Skip to main content

Banery wysuwane

liternicza okładka seryjna w pomarańczowym kolorze
Signaling and Control for Mobility Management in Internet-Based Cellular and Wireless Systems

Author
Product category
Nauki techniczne » Informatyka
ISBN
978-83-66016-24-8
ISSN
0867-6631
Publication type
monografia
Format
B5
Binding
miękka
Number of pages
208
Publication date
2018
Description

In recent two decades, the telecommunications systems have undergone two major transformations. The circuit-switched voice communications systems converged with the packet-switched data communications systems. Hence a fixed terrestrial data communications system emerged, which was well suited for integrated voice and data services. While that substantial change in communications paradigms and technology was in progress, the cellular and wireless communications systems appeared and underwent rapid evolution and growth. Two global communications systems have thus emerged: the cellular system, being the largest communications infrastructure ever created by man, and the Internet, being the second largest one [1–4].
The two systems offered similar services to users. In one system the data communications was the common service and voice communications was considered an extra one. In the other system, it was the other way round. While the two systems are essentially different, they have supported one community of users. A new convergence has therefore commenced. It has been heading towards the mobile Internet, a next generation communications system, based on cellular and wireless technologies and the Internet Protocol, towards an all-IP system, where all users are mobile, always connected and active. The move towards a global, Internet-based cellular system has been an ambitious idea. It had been known already for long that, in order to enable the change, the emerging all-IP system needed to be designed with care, as it would force an architecture change to the existing systems and that it would eventually influence communications paradigms.
Considerable efforts have been made by the telecommunications industry: research centers, academia, equipment vendors and telecom operators on the third generation systems (3G) and the fourth generation (4G).
The results have been recapitulated in standards developed under the auspices of various standardization bodies, primarily the 3GPP and the IETF. Solutions have been implemented, validated and deployed.
Along time it has also become clear, that these systems would not yet deliver the promise of an all-IP system. While the support for device mobility in the cellular systems was natural, the support for host mobility had not been envisioned in the architecture of the Internet and so it was not supported by the Internet protocols. It was known that the Internet didn’t have management and control capabilities to support mobility. Gradually, it has become also clear that IP-based mobility management would introduce substantial complexity as it would require advanced location and handover management for the strict control of hosts that move.
For a reason of architectural assumptions and communications paradigms inherited from the past, including the communication model of the Internet, the approaches to network management and control were essentially different in the converging systems. In particular, the requirement of continuous reachability of moving hosts was difficult to satisfy. But it was also well understood, that ubiquitous and seamless mobility would be the key driver for the convergence and a major enabler for the next generation system and that this particular capability of a system, the seamless IP-based host mobility, would secure the growth of the telecommunication industry in the next years.
This dissertation concentrates on the essential problem of introducing mobility support for moving hosts in the next generation system. It contains a description of an architecture of a mobility management system for a future all-IP communications system. It recognizes the requirements for mobility management and overcomes the constraints that are rooted in the converging systems.
The proposed architecture includes the structure of a future mobility management system and the necessary elements. It specifies selected mobility procedures and selected control flows for location and handover management. The focus is on the management and control towards secure and seamless handover. The signalling for handover has been designed for the Internet, where such capability has been missing.


