Date of Award

5-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Doctor of Philosophy in Electrical Engineering

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Atef Abdrabou

Abstract

This dissertation contributes to designing an effective resource allocation scheme for multi-connectivity (MC) networks. MC is a feature that allows devices to utilize the radio resources from more than one base station simultaneously. With MC anticipated to play a key role in satisfying the stringent QoS requirements of the next-generation networks (5G/6G), it is crucial to efficiently allocate the resources across multiple connections of one or more radio access technologies (RATs).
Currently, there is a huge demand on the availability of radio spectrum resources with a large volume of different types of data traffic (Internet-of-things, human-based, machine-machine) traversing the internet. The aggregate data rate achievable using MC is expected to boost the overall capacity and meet the growing wireless bandwidth demand. Moreover, 3GPP also envisions MC as a promising solution to address the next generation 5G coverage holes using the existing 4G (LTE) infrastructure. Based on the deployment, there are different methods to realize MC. One is the transport layer approach which is referred to as multipath and the most promising multipath solution is Multipath-TCP (MPTCP). The other MC approach is the dual-connectivity concept of 3GPP, which is based on the packet data convergence protocol (PDCP).
The dissertation makes the following contributions. First, an experimental investigation of the performance of the MPTCP resource allocation mechanism is accomplished using a hardware testbed that comprises real LTE and WiFi networks used to connect dual-homed wireless devices to one another. This includes a detailed throughput performance study of different congestion control algorithms which can be used by MPTCP, namely Cubic, linked-increases algorithm (LIA), and opportunistic LIA (OLIA).
Next, the research addresses the throughput performance of wireless multihomed IoT gateways when they use the MPTCP protocol to transfer their traffic to the corresponding management entities. The behavior of MPTCP when an AP and an eNodeB cover a large number of multihomed IoT gateways is investigated by using an ns-3 setup that is validated by a hardware testbed.
At present, ns-3 (network simulator-3) is the widely used simulator to evaluate various wireless networks (including 4G/5G) and protocols (including the emerging MPTCP). However, the fidelity of the ns-3 simulator when emulating the MPTCP kernel implementation was not visited in the literature. Thus, fidelity of ns-3 simulations for dual-homed wireless nodes is addressed in this dissertation using Linux-based MPTCP kernel implementation embedded in the ns-3 DCE module. The credibility of MPTCP simulation is tested by comparing its performance with a real Linux stack implementation of MPTCP using a hardware testbed.
Moreover, the dissertation targets the resource allocation of dual-connectivity devices with UDP protocol. An approach is introduced to provide stochastic delay guarantees in dual-connectivity networks using the effective bandwidth concept. This approach offers a tool for efficient resource allocation by obtaining the optimal traffic share for each network based on the delay-bound requirement. The desired traffic distribution is achieved by optimizing delay violation probability and data transmission cost. An algorithm is devised to perform node admission control (NAC) in dual-connectivity networks using the proposed analytical model.

