Mobility and Radio Resource Management in Future Aeronautical Mobile Networks

Mobilität und Radio Resource Management in zukünftigen aeronautischen Kommunikationsnetzen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-46933
  • The aviation community is currently working on the standardization of data communication systems for the future air traffic management (ATM). The standardization effort has two main streams, namely, standardization of future radio access technologies in the L-band (i.e., LDACS) and standardization of a future IPv6-based aeronautical telecommunications network (ATN/IPS). In this thesis, different handover and radio resource management algorithms are developed for the most promising future radio access technology for the aviation, L-band digital aeronautical communications system option 1 (LDACS1) in conjunction with realistic IPv6-based network layer functionality (ATN/IPS). In the first partThe aviation community is currently working on the standardization of data communication systems for the future air traffic management (ATM). The standardization effort has two main streams, namely, standardization of future radio access technologies in the L-band (i.e., LDACS) and standardization of a future IPv6-based aeronautical telecommunications network (ATN/IPS). In this thesis, different handover and radio resource management algorithms are developed for the most promising future radio access technology for the aviation, L-band digital aeronautical communications system option 1 (LDACS1) in conjunction with realistic IPv6-based network layer functionality (ATN/IPS). In the first part of this work, handover performance of network mobility (NEMO) is investigated and different cross-layer approaches are proposed in order to improve handover latency and signaling overhead. These improvements mainly use media independent handover functionality proposed by the IEEE 802.21 standard and are important due to the following reasons: - One of the main system requirements of LDACS is to deliver certain ATS messages in a timely manner (i.e., low latency) with minimum service disruption (i.e., high service availability). - In parallel, future services like VoIP and transmission of sensor data for the aircraft health management also require “real-time” and “near-real-time” transmission of certain information with low latency and high availability. - According to STATFOR statistics, number of flights in Europe will be around 17 million in 2030 annually, which is 1.8 times more than in 2009. Since LDACS is planned for the time frame of 2020-2030, it should be capable of handling the data traffic demands of the future ATM. From this perspective, reducing the signaling overhead over the wireless link should be one of the design criterion for future radio access technologies that will be used in the ATM domain. With our proposals, total handover latency (i.e., layer 2 and layer 3) is reduced from 3 s to around 0.4 s and signaling overhead due to router advertisement messages is reduced from 17 kbit/s to around 0.1 kbit/s. In the second part, the effect of handover event on transmission control protocol (TCP) performance is analyzed. In the first step, different TCP handover optimizations related to Mobile IPv6 protocol are presented. In the next step, the applicability of these proposals to different handover scenarios is investigated and the most promising proposal (home agent buffering method) is integrated with LDACS1 handover functionality. Finally, the performance of home agent buffering method is analyzed in terms of TCP transmission completion time. With the help of this method, total transmission completion time of a session is reduced by at least 10% for a download of 110 kB of information. In the third part, different radio resource management (RRM) algorithms are analyzed for the LDACS1 since the resources should be distributed evenly among different users. This is not only important from fairness perspective but also from “expiration time” and “latency” requirements of ATS/AOS messages. Here, we analyzed different RRM algorithms in terms of bandwidth and end-to-end delay fairness. We also proposed a new modified deficit round robin algorithm which could be used for both links (i.e., forward and return link) and satisfies almost perfect fairness among different number of users. In the last part, different NEMO route optimization (RO) techniques are analyzed due to triangular routing problem of NEMO. With the help of NEMO RO, packets follow shorter paths (in terms of number of hops) between the end nodes so that the measured end-to-end delay is reduced. Most of these NEMO RO methods are published as Internet Engineering Task Force (IETF) drafts. Among those proposals, we have realized that some of them require mobility related functionalities to the end nodes and some others do not. In addition, some proposals try to solve nested NEMO problem without working on the main route optimization problem. In addition, since most of those protocols are published as IETF draft, some proposals lack protocol design and maturity in terms of implementation. Considering these issues, we mainly analyzed infrastructure based NEMO RO techniques; namely global home agent to home agent (global HAHA) and correspondent router (CR) protocols from ATN/IPS perspective in the first part. Later on, we proposed two new approaches for the global HAHA protocol in order to decrease end-to-end delay and mobility signaling overhead.show moreshow less
