Self-Adaptable Ip Control in Carrier Grade Mobile Operator Networks

The current trend in wireless operator networks is towards deploying in parallel a large number of heterogeneous access network technologies and core network functions in order to reach a higher capacity and thus accommodating the communication needs of a high number of connected devices. However, the wireless operator network is designed for handling uniformly all subscribers from the perspective of mobility management, subscription information, resource reservation and charging. The current architecture corroborated with a high increase of connected devices requires a new level of scalability to be attained which is not realizable. This dissertation provides a framework, named SelfFit, for subscriber oriented automatic adaptation of connectivity from core network perspective for access network selection, efficient usage of the core network resources and the data path adaptation, addressing the previous scalability challenge. In these three directions, a set of five innovative self-adaptation concepts for dynamic carrier grade network infrastructures was developed. The concepts were immediately exemplified as additions to the current 3GPP Evolved Packet Core (EPC) architecture, for proving their value in a standard, real-life deployed architecture. Additionally, the functionality was prototyped on top of the Fraunhofer FOKUS OpenEPC toolkit and evaluated on complete realistic testbed setups, providing a practical view on how it can be realized as part of future core network products. For assessing the limitations of existing technologies as well as of the proposed solutions, a rigorous generic evaluation framework was developed including the requirements definition, a simplified network model, qualitative metrics for assessing heterogeneous technologies, and comparative qualitative testbed measurements. The evaluation framework enables the reader to grasp a clear evidence of the innovation value included in this dissertation from innovative idea to pre-product prototyping. Zusammenfassung: Der aktuelle Trend bei Mobilfunknetzen besteht im parallelen Einsatz einer großen Zahl von heterogenen Zugangsnetztechniken und Kernnetzfunktionen, um eine höhere Kapazität zu erreichen und so den Kommunikationsbedürfnissen einer großen Zahl von angeschlossenen Endgeräten gerecht zu werden. Allerdings ist das Mobilfunknetz darauf ausgerichtet, alle Teilnehmer in Bezug auf Mobilitätsbetreuung, Teilnehmerinformationen, Ressourcenzuteilung, sowie Rechnungslegung gleich zu behandeln. Die aktuelle, durch den großen Anstieg der angeschlossenen Geräte bestärkte Architektur, erfordert das Erreichen eines neuen Maßes an Skalierbarkeit, das nicht realisierbar ist. Die vorliegende Dissertation stellt einen Rahmen Namens SelfFit bereit, für eine teilnehmerorientierte, automatische Anpassung der Konnektivität aus der Perspektive des Kernnetzwerks zur Zugangsnetzauswahl, zur effizienten Nutzung der Kernnetzressourcen und der Datenpfadanpassung zur Verfügung, und geht damit auf das bestehende Skalierbarkeitsproblem ein. In diesen drei Richtungen wurde ein Satz von fünf innovativen Selbstanpassungskonzepten für dynamische Netzwerk-Infrastrukturen auf Betreiberniveau entwickelt. Die Konzepte wurden sofort beispielhaft als Ergänzung zur aktuellen 3GPP Evolved Packet Core (EPC) Architektur eingesetzt, um sich in einer normalen, praxisnahen Einsatzarchitektur zu bewähren. Zusätzlich wurde die Funktionalität prototypisch auf dem Fraunhofer FOKUS OpenEPC Toolkit aufgesetzt und auf vollständigen realistischen Prüfstandaufstellungen bewertet, wodurch sichtbar wurde, wie sie in der Praxis als Teil zukünftiger Kernnetzwerk-Produkte realisiert werden könnte. Für die Beurteilung der Grenzen der bestehenden Technologien sowie der vorgeschlagenen Lösungen wurde ein strenger generischer Bewertungsrahmen entwickelt, einschließlich der Anforderungsdefinition, eines vereinfachten Netzwerkmodells, qualitativer Kennzahlen zur Beurteilung heterogener Technologien, sowie vergleichender qualitativer Prüfstandmessungen. Der Bewertungsrahmen liefert dem Leser einen klaren Beweis des in der vorliegenden Dissertation enthaltenen Innovationswerts, von der innovativen Idee bis zur Konstruktion des VorproduktPrototyps.