Arabic Abstract


تخصيص الموارد للشبكات اللاسلكية غير المتجانسة للأجهزة ذات التوصيلات المتعددة

تسهم هذه الأطروحة في تصميم نظام فعال لتخصيص الموارد لشبكات التوصيل المتعددة (MC)؛ إذ تسمح تقنية (MC)‏ للأجهزة باستخدام الموارد اللاسلكية من أكثر من محطة أساسية في آن واحد. وحيث أنه من المرتقب أن تلعب هذه التقنية دوراً رئيسياً في تلبية متطلبات جودة الخدمة المهمة لكل من شبكات الجيلين الخامس والسادس (G 6G/5)، فمن الضروري تخصيص الموارد بكفاءة للاتصالات المتعددة لواحدة أو أكثر من تقنيات الوصول اللاسلكية (RATs). هناك طلب متزايد في الوقت الراهن لتوفير موارد الطيف اللاسلكي التي تحتاج لتدفقات كبيرة من البيانات عبر الإنترنت. ومن المتوقع أن يؤدي معدل البيانات الإجمالي الذي يمكن الوصول إليه باستخدام تقنية التوصيل المتعدد إلى تعزيز السعة الإجمالية وتلبية الطلب المتزايد على النطاق الترددي اللاسلكي. علاوة على ذلك، ترى ‎3GPP ‏ أيضاً في تقنية التوصيل المتعدد حلاً واعداً لمعالجة ثغرات تغطية الجيل الخامس 5G، وذلك باستخدام البنية التحتية الحالية لشبكةLTE ‎)‏ من الجيل الرابع). وتبعاً لمدى انتشار هذه التقنية، هناك طرق مختلفة لتحقيق التوصيل المتعدد؛ الأولى: هي مقاربة طبقة النقل التي يشار إليها باسم (المسارات المتعددة). إذ يعد Multipath-TCP (MPTCP) ‏ أحد أهم الحلول الواعدة من تلك المقاربة، والمصمم على أساس بروتوكول التحكم في إرسال الإنترنت القديم (TCP).‏ أما مقاربة التوصيل المتعدد الأخرى فهي مفهوم الاتصال المزدوج لـ3GPP، ‏ القائم على بروتوكول تقارب حزم البيانات ‎(PDCP). ويتيح الاتصال المزدوج تخديم الأجهزة من خلال محطتين أساسيتين في وقت واحد (والتي تنتمي إلى تقنية الـ RAT نفسها أو مختلفة عنها). وهناك العديد من حالات الاستخدام للاتصال المزدوج (DC)،مثل LTE-DC, NR-DC (new radio DC), EN-DC (E-UTRA-NR DC), LWA (LTE WLAN Aggregation). و تتضمن هذه الأطروحة دراسة بحثية عن كل من MPTCP ، ومقاربة الاتصال المزدوج لتقنية التوصيل المتعدد.‏
تقدم الأطروحة الإسهامات الآتية: أولاً: إجراء تحقيق تجريبي لأداء آلية تخصيص الموارد ‎MPTCP ‏،‏ وهي خوارزمية الزيادات التكعيبية ‎(LIA)‏ و خوارزمية الزيادات التكعيبية النفعية (OLIA) .‏ أنجزت هذه الدراسة التجريبية باستخدام أجهزة تشتمل على شبكات ‎LTE و WiFi أصلية (غير مقلدة)، تستخدم لتوصيل الأجهزة اللاسلكية المزدوجة مع بعضها بعضاً. ويوفر أيضاً تحليل لتاثير العوامل الحرجة، كحجم المخزن المؤقت لجهاز الاستقبال، وعدد الاتصالات المتوازية، وحجم البيانات، وعمر التدفق على أداء الإنتاجية الكلي لخوارزميات التحكم في الازدحام MPTCP.‏ وعلى الرغم من أن Cubic لم يصمم مع وضع مقاربة المسارات المتعددة في الاعتبار، غيد أن النتانج توضح أنه يتفوق على ‎LIA ‏ و OLIA‏ ذات المسارات المتعددة عندما تكون سعة ‎LTE‏ لكل عقدة أعلى من نظيرتها ‎ WiFi. ‏ كما يتفوق Cubic على OLIA و LIA‏ في التدفقات قصيرة الأجل وإن كان الوضع معكوساً (سعة WiFi لكل عقدة أعلى)‏؛ بناءً عليه، يوفز هذا مرئيات شاملة عن قدرة كل خوارزمية للتحكم بالازدحام على تعيين حصة من تدفق البيانات لكل واجهة شبكة للأجهزة اللاسلكية المزدوجة. وفي الوقت الراهن، يعد محاكي الشبكة ‎-3 3 (Network simulator)‏ هو المحاكي المستخدم على نطاق واسع لتقييم مختلف الشبكات اللاسلكية (بما في ذلك 4G/5G) و البروتوكولات (بما في ذلك ‏MPTCP الناشئة). ومع ذلك لم تغطي هذه الدراسة دقة محاكي الشبكة 3 عند محاكاة تنفيذ نواة ‎MPTCP .‏ وعليه تعالج دقة محاكاة الشبكة 3 للعقد اللاسلكية المزدوجة في هذه الأطروحة باستخدام تطبيق نواة ‎MPTCP ‏ المستند إلى Linux والمضمن في وحدة محاكاة الشبكة DCE 3 . وتختبر مصداقية محاكاة MPTCP‏ من خلال مقارنة أدائها مع تنفيذ Linux stack حقيقي لـ MPTCP ‎،‏ باستخدام أجهزة اختبار بإعدادات مختلفة، حيث يحاكي أحدها ارتباط شبكات الإرسال والاستقبال ويحتوي على اختناق، في حين أن الإعداد الآخر لا يحتوي على مثل هذا الاختناق. وتفحص دقة محاكي الشبكة 3 لأربع خوارزميات للتحكم في الازدحام، وهي Cubic‏ وخوارزمية الزيادات التكعيبية (LIA) وخوارزمية الزيادات التكعيبية النفعية (OLIA)، و wVegas‏ بحثا ًعن تدفقات البيانات القصيرة والطويلة نسبياً. وأوضحت هذه الدراسة أن أداء نقل ‎MPTCP ‏ للوصلة الصاعدة الذي يعرضه محاكي الشبكة 3 يطابق نتائج اختبار الأجهزة فقط إذا كانت التدفقات طويلة العمر، ولا تشترك في أي ارتباط يسبب اختناق. وبالمثل فإن معدل نقل ‎MPTCP ‏ الذي تحقق في أثناء سيناريو الوصلة الهابطة باستخدام محاكي الشبكة 3 ومحاكي اختبار الأجهزة قريبان من بعضهما بعضاً عبر جميع الخوارزميات، باستثناء wVegas ، بصرف النظر عن حجم التدفق إذا لم يكن هناك ارتباط يسبب اختناق. علاوة على ذلك، وجد أن تأثير تسليم ‎LTE ‏ على معدل نقل MPTCP ‏ أقل أهمية في جهاز المحاكاة من اختبار الأجهزة الفعلي، وهو يعتمد على الإعداد. كما تستهدف الأطروحة عملية تخصيص الموارد لأجهزة الاتصال المزدوج مع بروتوكول ‎.UDP ‏وهي مقاربة لتوفير ضمانات تأخير عشوائي في شبكات الاتصال المزدوج ‎من LTE و WiFi (مرخصة وغير مرخصة) وLTE مع 5G (عابرة للأجيال). إذ إنها تعرض نهج اتصال مزدوج إحصائي جديد قائم على التأخير باستخدام مفهوم النطاق الترددي الفعال. وتوفر هذه المقاربة أداة لتخصيص الموارد بكفاءة من خلال الحصول على حصة الحركة المثلى لكل شبكة، بناءً على متطلبات التأخير المحددة. وتحقق التوزيع المطلوب للحركة عن طريق تحسين احتمالية انتهاك التأخير وتكلفة نقل البيانات. وتصمم خوارزمية لأداء التحكم في العقدة ‎(NAC) في شبكات الاتصال المزدوج باستخدام النموذج التحليلي المقترح. وتعرض أيضاً تأثير العوامل الرئيسية، كحد التأخير ومؤشرات مصدر حركة البيانات، وشروط قناة الشبكة، وعدد العقد على توزيع حصص حركة البيانات. وأخيراً، تحققنا من صحة النموذج والخوارزمية باستخدام محاكي الشبكة 3.

Download

Share

COinS