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

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.

A block coprocessor for user data rate improvements to GPRS coding scheme 4

The general packet radio service (GPRS) has been developed to allow packet data to be transported efficiently over an existing circuit-switched radio network, such as GSM. The main application of GPRS are in transporting Internet protocol (IP) datagrams from web servers (for telemetry or for mobile Internet browsers). Four GPRS baseband coding schemes are defined to offer a trade-off in requested data rates versus propagation channel conditions. However, data rates in the order of > 100 kbits/s are only achievable if the simplest coding scheme is used (CS-4) which offers little error detection and correction (EDC) (requiring excellent SNR) and the receiver hardware is capable of full duplex which is not currently available in the consumer market. A simple EDC scheme to improve the GPRS block error rate (BLER) performance is presented, particularly for CS-4, however gains in other coding schemes are seen. For every GPRS radio block that is corrected by the EDC scheme, the block does not need to be retransmitted releasing bandwidth in the channel and improving the user's application data rate. As GPRS requires intensive processing in the baseband, a viable field programmable gate array (FPGA) solution is presented in this paper.

Improving CS-4 user data rate in GPRS enabled devices by using a BLER co-processor

The General Packet Radio Service (GPRS) was developed to allow packet data to be transported efficiently over an existing circuit switched radio network. The main applications for GPRS are in transporting IP datagram’s from the user’s mobile Internet browser to and from the Internet, or in telemetry equipment. A simple Error Detection and Correction (EDC) scheme to improve the GPRS Block Error Rate (BLER) performance is presented, particularly for coding scheme 4 (CS-4), however gains in other coding schemes are seen. For every GPRS radio block that is corrected by the EDC scheme, the block does not need to be retransmitted releasing bandwidth in the channel, improving throughput and the user’s application data rate. As GPRS requires intensive processing in the baseband, a viable hardware solution for a GPRS BLER co-processor is discussed that has been currently implemented in a Field Programmable Gate Array (FPGA) and presented in this paper.

Evaluation of GPRS Radio Link Control Layer in Weak RF Field

General Packet Radio Service (GPRS) mahdollistaa pakettimuotoisen tiedonsiirron GSM-verkossa. Se tarjoaa yhteyden pakettidataverkkoihin, nostaen samalla tiedonsiirtonopeutta radiorajapinnassa. Radioresurssit ovat varattuna vain silloin kun on jotain lähetettävää, tehden täten radioresurssien käytön paljon tehokkaammaksi. Tämä diplomityö keskittyy GPRS protokollaan ja erityisesti sen datapinossa olevaan Radio Link Control (RLC) kerrokseen. RLC-kerros huolehtii GPRS- puhelimen ja tukiaseman välisen yhteyden luotettavuudesta. Työn tavoitteena on tutkia RLC-kerroksen toiminnallisuutta ja sen luotettavuutta heikossa kentässä, sekä selvittää heikon kentän vaikutusta uudelleenlähetyksiin. Työn tuloksena saadaan arvio signaalin voimakkuuden sekä uudelleen lähetysten vaikutuksesta GPRS:n datansiirtonopeuteen. Tämä työ käsittelee myös lyhyesti GSM-järjestelmää, koska lukijan on näin helpompaa ymmärtää myös GPRS-järjestelmän vaatimia teknisiä muutoksia. Tämä diplomityö on tehty osana Nokia Matkapuhelimet Oyj:ssä käynnissä olevaa GPRS tuotekehitysprojektia. Työn tuloksia käytetään testauksen tukena ja niitä on käytetty apuna RLC-kerroksen luotettavuustestauksen suunnittelussa.