Podczas dwóch transformacji, które dokonały się w telekomunikacji, systemy telekomunikacyjne uległy całkowitemu przeobrażeniu. Najpierw nastąpiła integracja systemów komunikacji głosowej z systemami transmisji danych. Rozwinęły się systemy wykorzystujące sieci komunikacji naziemnej, przeznaczone do świadczenia usług zintegrowanych obejmujących transmisję głosu i danych. Kiedy wchodziła w dojrzały etap, nastąpił rozwój systemów komunikacji bezprzewodowej. Wskutek tego powstały dwa powszechne systemy komunikacyjne: system telefonii komórkowej, będący największą infrastrukturą komunikacyjną zbudowaną przez człowieka, oraz drugi pod względem liczby użytkowników system komunikacyjny Internet [1–4].
Obydwa systemy realizowały podobne usługi. W jednym systemie transmisja danych była usługą podstawową, zaś usługa komunikacji głosowej była dodatkową, natomiast w drugim systemie było odwrotnie. Mimo że były oparte na różnych pryncypiach komunikacji i miały zasadniczo różne własności użytkowe, obsługiwały jedną populację użytkowników.
Druga transformacja dała początek Internetowi nowej generacji, który integruje system telefonii o strukturze komórkowej oraz publiczny Internet oparty na sieciach przewodowych. Nowy system wciąż ewoluuje dzięki znaczącym osiągnięciom w zakresie efektywnego wykorzystania zasobów radiowych i poszerza swój wielousługowy charakter. Użytkownicy korzystają z niego inaczej niż dotychczas. Są mobilni, stale obecni i aktywni w systemie.
Migracja w kierunku jednego systemu globalnego, w którym nie tylko komunikacja prowadzona przez użytkowników, ale również zarządzanie i sterowanie pracą systemu opierają się na protokołach internetowych, all-IP system, jest dużym wyzwaniem. Ośrodki badawcze, uczelnie, producenci rozwiązań telekomunikacyjnych i operatorzy podjęli wysiłek na rzecz opracowania architektury systemu. Wyspecyfikowano systemy trzeciej i czwartej generacji oraz uzgodniono standardy w ciałach standaryzacyjnych, głównie w 3GPP oraz IETF.
Z czasem zrozumiano, że dokonująca się transformacja prowadzi do zmiany paradygmatów komunikacji, a także metod i technik zarządzania i sterowania systemem. Zrozumiano także, że realizacje systemu, które będą powstawać, nie będą w całości oparte na protokołach internetowych. O ile bowiem obsługa urządzeń mobilnych była czymś naturalnym w systemach komórkowych, o tyle urządzenia mobilne nie są wspierane w systemie Internet.
Architektura Internetu nie uwzględnia sytuacji mobilności urządzeń końcowych, zatem ogólnie mobilność również nie była i wciąż jeszcze nie jest w pełni wspierana przez protokoły internetowe. Wiadomo było, że konieczne będzie wprowadzenie funkcji odpowiedzialnych za określanie bieżącego położenia urządzeń w systemie oraz ścisły nadzór nad przełączeniami pomiędzy punktami dostępu do systemu, które będą częste. Rozumiano także, że wprowadzenie wsparcia dla mobilności do architektury Internetu doprowadzi do wzrostu jej złożoności. W warunkach powszechnej mobilności ujawnią się bariery w zakresie wydajności i skalowalności.
Z powodu uwarunkowań z przeszłości podstawowe wzorce projektowe dla systemów komunikacyjnych i praktykowane modele komunikacji, a zatem architektury obydwu systemów, były zasadniczo różne. W szczególności wymaganie ciągłej łączności z urządzeniami pozostającymi w ruchu było trudne do spełnienia w ramach architektury Internetu. Panowała jednak zgodność, że zapewnienie ciągłej osiągalności urządzeń ruchomych ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju nowoczesnego Internetu i że będzie akceleratorem, który zagwarantuje rozwój Internetu w kolejnych latach.
Niniejsza praca koncentruje się na zagadnieniu wprowadzania wsparcia dla urządzeń ruchomych w bezprzewodowych i komórkowych systemach nowej generacji. W szczególności zawiera analizę konsekwencji przyjęcia nowych wymagań dla systemu w całości opartego na protokole IP: all-IP system i przedstawia jego architekturę. Prezentowana architektura przezwycięża ograniczenia, które wywodzą się z konwergentnych systemów. Architektura przybliża koncepcję przyszłego systemu wsparcia mobilności, zasadę działania, strukturę oraz charakterystykę kluczowych elementów.
Praca omawia także wybrane procedury sygnalizacyjne do sprawowania nadzoru nad urządzeniem, kiedy dochodzi do zmiany punktu przyłączenia do systemu. Są one przeznaczone dla systemu opartego na protokołach internetowych, w którym ta funkcjonalność dotychczas nie była wspierana.


Wydawnictwa nie prowadzą sprzedaży książek z serii "Rozprawy Monografie". Zainteresowanych prosimy o kontakt z ich autorami.

