) optimisation daemon and the tunslip interface. The proposed design uses tunslip for creating an IP capable data link protocol interface. The radio application receives data from tunslip and compresses the packets and uses the IP addressing information for radio network addressing and routing before forwarding the message to radio network. The dynamic MTU size optimisation daemon controls the tunslip interface maximum MTU size according to the link quality assessment calculated from the radio network diagnostic data received from the radio application. For determining the usability of tunslip as the basis for data link layer protocol, testing of the tunslip interface is conducted with both IEEE 802.15.4 radios and packet data radios. The test cases measure the radio network usability for User Datagram Protocol (UDP) based applications without applying any header or content compression. The test results for the packet data radios reveal that the typical success rate for packet reception through a single-hop link is above 99% with a round-trip-delay of 0.315s for 63B packets.

Developing strategies to mitigate the energy consumed by network infrastructures

The energy consumption by ICT (Information and Communication Technology) equipment is rapidly increasing which causes a significant economic and environmental problem. At present, the network infrastructure is becoming a large portion of the energy footprint in ICT. Thus the concept of energy efficient or green networking has been introduced. Now one of the main concerns of network industry is to minimize energy consumption of network infrastructure because of the potential economic benefits, ethical responsibility, and its environmental impact. In this paper, the energy management strategies to reduce the energy consumed by network switches in LAN (Local Area Network) have been developed. According to the lifecycle assessment of network switches, during usage phase, the highest amount of energy consumed. The study considers bandwidth, link load and traffic matrixes as input parameters which have the highest contribution in energy footprint of network switches during usage phase and energy consumption as output. Then with the objective of reducing energy usage of network infrastructure, the feasibility of putting Ethernet switches hibernate or sleep mode was investigated. After that, the network topology was reorganized using clustering method based on the spectral approach for putting network switches to hibernate or switched off mode considering the time and communications among them. Experimental results show the interest of this approach in terms of energy consumption