EGPRS-muutokset matkapuhelimen fyysiselle signalointiprotokollatasolle

Tässä työssä käsitellään muutoksia, joita EGPRS-standardi aiheuttaa matkapuhelimen fyysiselle signalointiprotokollatasolle. EGPRS on laajennus normaaliin GPRS-verkkoon ja se mahdollistaa yhteistoiminnan Yhdysvalloissa käytetyn TDMA-matkapuhelinstandardin kanssa. EGPRS-puhelimessa puhelut hoidetaan TDMA-verkon kautta ja datan siirto GPRS-verkon kautta. EGPRS operoi GSM850 ja GSM1900 taajuusalueilla. EGPRS:n merkittävimpiä uusia ominaisuuksia ovat modulointimenetelmä EDGE ja kompaktit kontrollikanavat. Uudella modulointimenetelmällä saavutetaan kolminkertainen tiedonsiirtonopeus vanhaan modulointimenetelmään verrattuna. Kompaktien kontrollikanavien avulla voidaan tukiaseman taajuuskaistan tarvetta pienentää huomattavasti. Tukiasema voi käyttää vanhaa ja uutta modulointimenetelmää yhtä aikaa. EGPRS-verkko voi sisältää sekä kompakteja että normaaleja tukiasemia.

Interface Implementation for GPRS/PCU Software Testing with Emulators

Jatkuvasti lisääntyvä matkapuhelinten käyttäjien määrä, internetin kehittyminen yleiseksi tiedon ja viihteen lähteeksi on luonut tarpeen palvelulle liikkuvan työaseman liittämiseksi tietokoneverkkoihin. GPRS on uusi teknologia, joka tarjoaa olemassa olevia matka- puhelinverkkoja (esim. NMT ja GSM) nopeamman, tehokkaamman ja taloudellisemman liitynnän pakettidataverkkoihin, kuten internettiin ja intranetteihin. Tämän työn tavoitteena oli toteuttaa GPRS:n paketinohjausyksikön (Packet Control Unit, PCU) testauksessa tarvittavat viestintäajurit työasemaympristöön. Aidot matkapuhelinverkot ovat liian kalliita, eikä niistä saa tarvittavasti lokitulostuksia, jotta niitä voisi käyttää GPRS:n testauksessa ohjelmiston kehityksen alkuvaihessa. Tämän takia PCU-ohjelmiston testaus suoritetaan joustavammassa ja helpommin hallittavassa ympäristössä, joka ei aseta kovia reaaliaikavaatimuksia. Uusi toimintaympäristö ja yhteysmedia vaativat PCU:n ja muiden GPRS-verkon yksiköiden välisistä yhteyksistä huolehtivien ohjelman osien, viestintäajurien uuden toteutuksen. Tämän työn tuloksena syntyivät tarvittavien viestintäajurien työasemaversiot. Työssä tarkastellaan eri tiedonsiirtotapoja ja -protokollia testattavan ohjelmiston vaateiden, toteutetun ajurin ja testauksen kannalta. Työssä esitellään kunkin ajurin toteuttama rajapinta ja toteutuksen aste, eli mitkä toiminnot on toteutettu ja mitä on jätetty pois. Ajureiden rakenne ja toiminta selvitetään siltä osin, kuin se on oleellista ohjelman toiminnan kannalta.

Packet voice/data in local broadcast networks

A local area network that can support both voice and data packets offers economic advantages due to the use of only a single network for both types of traffic, greater flexibility to changing user demands, and it also enables efficient use to be made of the transmission capacity. The latter aspect is very important in local broadcast networks where the capacity is a scarce resource, for example mobile radio. This research has examined two types of local broadcast network, these being the Ethernet-type bus local area network and a mobile radio network with a central base station. With such contention networks, medium access control (MAC) protocols are required to gain access to the channel. MAC protocols must provide efficient scheduling on the channel between the distributed population of stations who want to transmit. No access scheme can exceed the performance of a single server queue, due to the spatial distribution of the stations. Stations cannot in general form a queue without using part of the channel capacity to exchange protocol information. In this research, several medium access protocols have been examined and developed in order to increase the channel throughput compared to existing protocols. However, the established performance measures of average packet time delay and throughput cannot adequately characterise protocol performance for packet voice. Rather, the percentage of bits delivered within a given time bound becomes the relevant performance measure. Performance evaluation of the protocols has been examined using discrete event simulation and in some cases also by mathematical modelling. All the protocols use either implicit or explicit reservation schemes, with their efficiency dependent on the fact that many voice packets are generated periodically within a talkspurt. Two of the protocols are based on the existing 'Reservation Virtual Time CSMA/CD' protocol, which forms a distributed queue through implicit reservations. This protocol has been improved firstly by utilising two channels, a packet transmission channel and a packet contention channel. Packet contention is then performed in parallel with a packet transmission to increase throughput. The second protocol uses variable length packets to reduce the contention time between transmissions on a single channel. A third protocol developed, is based on contention for explicit reservations. Once a station has achieved a reservation, it maintains this effective queue position for the remainder of the talkspurt and transmits after it has sensed the transmission from the preceeding station within the queue. In the mobile radio environment, adaptions to the protocols were necessary in order that their operation was robust to signal fading. This was achieved through centralised control at a base station, unlike the local area network versions where the control was distributed at the stations. The results show an improvement in throughput compared to some previous protocols. Further work includes subjective testing to validate the protocols' effectiveness.