 

Contents

Streszczenie  ix
Summary  xi
1 Introduction 1 1.1 Approaches to mobility management  4
1.2 Mobility in the Internet  5
1.3 Research on IP mobility management  5
1.4 Contribution  7
1.5 Organization of the text  10
2 Architecture restrictions to support host mobility  13
2.1 Topology control in communications systems  13
2.1.1 Identities, name spaces and names  14
2.1.2 Name lookup and name resolution  15
2.1.3 Path computation  16
2.1.4 Naming schemes  17
2.1.5 Routing in the ‘small world’ networks  20
2.1.6 Alternative approaches – compact routing  22
2.2 Internet architecture  23
2.2.1 Principles  24
2.2.2 Communication model  26
2.2.3 Address allocation schemes  29
2.3 Internet architecture restrictions to suport mobility  31
3 Requirements for mobility management system  37
3.1 Architecture options to support mobility  38
3.2 Handover management strategies  39
3.2.1 Mobility management in the network layer  40
3.2.2 Mobility management in the data-link layer  41
3.2.3 Mobility management above the network layer  42
3.3 Handover initiation and execution control  42
3.4 Functional requirements  43
3.5 Technical requirements  45
3.6 Design considerations  47
3.6.1 Host and endpoint identification  47
3.6.2 Binding management  47
3.6.3 Binding security  48
3.6.4 Routing scalability  49
3.6.5 Protocol interworking  49
3.6.6 Cross-layer improvements  50
3.6.7 Transport layer problem  51
3.6.8 Movement anticipation and detection  52
3.6.9 Systems interworking  54
3.6.10 Application limitations  55
3.6.11 Handover scope  55
3.6.12 Technology heterogeneity  56
3.6.13 Handover timing  57
3.7 Factors in system design process  57
3.8 Specification guidelines  59
4 Mobility management in 2G and 3G cellular systems 61
4.1 Mobility management in GSM  62
4.1.1 System architecture  62
4.1.2 GPRS packet data service  64
4.1.3 GPRS system architecture  65
4.1.4 Mobility management  70
4.1.5 Location management in standby mode  73
4.2 Mobility management in UMTS  74
4.2.1 System architecture  74
4.2.2 Location management in GSM and UMTS  78
4.2.3 Handover types  82
4.2.4 Intra-RNS soft handover  84
4.2.5 Inter-RNS soft handover  86
4.2.6 Handover with SRNS relocation  88
4.2.7 IPv6 address autoconfiguration  90
4.2.8 IPv6 address autoconfiguration in UMTS  91
4.2.9 Radio resource control in mobility management  92
4.2.10 Handover with FMIPv6 control  92
5 Mobility management in the Internet  97
5.1 Models for mobility management  99
5.2 Schemes for global mobility management  101
5.2.1 Host mobility with Mobile IPv4 protocol  101
5.2.2 Host mobility with Mobile IPv6 protocol  106
5.2.3 Comparative analysis of MIPv4 and MIPv6  110
5.2.4 Fast handovers in Mobile IPv6 protocol  112
5.2.5 Host mobility with Hierarchical MIPv6 protocol  116
5.3 Schemes for local mobility management  118
5.3.1 Host mobility with Proxy MIPv6 protocol  121
5.3.2 Fast Handovers for Proxy Mobile IPv6  126
5.4 Discussion  128
6 Security management in all-IP system 133
6.1 Session model  135
6.2 Handover control model  136
6.3 Security model  137
6.3.1 Administrative domain model  138
6.3.2 Trust model  139
6.3.3 Trust groups, trust levels and trust domains  141
6.3.4 Federations  142
6.3.5 Federations impact  144
6.3.6 Secure group key management  145
6.4 Discussion  147
7 Mobility management in LTE Evolved Packet System 151
7.1 Mobility management system – an overview  152
7.2 Architectures for 3GPP access systems  156
7.3 Architectures for non-3GPP access systems  157
7.3.1 Non-roaming architecture for non-3GPP systems  158
7.3.2 Roaming architecture for non-3GPP systems  159
7.4 Handover in the Evolved Packet System  163
7.5 Emerging models and schemes  165
7.5.1 Local offloading and mobility  165
7.5.2 Distributed mobility management  166
7.5.3 Host identity protocol  167
7.5.4 Locator-identifier separation  167
8 Summary 169
Bibliography 179

Contents
Price
0.00
In order to arrange international shipping details and cost please contact wydawnictwa@agh.edu.pl