Cross-layer Assisted TCP Algorithms for Vertical Handoff

The ever expanding growth of the wireless access to the Internet in recent years has led to the proliferation of wireless and mobile devices to connect to the Internet. This has created the possibility of mobile devices equipped with multiple radio interfaces to connect to the Internet using any of several wireless access network technologies such as GPRS, WLAN and WiMAX in order to get the connectivity best suited for the application. These access networks are highly heterogeneous and they vary widely in their characteristics such as bandwidth, propagation delay and geographical coverage. The mechanism by which a mobile device switches between these access networks during an ongoing connection is referred to as vertical handoff and it often results in an abrupt and significant change in the access link characteristics. The most common Internet applications such as Web browsing and e-mail make use of the Transmission Control Protocol (TCP) as their transport protocol and the behaviour of TCP depends on the end-to-end path characteristics such as bandwidth and round-trip time (RTT). As the wireless access link is most likely the bottleneck of a TCP end-to-end path, the abrupt changes in the link characteristics due to a vertical handoff may affect TCP behaviour adversely degrading the performance of the application. The focus of this thesis is to study the effect of a vertical handoff on TCP behaviour and to propose algorithms that improve the handoff behaviour of TCP using cross-layer information about the changes in the access link characteristics. We begin this study by identifying the various problems of TCP due to a vertical handoff based on extensive simulation experiments. We use this study as a basis to develop cross-layer assisted TCP algorithms in handoff scenarios involving GPRS and WLAN access networks. We then extend the scope of the study by developing cross-layer assisted TCP algorithms in a broader context applicable to a wide range of bandwidth and delay changes during a handoff. And finally, the algorithms developed here are shown to be easily extendable to the multiple-TCP flow scenario. We evaluate the proposed algorithms by comparison with standard TCP (TCP SACK) and show that the proposed algorithms are effective in improving TCP behavior in vertical handoff involving a wide range of bandwidth and delay of the access networks. Our algorithms are easy to implement in real systems and they involve modifications to the TCP sender algorithm only. The proposed algorithms are conservative in nature and they do not adversely affect the performance of TCP in the absence of cross-layer information.

Mobile Protocol Stack Simulator

Nykypäivän maailma tukeutuu verkkoihin. Tietokoneverkot ja langattomat puhelimet ovat jo varsin tavallisia suurelle joukolle ihmisiä. Uusi verkkotyyppi on ilmestynyt edelleen helpottamaan ihmisten verkottunutta elämää. Ad hoc –verkot mahdollistavat joustavan verkonmuodostuksen langattomien päätelaitteiden välille ilman olemassa olevaa infrastruktuuria. Diplomityö esittelee uuden simulaatiotyökalun langattomien ad hoc –verkkojen simulointiin protokollatasolla. Se esittelee myös kyseisten verkkojen taustalla olevat periaatteet ja teoriat. Lähemmin tutkitaan OSI-mallin linkkikerroksen kaistanjakoprotokollia ad hoc –verkoissa sekä vastaavan toteutusta simulaattorissa. Lisäksi esitellään joukko simulaatioajoja esimerkiksi simulaattorin toiminnasta ja mahdollisista käyttökohteista.

The Networks of Learning in Technological Innovation : The Emergence of Collaboration Across Fields of Expertise

