Innovative Frameworks for Scalable Connectivity, Trust, and Security in Future Hyper-Connected Ecosystems

  • The rapid evolution of wireless communication technologies, particularly the introduction of Fifth-Generation (5G) networks and the anticipated transition to Sixth-Generation (6G) systems, ushers in a new era of connectivity, enabling transformative applications across industrial automation, the Internet of Everything (IoE), and the Industrial Internet of Things (IIoT). However, the exponential growth in the number of connected devices, stringent reliability requirements, and increasing security challenges pose significant hurdles for current network architectures. This dissertation addresses these challenges by proposing innovative frameworks and mechanisms that enhance reliability, optimize resource utilization, and strengthen security and trust management in next-generation mobile networks. The first contribution of thisThe rapid evolution of wireless communication technologies, particularly the introduction of Fifth-Generation (5G) networks and the anticipated transition to Sixth-Generation (6G) systems, ushers in a new era of connectivity, enabling transformative applications across industrial automation, the Internet of Everything (IoE), and the Industrial Internet of Things (IIoT). However, the exponential growth in the number of connected devices, stringent reliability requirements, and increasing security challenges pose significant hurdles for current network architectures. This dissertation addresses these challenges by proposing innovative frameworks and mechanisms that enhance reliability, optimize resource utilization, and strengthen security and trust management in next-generation mobile networks. The first contribution of this dissertation focuses on reliability enhancements in 5G networks. While existing mechanisms, such as Dual Connectivity (DC) and Network Function (NF) redundancy, provide partial solutions, they do not fully resolve application-layer reliability and dynamic server failover. To bridge this gap, this work introduces the Make-Before-Break- Reliability (MBBR) and enhanced Make-Before-Break-Reliability (eMBBR) mechanisms. These frameworks proactively establish redundant communication paths, ensuring seamless failovers with minimal latency and service disruption. By extending reliability to the application layer and integrating adaptive path selection and dynamic failover capabilities, these mechanisms offer robust solutions for latency-sensitive and mission-critical applications. The second major contribution addresses bandwidth optimization for industrial networks. The black channel paradigm, widely adopted for industrial safety applications, relies heavily on cyclic keep-alive messages to detect connection loss, leading to significant signaling overhead. This dissertation proposes a novel solution leveraging 5G Channel State Information (CSI) to replace cyclic messaging with real-time connection quality monitoring. By exposing CSI metrics, such as Signal-to-Noise Ratio (SNR) and Channel Quality Indicator (CQI), to the application layer, the proposed mechanism reduces bandwidth consumption while maintaining the safety and reliability requirements of industrial networks. Addressing the growing complexity of security requirements in IIoT, the third contribution introduces the AF-based Security Framework (AERO) framework. This framework empowers application providers to dynamically apply cryptographic mechanisms to the user plane, overcoming the limitations of legacy protocols and eliminating the need for redundant security layers. By ensuring backward compatibility and enabling both static and dynamic configuration of user plane encryption, AERO enhances security while minimizing computational overhead and reducing transmission delays. The fourth and final contribution redefines trust management in mobile networks through the SecUre deleGAtion of tRust (SUGAR) framework. Traditional trust models, which rely on identity chips for each connected device, are becoming increasingly impractical in the IoE era, where billions of devices require connectivity. The SUGAR framework introduces a delegation-based trust model, allowing