  • Die Luftfahrt Community arbeitet derzeit an der Standardisierung von Kommunikationssystemen für die Zukunft des Flugverkehrsmanagements. Diese Standardisierungsaktivitäten haben zwei wesentliche Ziele. Zum einen sollen künftige Funktechnologien definiert werden (d.h. LDACS),zum anderen wird ein IPv6 basiertes aeronautisches Telekommunikationsnetz (ATN/IPS) spezifiziert. In dieser Arbeit werden verschiedene Handover und Radio Resource Management Algorithmen für das aussichtsreichste potentielle künftiges Funksystem für die Luftfahrt, L-band Aeronautical Communications System Option 1 (LDACS1), in Verbindung mit der Funktionalität von IPv6 auf der Netzwerkschicht untersucht. IPv6 wirdDie Luftfahrt Community arbeitet derzeit an der Standardisierung von Kommunikationssystemen für die Zukunft des Flugverkehrsmanagements. Diese Standardisierungsaktivitäten haben zwei wesentliche Ziele. Zum einen sollen künftige Funktechnologien definiert werden (d.h. LDACS),zum anderen wird ein IPv6 basiertes aeronautisches Telekommunikationsnetz (ATN/IPS) spezifiziert. In dieser Arbeit werden verschiedene Handover und Radio Resource Management Algorithmen für das aussichtsreichste potentielle künftiges Funksystem für die Luftfahrt, L-band Aeronautical Communications System Option 1 (LDACS1), in Verbindung mit der Funktionalität von IPv6 auf der Netzwerkschicht untersucht. IPv6 wird von dem IP-basierten aeronautischen Telekommunikationsnetz ATN/IPS vorgesehen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das Handover Verhalten des Network Mobility (NEMO) Protokolls untersucht und verschiedene Cross-Layer Ansätze vorgeschlagen, um die Handover Latenz zu verringern und der Signalisierungs Overhead zu reduzieren. Diese Vorschläge nutzen vor allem die Media Independent Handover Funktionalität, die im IEEE 802.21 Standard spezifiziert ist. Diese Verbesserungen sind aus mehreren Gründen von großer Bedeutung: - Eine der wichtigsten Anforderungen an das LDACS System ist es, Nachrichten für die Flugverkehrskontrolle innerhalb der vorgegebenen Latenzzeiten und mit ausreichender Verfügbarkeit zu übertragen. - Außerdem verlangen einige Dienste wie VoIP oder die laufende Überwachung des Zustands des Flugzeugs durch Sensoren nach einer Datenübertragung in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit, d.h. mit minimaler Latenz und ebenfalls mit hoher Verfügbarkeit. Mit unseren Vorschlägen kann die gesamte Latenzzeit eines Handovers (d.h. Layer 2 und Layer 3) von rund 3 s auf rund 0.4 s reduziert werden, und der Signalisierungs-Overhead durch IP Router Advertisements wird von rund 17 kbit/s auf nur 0.1 kbit/s reduziert. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Auswirkungen eines Handovers auf das Transmission Control Protocol (TCP) untersucht. Zunächst werden verschiedene TCP Handover Optimierungen im Zusammenhang mit dem Mobile IPv6 Protokoll vorgestellt. Im zweiten Schritt wird die Eignung dieser Verfahren für verschiedene Handover Szenarien untersucht, und der vielversprechendste Vorschlag (die sog. Home Agent Buffering Methode) wird mit der Handover-Funktionalität von LDACS1 integriert. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit der Home Agent Buffering Methode näher untersucht. Diese wird gemessen an der Zeit, die für eine vollständige Dateiübertragung über eine TCP Verbindung benötigten wird. Durch diese Methode wird die erforderliche Zeit für die Übertragung einer Datei von 110 kB um mindestens 10% reduziert. Im dritten Teil werden verschiedene Radio Resource Management (RRM) Algorithmen für LDACS1 analysiert, da die Ressourcen möglichst gleichmäßig auf die verschiedenen Nutzer verteilt werden sollen. Dies ist nicht nur aus Gründen der Fairness wichtig, sondern auch für die Einhaltung der Anforderungen der ATS/AOS Nachrichten bzgl. Expiration Time und Latenzzeit. Hierzu untersuchen wir verschiedene RRM Algorithmen in Bezug auf Bandbreite und Fairness der end-to-end Verzögerung. Wir schlagen außerdem einen neuen, modifizierten Deficit Round Robin Algorithmus vor, der für die Übertragung in beide Richtungen (d.h. Forward und Return Link) verwendet werden kann und nahezu perfekte Fairness zwischen den verschiedenen Nutzern garantiert. Im letzten Teil der Arbeit werden verschiedene Verfahren zur NEMO Routenoptimierung (RO) analysiert, die das Problem des Dreieck-Routings bei NEMO lösen sollen. Durch NEMO RO wählen die Datenpakete einen kürzeren Pfad zwischen den Endpunkten einer Verbindung, so dass die gemessene end-to-end Verzögerung und die Länge des Pfades reduziert werden. Die meisten dieser NEMO RO Methoden wurden als Internet Engineering Task Force (IETF) drafts veröffentlicht. Wir stellen fest, dass manche dieser Vorschläge zusätzliche Funktionalität für die Lösung des Mobilitätsproblems den Endknoten erfordern, andere hingegen nicht. Darüber hinaus versuchen einige Vorschläge, das Nested NEMO Problem zu lösen, ohne dabei das Problem der Routenoptimierung anzugehen. Außerdem mangelt es einigen der vorgeschlagenen Protokolle, da sie in der Regel nur als IETF drafts veröffentlicht werden, an der erforderlichen Reife und Erfahrungen mit praktischen Implementierungen. Angesichts dieser Probleme untersuchen wir vor allem infrastrukturbasierte NEMO RO Lösungen, nämlich die Home Agent to Home Agent (global HAHA) und Correspondent Router (CR) Protokolle, aus der Perspektive des ATN/IPS, das im ersten Teil der Arbeit vorgestellt wurde. Danach schlagen wir zwei neue Ansätze für das globale HAHA Protokoll vor, um die end-to-end Verzögerung und den Signalisierungs Overhead durch die Lösung für das Mobilitätsproblem zu verringern.show moreshow less

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Metadaten
Author:Serkan Ayaz
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-46933
Advisor:Reinhard German
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2013/02/08
Release Date:2013/06/07
Tag:LDACS1; Luftfahrt; Mobile IPv6; Netzwerk Mobilität; Scheduling
Aeronautics; LDACS1; Network Mobility; Scheduling
SWD-Keyword:IP 6; Scheduling; Luftfahrt
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
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