This study addresses four issues concerning technological product innovations. First, the nature of the very early phases or "embryonic stages" of technological innovation is addressed. Second, this study analyzes why and by what means people initiate innovation processes outside the technological community and the field of expertise of the established industry. In other words, this study addresses the initiation of innovation that occurs without the expertise of established organizations, such as technology firms, professional societies and research institutes operating in the technological field under consideration. Third, the significance of interorganizational learning processes for technological innovation is dealt with. Fourth, this consideration is supplemented by considering how network collaboration and learning change when formalized product development work and the commercialization of innovation advance. These issues are addressed through the empirical analysis of the following three product innovations: Benecol margarine, the Nordic Mobile Telephone system (NMT) and the ProWellness Diabetes Management System (PDMS). This study utilizes the theoretical insights of cultural-historical activity theory on the development of human activities and learning. Activity-theoretical conceptualizations are used in the critical assessment and advancement of the concept of networks of learning. This concept was originally proposed by the research group of organizational scientist Walter Powell. A network of learning refers to the interorganizational collaboration that pools resources, ideas and know-how without market-based or hierarchical relations. The concept of an activity system is used in defining the nodes of the networks of learning. Network collaboration and learning are analyzed with regard to the shared object of development work. According to this study, enduring dilemmas and tensions in activity explain the participants' motives for carrying out actions that lead to novel product concepts in the early phases of technological innovation. These actions comprise the initiation of development work outside the relevant fields of expertise and collaboration and learning across fields of expertise in the absence of market-based or hierarchical relations. These networks of learning are fragile and impermanent. This study suggests that the significance of networks of learning across fields of expertise becomes more and more crucial for innovation activities.

Locality and order-invariant logics

Malli on logiikassa käytetty abstraktio monille matemaattisille objekteille. Esimerkiksi verkot, ryhmät ja metriset avaruudet ovat malleja. Äärellisten mallien teoria on logiikan osa-alue, jossa tarkastellaan logiikkojen, formaalien kielten, ilmaisuvoimaa malleissa, joiden alkioiden lukumäärä on äärellinen. Rajoittuminen äärellisiin malleihin mahdollistaa tulosten soveltamisen teoreettisessa tietojenkäsittelytieteessä, jonka näkökulmasta logiikan kaavoja voidaan ajatella ohjelmina ja äärellisiä malleja niiden syötteinä. Lokaalisuus tarkoittaa logiikan kyvyttömyyttä erottaa toisistaan malleja, joiden paikalliset piirteet vastaavat toisiaan. Väitöskirjassa tarkastellaan useita lokaalisuuden muotoja ja niiden säilymistä logiikkoja yhdistellessä. Kehitettyjä työkaluja apuna käyttäen osoitetaan, että Gaifman- ja Hanf-lokaalisuudeksi kutsuttujen varianttien välissä on lokaalisuuskäsitteiden hierarkia, jonka eri tasot voidaan erottaa toisistaan kasvavaa dimensiota olevissa hiloissa. Toisaalta osoitetaan, että lokaalisuuskäsitteet eivät eroa toisistaan, kun rajoitutaan tarkastelemaan äärellisiä puita. Järjestysinvariantit logiikat ovat kieliä, joissa on käytössä sisäänrakennettu järjestysrelaatio, mutta sitä on käytettävä siten, etteivät kaavojen ilmaisemat asiat riipu valitusta järjestyksestä. Määritelmää voi motivoida tietojenkäsittelyn näkökulmasta: vaikka ohjelman syötteen tietojen järjestyksellä ei olisi odotetun tuloksen kannalta merkitystä, on syöte tietokoneen muistissa aina jossakin järjestyksessä, jota ohjelma voi laskennassaan hyödyntää. Väitöskirjassa tutkitaan minkälaisia lokaalisuuden muotoja järjestysinvariantit ensimmäisen kertaluvun predikaattilogiikan laajennukset yksipaikkaisilla kvanttoreilla voivat toteuttaa. Tuloksia sovelletaan tarkastelemalla, milloin sisäänrakennettu järjestys lisää logiikan ilmaisuvoimaa äärellisissä puissa.

