Flexible cross layer optimization for fixed and mobile broadband telecommunication networks and beyond

In der heutigen Zeit, in der das Internet im Allgemeinen und Telekommunikationsnetze im Speziellen kritische Infrastrukturen erreicht haben, entstehen hohe Anforderungen und neue Herausforderungen an den Datentransport in Hinsicht auf Effizienz und Flexibilität. Heutige Telekommunikationsnetze sind jedoch rigide und statisch konzipiert, was nur ein geringes Maß an Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der Netze ermöglicht und darüber hinaus nur im begrenzten Maße die Wichtigkeit von Datenflüssen im wiederspiegelt. Diverse Lösungsansätze zum kompletten Neuentwurf als auch zum evolutionären Konzept des Internet wurden ausgearbeitet und spezifiziert, um diese neuartigen Anforderungen und Herausforderungen adäquat zu adressieren. Einer dieser Ansätze ist das Cross Layer Optimierungs-Paradigma, welches eine bisher nicht mögliche direkte Kommunikation zwischen verteilten Funktionalitäten unterschiedlichen Typs ermöglicht, um ein höheres Maß an Dienstgüte zu erlangen. Ein wesentlicher Indikator, welcher die Relevanz dieses Ansatzes unterstreicht, zeichnet sich durch die Programmierbarkeit von Netzwerkfunktionalitäten aus, welche sich aus der Evolution von heutigen hin zu zukünftigen Netzen erkennen lässt. Dieses Konzept wird als ein vielversprechender Lösungsansatz für Kontrollmechanismen von Diensten in zukünftigen Kernnetzwerken erachtet. Dennoch existiert zur Zeit der Entstehung dieser Doktorarbeit kein Ansatz zur Cross Layer Optimierung in Festnetz-und Mobilfunknetze, welcher der geforderten Effizienz und Flexibilität gerecht wird. Die übergeordnete Zielsetzung dieser Arbeit adressiert die Konzeptionierung, Entwicklung und Evaluierung eines Cross Layer Optimierungsansatzes für Telekommunikationsnetze. Einen wesentlichen Schwerpunkt dieser Arbeit stellt die Definition einer theoretischen Konzeptionierung und deren praktischer Realisierung eines Systems zur Cross Layer Optimierung für Telekommunikationsnetze dar. Die durch diese Doktorarbeit analysierten wissenschaftlichen Fragestellungen betreffen u.a. die Anwendbarkeit von Cross Layer Optimierungsansätzen auf Telekommunikationsnetzwerke; die Betrachtung neuartiger Anforderungen; existierende Konzepte, Ansätze und Lösungen; die Abdeckung neuer Funktionalitäten durch bereits existierende Lösungen; und letztendlich den erkennbaren Mehrwert des neu vorgeschlagenen Konzepts gegenüber den bestehenden Lösungen. Die wissenschaftlichen Beiträge dieser Doktorarbeit lassen sich grob durch vier Säulen skizzieren: Erstens werden der Stand der Wissenschaft und Technik analysiert und bewertet, Anforderungen erhoben und eine Lückenanalyse vorgenommen. Zweitens werden Herausforderungen, Möglichkeiten, Limitierungen und Konzeptionierungsaspekte eines Modells zur Cross Layer Optimierung analysiert und evaluiert. Drittens wird ein konzeptionelles Modell - Generic Adaptive Resource Control (GARC) - spezifiziert, als Prototyp realisiert und ausgiebig validiert. Viertens werden theoretische und praktische Beiträge dieser Doktorarbeit vertiefend analysiert und bewertet.

As the telecommunication world moves towards a data-only network environment, signaling, voice and other data are similarly transported as Internet Protocol packets. New requirements, challenges and opportunities are bound to this transition and influence telecommunication architectures accordingly. In this time in which the Internet in general, and telecommunication networks in particular, have entered critical infrastructures and systems, it is of high importance to guarantee efficient and flexible data transport. A certain level of Quality-of-Service (QoS) for critical services is crucial even during overload situations in the access and core network, as these two are the bottlenecks in the network. However, the current telecommunication architecture is rigid and static, which offers very limited flexibility and adaptability. Several concepts on clean slate as well as evolutionary approaches have been proposed and defined in order to cope with these new challenges and requirements. One of these approaches is the Cross Layer Optimization paradigm. This concept omits the strict separation and isolation of the Application-, Control- and Network-Layers as it enables interaction and fosters Cross Layer Optimization among them. One indicator underlying this trend is the programmability of network functions, which emerges clearly during the telecommunication network evolution towards the Future Internet. The concept is regarded as one solution for service control in future mobile core networks. However, no standardized approach for Cross Layer signaling nor optimizations in between the individual layers have been standardized at the time this thesis was written. The main objective of this thesis is the design, implementation and evaluation of a Cross Layer Optimization concept on telecommunication networks. A major emphasis is given to the definition of a theoretical model and its practical realization through the implementation of a Cross Layer network resource optimization system for telecommunication systems. The key questions answered through this thesis are: in which way can the Cross Layer Optimization paradigm be applied on telecommunication networks; which new requirements arise; which of the required functionalities cannot be covered through existing solutions, what other conceptual approaches already exist and finally whether such a new concept is viable. The work presented in this thesis and its contributions can be summarized in four parts: First, a review of related work, a requirement analysis and a gap analysis were performed. Second, challenges, limitations, opportunities and design aspects for specifying an optimization model between application and network layer were formulated. Third, a conceptual model - Generic Adaptive Resource Control (GARC) - was specified and its prototypical implementation was realized. Fourth, the theoretical and practical thesis contributions was validated and evaluated.