Data Protection and Packet Mode in the Distributed Information Measurement and Control System for Research in Physics

The present paper is devoted to creation of cryptographic data security and realization of the packet mode in the distributed information measurement and control system that implements methods of optical spectroscopy for plasma physics research and atomic collisions. This system gives a remote access to information and instrument resources within the Intranet/Internet networks. The system provides remote access to information and hardware resources for the natural sciences within the Intranet/Internet networks. The access to physical equipment is realized through the standard interface servers (PXI, CАМАC, and GPIB), the server providing access to Ethernet devices, and the communication server, which integrates the equipment servers into a uniform information system. The system is used to make research task in optical spectroscopy, as well as to support the process of education at the Department of Physics and Engineering of Petrozavodsk State University.

Opportunistic packet scheduling in body area networks

Significant research efforts are being devoted to Body Area Networks (BAN) due to their potential for revolutionizing healthcare practices. Energy-efficiency and communication reliability are critically important for these networks. In an experimental study with three different mote platforms, we show that changes in human body shadowing as well as those in the relative distance and orientation of nodes caused by the common human body movements can result in significant fluctuations in the received signal strength within a BAN. Furthermore, regular movements, such as walking, typically manifest in approximately periodic variations in signal strength. We present an algorithm that predicts the signal strength peaks and evaluate it on real-world data. We present the design of an opportunistic MAC protocol, named BANMAC, that takes advantage of the periodic fluctuations of the signal strength to achieve high reliability even with low transmission power.

Influence of Jitter on Reliable Multicast Data Transmission Rate in Terms of CDN Networks

This paper devotes to evaluation of performance bottlenecks and algorithm deficiencies in the area of contemporary reliable multicast networking. Hereby, the impact of packet delay jitter on the end-to-end performance of multicast IP data transport is investigated. A series of tests with two most significant open-source implementations of reliable multicast is performed and analyzed. These are: UDP-based File Transfer Protocol (UFTP) and NACK-oriented Reliable multicast (NORM). Tests were targeted to simulate scenario of content distribution in WAN – sized Content Delivery Networks (CDN). Then, results were grouped and averaged, by round trip time and packet losses. This enabled us to see jitter influence independently on round trip time(RTT) and packet loss rates. Revealed jitter influence for different network conditions. Confirmed, that appearance of even small jitter causes significant data rate reduction.

Comparison of Contemporary Protocols for High-speed Data Transport via 10 Gbps WAN Connections

This work is dedicated to comparison of open source as well as proprietary transport protocols for highspeed data transmission via IP networks. The contemporary common TCP needs significant improvement since it was developed as general-purpose transport protocol and firstly introduced four decades ago. In nowadays networks, TCP fits not all communication needs that society has. Caused of it another transport protocols have been developed and successfully used for e.g. Big Data movement. In scope of this research the following protocols have been investigated for its efficiency on 10Gbps links: UDT, RBUDP, MTP and RWTP. The protocols were tested under different impairments such as Round Trip Time up to 400 ms and packet losses up to 2%. Investigated parameters are the data rate under different conditions of the network, the CPU load by sender andreceiver during the experiments, size of feedback data, CPU usage per Gbps and the amount of feedback data per GiByte of effectively transmitted data. The best performance and fair resources consumption was observed by RWTP. From the opensource projects, the best behavior is showed by RBUDP.

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.

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.

Leveraging open access for integrating repository data at Indiana University Libraries

Poster at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014