XML Messaging for Mobile Devices

In recent years, XML has been widely adopted as a universal format for structured data. A variety of XML-based systems have emerged, most prominently SOAP for Web services, XMPP for instant messaging, and RSS and Atom for content syndication. This popularity is helped by the excellent support for XML processing in many programming languages and by the variety of XML-based technologies for more complex needs of applications. Concurrently with this rise of XML, there has also been a qualitative expansion of the Internet's scope. Namely, mobile devices are becoming capable enough to be full-fledged members of various distributed systems. Such devices are battery-powered, their network connections are based on wireless technologies, and their processing capabilities are typically much lower than those of stationary computers. This dissertation presents work performed to try to reconcile these two developments. XML as a highly redundant text-based format is not obviously suitable for mobile devices that need to avoid extraneous processing and communication. Furthermore, the protocols and systems commonly used in XML messaging are often designed for fixed networks and may make assumptions that do not hold in wireless environments. This work identifies four areas of improvement in XML messaging systems: the programming interfaces to the system itself and to XML processing, the serialization format used for the messages, and the protocol used to transmit the messages. We show a complete system that improves the overall performance of XML messaging through consideration of these areas. The work is centered on actually implementing the proposals in a form usable on real mobile devices. The experimentation is performed on actual devices and real networks using the messaging system implemented as a part of this work. The experimentation is extensive and, due to using several different devices, also provides a glimpse of what the performance of these systems may look like in the future.

IP Mobility in Wireless Operator Networks

Wireless network access is gaining increased heterogeneity in terms of the types of IP capable access technologies. The access network heterogeneity is an outcome of incremental and evolutionary approach of building new infrastructure. The recent success of multi-radio terminals drives both building a new infrastructure and implicit deployment of heterogeneous access networks. Typically there is no economical reason to replace the existing infrastructure when building a new one. The gradual migration phase usually takes several years. IP-based mobility across different access networks may involve both horizontal and vertical handovers. Depending on the networking environment, the mobile terminal may be attached to the network through multiple access technologies. Consequently, the terminal may send and receive packets through multiple networks simultaneously. This dissertation addresses the introduction of IP Mobility paradigm into the existing mobile operator network infrastructure that have not originally been designed for multi-access and IP Mobility. We propose a model for the future wireless networking and roaming architecture that does not require revolutionary technology changes and can be deployed without unnecessary complexity. The model proposes a clear separation of operator roles: (i) access operator, (ii) service operator, and (iii) inter-connection and roaming provider. The separation allows each type of an operator to have their own development path and business models without artificial bindings with each other. We also propose minimum requirements for the new model. We present the state of the art of IP Mobility. We also present results of standardization efforts in IP-based wireless architectures. Finally, we present experimentation results of IP-level mobility in various wireless operator deployments.

Kotiverkon tietoliikenneyhteyksien hallinta

Kulutuselektroniikka, matkapuhelin- ja tietotekniikka ovat viime vuosina lähentyneet toisiaan. Perinteisesti näitä tekniikoita vastaavat verkot, päätelaitteet ja sisältö ovat olleet erillisiä. Nykyään Internet-teknologia ja viestinnän digitalisoituminen yhdentää verkkoja. Palveluntarjoajat tuottavat sisältöä kasvavassa määrin digitaalisena. Päätelaitteetkin yhdentyvät. Esimerkiksi kannettavaa tietokonetta voidaan pitää matkapuhelimena tai televisiovastaanottimena, kun se on varustettu tarvittavalla laitteistolla ja ohjelmistolla. Sisältöjen, verkkojen ja päätelaitteiden yhdentyminen on saanut yhä useammat kuluttajat rakentamaan kotiverkkoja. Tutkielman tavoitteena on esitellä ja vertailla markkinoilla olevia laitteita ja ohjelmistoja, joiden avulla voidaan rakentaa toimiva kotiverkko. Kotiverkolla tarkoitetaan tässä tutkielmassa kodin sisäpuolista verkkoa, joka on liitetty toimivasti kodin ulkopuolisiin verkkoihin. Tutkielmassa tarkastellaan ensin yleisimpiä lähiverkko- ja lyhyen kantaman verkkotekniikoita, joita käytetään kotiverkkoja rakennettaessa. Tämän jälkeen tarkastellaan joitakin väliohjelmistoratkaisuja, joilla voidaan hallita kotiverkon laitteiden vuorovaikutusta ja turvallisuutta. Lopuksi suunnitellaan konkreettinen kotiverkko. Käyttötilanteiden avulla havainnollistaan verkkotekniikoiden ja väliohjelmiston yhteistoimintaa tietoliikenteen hallinnassa.