Parent Devices (PaDs) to delegate trust to multiple Child Devices (ChDs) securely. This approach eliminates the need for individual identity chips, significantly reducing costs and enhancing scalability. Integration with System-on-a-Chip (SoC)-based identity enclaves further strengthens the security of trust credentials. The findings of this dissertation offer substantial contributions to both academia and industry. The proposed frameworks effectively address critical gaps in current 5G standards and provide valuable contributions for developing the 6G framework. By enhancing reliability, optimizing bandwidth, and redefining security and trust management, this dissertation provides a comprehensive foundation for the design and deployment of next-generation mobile networks. Furthermore, the solutions presented are adaptable to a wide range of applications, including industrial automation, autonomous systems, and smart city infrastructures. In conclusion, this dissertation represents a significant step toward realizing the full potential of next-generation mobile networks. By addressing key challenges in reliability, resource optimization, security, and trust management, the proposed frameworks pave the way for scalable, secure, and efficient mobile ecosystems that are essential for the dynamic and interconnected world of the future.show moreshow less
  • Die rasante Entwicklung der drahtlosen Kommunikationstechnologien, insbesondere die Einführung von Netzen der fünften Generation (5G) und der voraussichtliche Übergang zu Systemen der sechsten Generation (6G), hat eine neue Ära der Konnektivität eingeläutet, die transformative Anwendungen in der industriellen Automatisierung, dem Internet of Everything (IoE) und dem industriellen Internet der Dinge (IIoT) ermöglicht. Das exponentielle Wachstum der Anzahl der angeschlossenen Geräte, die strengen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die zunehmenden Sicherheitsherausforderungen stellen jedoch erhebliche Hürden für aktuelle Netzwerkarchitekturen dar. Diese Dissertation befasst sich mit diesen Herausforderungen, indem sie innovative Rahmenwerke und Mechanismen vorschlägt, die die Zuverlässigkeit verbessern, die RessourcennutzungDie rasante Entwicklung der drahtlosen Kommunikationstechnologien, insbesondere die Einführung von Netzen der fünften Generation (5G) und der voraussichtliche Übergang zu Systemen der sechsten Generation (6G), hat eine neue Ära der Konnektivität eingeläutet, die transformative Anwendungen in der industriellen Automatisierung, dem Internet of Everything (IoE) und dem industriellen Internet der Dinge (IIoT) ermöglicht. Das exponentielle Wachstum der Anzahl der angeschlossenen Geräte, die strengen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die zunehmenden Sicherheitsherausforderungen stellen jedoch erhebliche Hürden für aktuelle Netzwerkarchitekturen dar. Diese Dissertation befasst sich mit diesen Herausforderungen, indem sie innovative Rahmenwerke und Mechanismen vorschlägt, die die Zuverlässigkeit verbessern, die Ressourcennutzung optimieren und die Sicherheit und das Vertrauensmanagement in mobilen Netzwerken der nächsten Generation stärken. Der erste Beitrag dieser Dissertation konzentriert sich auf die Verbesserung der Zuverlässig- keit in 5G-Netzwerken. Bestehende Mechanismen wie Dual Connectivity (DC) und Network Function (NF)-Redundanz bieten zwar Teillösungen, lösen aber die Zuverlässigkeit der Anwen- dungsschicht und die dynamische Serverausfallsicherung nicht vollständig. Um diese Lücke zu schließen, werden in dieser Dissertation die Mechanismen Make-Before-Break-Reliability (MBBR) und enhanced Make-Before-Break-Reliability (eMBBR) vorgestellt. Diese Frameworks richten proaktiv redundante Kommunikationspfade ein und gewährleisten nahtlose Failover mit minimaler Latenz und Dienstunterbrechung. Durch die Ausweitung der Zuverlässigkeit auf die Anwendungsebene und die Integration von adaptiver Pfadauswahl und dynamischen Failover-Funktionen bieten diese Mechanismen robuste Lösungen für latenzempfindliche und unternehmenskritische Anwendungen. Der zweite wichtige Beitrag liegt in der Optimierung des Bandbreitenverbrauchs für industrielle Netze. Das Black-Channel-Paradigma, das