Viivesietoisten verkkojen nykytila ja tulevaisuuden haasteet

Delay and disruption tolerant networks (DTNs) are computer networks where round trip delays and error rates are high and disconnections frequent. Examples of these extreme networks are space communications, sensor networks, connecting rural villages to the Internet and even interconnecting commodity portable wireless devices and mobile phones. Basic elements of delay tolerant networks are a store-and-forward message transfer resembling traditional mail delivery, an opportunistic and intermittent routing, and an extensible cross-region resource naming service. Individual nodes of the network take an active part in routing the traffic and provide in-network data storage for application data that flows through the network. Application architecture for delay tolerant networks differs also from those used in traditional networks. It has become feasible to design applications that are network-aware and opportunistic, taking an advantage of different network connection speeds and capabilities. This might change some of the basic paradigms of network application design. DTN protocols will also support in designing applications which depend on processes to be persistent over reboots and power failures. DTN protocols could also be applicable to traditional networks in cases where high tolerance to delays or errors would be desired. It is apparent that challenged networks also challenge the traditional strictly layered model of network application design. This thesis provides an extensive introduction to delay tolerant networking concepts and applications. Most attention is given to challenging problems of routing and application architecture. Finally, future prospects of DTN applications and implementations are envisioned through recent research results and an interview with an active researcher of DTN networks.

Algorithms for Exact Structure Discovery in Bayesian Networks

Bayesian networks are compact, flexible, and interpretable representations of a joint distribution. When the network structure is unknown but there are observational data at hand, one can try to learn the network structure. This is called structure discovery. This thesis contributes to two areas of structure discovery in Bayesian networks: space--time tradeoffs and learning ancestor relations. The fastest exact algorithms for structure discovery in Bayesian networks are based on dynamic programming and use excessive amounts of space. Motivated by the space usage, several schemes for trading space against time are presented. These schemes are presented in a general setting for a class of computational problems called permutation problems; structure discovery in Bayesian networks is seen as a challenging variant of the permutation problems. The main contribution in the area of the space--time tradeoffs is the partial order approach, in which the standard dynamic programming algorithm is extended to run over partial orders. In particular, a certain family of partial orders called parallel bucket orders is considered. A partial order scheme that provably yields an optimal space--time tradeoff within parallel bucket orders is presented. Also practical issues concerning parallel bucket orders are discussed. Learning ancestor relations, that is, directed paths between nodes, is motivated by the need for robust summaries of the network structures when there are unobserved nodes at work. Ancestor relations are nonmodular features and hence learning them is more difficult than modular features. A dynamic programming algorithm is presented for computing posterior probabilities of ancestor relations exactly. Empirical tests suggest that ancestor relations can be learned from observational data almost as accurately as arcs even in the presence of unobserved nodes.

Mobile E-commerce business model – A value web based approach to business models in mobile gaming industry

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia langattomien internet palveluiden arvoverkkoa ja liiketoimintamalleja. Tutkimus oli luonteeltaan kvalitatiivinen ja siinä käytettiin strategiana konstruktiivista case-tutkimusta. Esimerkkipalveluna oli Treasure Hunters matkapuhelinpeli. Tutkimus muodostui teoreettisesta ja empiirisestä osasta. Teoriaosassa liitettiin innovaatio, liiketoimintamallit ja arvoverkko käsitteellisesti toisiinsa, sekä luotiin perusta liiketoimintamallien kehittämiselle. Empiirisessä osassa keskityttiin ensin liiketoimintamallien luomiseen kehitettyjen innovaatioiden pohjalta. Lopuksi pyrittiin määrittämään arvoverkko palvelun toteuttamiseksi. Tutkimusmenetelminä käytettiin innovaatiosessiota, haastatteluja ja lomakekyselyä. Tulosten pohjalta muodostettiin useita liiketoimintakonsepteja sekä kuvaus arvoverkon perusmallista langattomille peleille. Loppupäätelmänä todettiin että langattomat palvelut vaativat toteutuakseen useista toimijoista koostuvan arvoverkon.