für industrielle Sicherheitsanwendungen weit verbreitet ist, stützt sich stark auf zyklische Keep-Alive-Nachrichten zur Erkennung von Verbindungsverlusten, was zu einem erheblichen Signalisierungs-Overhead führt. In dieser Dissertation wird eine neuartige Lösung vorgeschlagen, die 5G Channel State Information (CSI) nutzt, um zyklische Nachrichten durch eine Überwachung der Verbindungsqualität in Echtzeit zu ersetzen. Indem CSI-Metriken wie Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und Kanal- qualitätsindikator (CQI) der Anwendungsschicht zugänglich gemacht werden, reduziert der vorgeschlagene Mechanismus den Bandbreitenverbrauch und erfüllt gleichzeitig die Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen industrieller Netzwerke. Der dritte Beitrag befasst sich mit der wachsenden Komplexität der Sicherheitsanforderun- gen im IIoT und stellt das AF-basierte Security Framework (AERO) vor. Dieses Framework ermöglicht es Anwendungsanbietern, kryptografische Mechanismen dynamisch auf die Be- nutzerebene anzuwenden, die Beschränkungen älterer Protokolle zu überwinden und den Bedarf an redundanten Sicherheitsschichten zu beseitigen. Durch die Gewährleistung der Abwärtskompatibilität und die Möglichkeit, die Verschlüsselung auf der Benutzerebene sowohl statisch als auch dynamisch zu konfigurieren, erhöht AERO die Sicherheit bei gleichzeitiger Minimierung des Rechenaufwands und der Übertragungsverzögerungen. Der vierte und letzte Beitrag definiert das Vertrauensmanagement in mobilen Netzwerken durch das SecUre deleGAtion of tRust (SUGAR)-Framework neu. Herkömmliche Vertrau- ensmodelle, die auf Identitäts-Chips für jedes angeschlossene Gerät beruhen, werden in der (IoE)-Ära, in der Milliarden von Geräten Konnektivität benötigen, zunehmend unpraktisch. Das (SUGAR)-Framework führt ein delegationsbasiertes Vertrauensmodell ein, das es Eltern- geräten (PaDs) ermöglicht, Vertrauen sicher an mehrere Kindgeräte (ChDs) zu delegieren. Dieser Ansatz macht einzelne Identitäts-Chips überflüssig, was die Kosten erheblich senkt und die Skalierbarkeit verbessert. Die Integration mit System-on-a-Chip (SoC)-basierten Identitätsenklaven stärkt die Sicherheit der Vertrauensnachweise weiter. Die Ergebnisse dieser Dissertation bieten sowohl der Wissenschaft als auch der Industrie wesentliche Beiträge. Die vorgeschlagenen Rahmenwerke schließen effektiv kritische Lücken in den aktuellen 5G-Standards und liefern wertvolle Beiträge für die Entwicklung von 6G- Rahmenwerken. Durch die Verbesserung der Zuverlässigkeit, die Optimierung der Bandbreite und die Neudefinition von Sicherheit und Vertrauensmanagement bietet diese Dissertation eine umfassende Grundlage für die Entwicklung und den Einsatz von Mobilfunknetzen der nächsten Generation. Darüber hinaus sind die vorgestellten Lösungen an eine Vielzahl von Anwendungen anpassbar, darunter industrielle Automatisierung, autonome Systeme und intelligente Stadtinfrastrukturen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Dissertation einen bedeutenden Schritt in Richtung der vollen Ausschöpfung des Potenzials von Mobilfunknetzen der nächsten Generation darstellt. Durch die Bewältigung wichtiger Herausforderungen in den Bereichen Zuverlässigkeit, Ressourcenoptimierung, Sicherheit und Vertrauensmanagement ebnen die vorgeschlagenen Rahmenwerke den Weg für skalierbare, sichere und effiziente mobile Ökosysteme, die für die dynamische und vernetzte Welt der Zukunft unerlässlich sind.show moreshow less

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Metadaten
Author:Malla Reddy Sama
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-26082
DOI:https://doi.org/10.82549/opus4-2608
Referee:Jan Jürjens, Wolfgang Kiess
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2025/11/03
Date of first Publication:2025/11/03
Publishing Institution:Universität Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting Institution:Universität Koblenz, Fachbereich 4
Date of final exam:2025/10/27
Release Date:2025/11/03
Page Number:vii, vi, 152
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Informatik
Licence (German):Es gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG
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