Development of a Business Model that Supports Mobile Value-Added Services Market Creation in Emerging Countries

Tutkielman tavoitteena on luoda liiketoimintamalli, joka tukee langattomien matkaviestintäpalveluiden markkinoiden luomista kehittyvillä markkinoilla. Teoreettinen osa tarkastelee langattomien matkaviestintäpalveluiden liiketoimintamallin kehittämisen tärkeimpiä elementtejä CIS maissa. Teoreettisen kappaleen tuloksena saadaan puitteet, jonka avulla liiketoimintamalli matkaviestintäpalveluille voidaan kehittää. Tutkielman empiirinen osa on toteutettu case tutkimuksena, jonka tavoitteena on ollut langattomien matkaviestintäpalvelujen markkinoiden luominen CIS maissa. Pääasiallinen empiirisen tiedon lähde on ollut teemahaastattelut. Tuloksena saatuja empiirisen osan tietoja verrataan teoriakappaleen vastaaviin tuloksiin Tulokset osoittavat, että radikaalin korkean teknologian innovaation markkinoiden luominen on hidas prosessi, joka vaatii kärsivällisyyttä yritykseltä. Markkinoiden, teknologian ja strategian epävarmuustekijät tuovat epävarmuutta kehittyvälle toimialalle ja markkinoille, joka vaikeuttaa liiketoimintamallin kehittämistä. Tärkein tekijä on palvelujen markkinointi ennemmin kuin teknologian. Avain kyvykkyys markkinoiden luomisessa on oppiminen, ei tietäminen.

Esineiden internetin verkkostandardit älykodissa

Tutkielman tavoitteena on esitellä esineiden internetin kokonaisuutta ja tutkia siellä käytettäviä langattomia verkkostandardeja sekä niiden käyttöä älykodissa. Esineiden internetin soveltamisalueet jakautuvat älykodin, teollisuuden ja yhteiskunnan osa-alueisiin. Näistä älykotia käsitellään tutkielmassa tarkemmin. Työssä selvitetään, mitkä ovat esineiden internetin yleisimmät langattomat verkkostandardit ja niiden ominaisuudet. Lisäksi selvitetään, mistä osista älykoti koostuu, mitkä ovat soveltamisalueet ja miten älykoti toimii. Vertailukohteina käytetään kahden suuren elektroniikkavalmistajan, Samsungin ja LG:n, älykotiratkaisuja. Tutkielmassa esitellään esineiden internetin määritelmä, sen historiaa ja käyttökohteita, jotta saadaan yleiskuva esineiden internetin kokonaisuudesta. Tämän jälkeen syvennytään langattomiin verkkostandardeihin, jotka ovat keskeisesti käytössä esineiden internetissä. Kyseiset verkkostandardit ovat Bluetooth, Bluetooth Low Energy, NFC, Wi-Fi, Zigbee ja 6LoWPAN. Lopuksi käsitellään älykotia ja sen ominaisuuksia. Samalla tutkitaan Samsungin ja LG:n älykotilaitteita ja pohditaan niiden toimivuutta. Lisäksi pohditaan verkkostandardien käyttöä älykodeissa sekä esineiden internetin ja älylaitteiden vaikutuksia ihmisiin. Lopputuloksena todetaan, että Wi-Fi, Bluetooth ja Zigbee ovat yleisimmät älykodin verkkostandardit ja että ainoastaan yksi verkkostandardi ei tällä hetkellä riitä monipuolisen älykodin kaikkia toimintoja varten. Vertailussa huomataan Samsungin älykotiratkaisun olevan kehityksessä LG:tä edellä.