Development and application of a cellular system simulator for an evaluation of signaling performance and efficiency [Elektronische Ressource] : accepting the challenges of IP-based UMTS radio access network evolution scenarios / von Anja Wiedemann

Awiedemann

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• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 32
• Langue: English
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Extrait

Development and Application of a Cellular System
Simulator for an Evaluation of Signaling
Performance and Efficiency

Accepting the Challenges of IP-based UMTS Radio Access Network Evolution
Scenarios

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades


Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.

im Fach Informatik


von

Dipl.-Wirt. Inf. Anja Wiedemann
geb. in München

Vorgelegt beim

Institut für Informatik und Wirtschaftsinformatik
der Universität Duisburg-Essen

im Juni 2006


Datum der mündlichen Prüfung: 18. Juni 2007

Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. Erwin P. Rathgeb (Universität Duisburg-Essen)
Prof. Dr. Bruno Müller-Clostermann (Universität Duisburg-Essen)
Abstract


The tendency in future mobile Radio Access Networks (RANs) consists in an increase of new and
Internet Protocol (IP)-based services with strict requirements regarding bandwidth and Quality of
Service (QoS) and in a dominance of packet data traffic in future mobile networks. Existing mobile
networks (e.g. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) Release 99 (R99)), which are
designed assuming a predominance of circuit switched traffic, are not suitable to efficiently carry IP
traffic under consideration of the hierarchical and centralistic network structure of existing mobile
networks, the coupling of user and control plane and the strict delay requirements in the RAN.
Consequently, an architecture evolution of mobile RANs with regard to their network architecture has
to take place.
Within the cooperation of Lucent Technologies and the University of Duisburg-Essen in the project
IPonAir, funded by the German Ministry for Education and Research (Bundesministerium für Bildung
und Forschung (BMBF)), and within the work carried out for this thesis, a flexible, efficient and tool-
supported approach was developed that allows for an evaluation of future mobile RANs with regard to
signaling performance. This approach provides decision support to the designer of future mobile
networks in a very early design phase. The evaluation approach comprises a methodology for event-
driven simulation of signaling sequences, depicted in the form of Message Sequence Charts (MSCs),
as well as a toolkit – both, i.e. the simulation methodology as well as the toolkit, enable an
optimization as well as an assessment of future mobile RANs with regard to signaling performance as
well as a comparison with the UMTS R99 as a reference architecture.
In the thesis on hand, the above mentioned evaluation approach is presented in detail. Moreover, the
approach is applied to potential evolution scenarios of mobile RANs. On the one hand these RAN
evolution scenarios are optimized with regard to signaling performance. On the other hand the RAN
evolution scenarios are compared to the UMTS R99 reference architecture with regard to their
signaling performance behavior.




Keywords:
UMTS, UTRAN Evolution, Message Sequence Charts, Signaling Performance, Event-driven Simulation
I
Zusammenfassung


Der Trend in zukünftigen Mobilfunknetzen besteht in einer Zunahme neuer, Internet Protocol (IP)-
basierter Dienste mit strikten Anforderungen an die benötigte Bandbreite und Dienstgüte der
Verbindung und infolge dessen einer Dominanz von Paketdatenverkehr in zukünftigen mobilen
Netzen. Existierende Mobilfunknetze (z.B. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)
Release 99 (R99)), die unter Berücksichtigung einer Dominanz von Sprachdatenverkehr konzipiert
wurden, sind im Hinblick auf diesen Trend ungeeignet und zwar aufgrund ihrer hierarchischen und
zentralistischen Netzwerkarchitektur, sowie der Kopplung von User und Control Plane und aufgrund
ihrer strikten Anforderungen und Sensibilität im Hinblick auf Verzögerungen im Bereich des
Funknetzes. Folglich ist eine Evolution der Mobilfunknetze hinsichtlich ihrer Netzwerkarchitektur
notwendig.
Im Projekt IPonAir des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) wurde im Rahmen
einer Projekt-Kooperation von Lucent Technologies und der Universität Duisburg-Essen, sowie im
Rahmen der vorliegenden Dissertation, ein flexibler, effizienter und Werkzeug-unterstützter Ansatz
entwickelt, der eine Evaluierung zukünftiger Funknetz-Architekturen im Hinblick auf deren
Signalisierungsperformanz ermöglicht und damit eine Entscheidungsunterstützung für den Designer
zukünftiger Mobilfunknetz-Architekturen in einer sehr frühen Design-Phase bietet. Der
Evaluierungsansatz umfaßt eine Methodik zur ereignisorientierten Simulation von
Signalisierungsabläufen, die in Form von Message Sequence Charts (MSCs) abgebildet werden, und
einen zugehörigen Werkzeugsatz – beides ermöglicht die Optimierung und Leistungsbewertung
zukünftiger Funknetz-Architekturen im Hinblick auf deren Signalisierungsperformanz sowie einen
Vergleich mit der UMTS R99 Referenzarchitektur.
In der vorliegenden Dissertation wird der oberhalb genannte Evaluierungsansatz detailliert vorgestellt
und auf potentielle Mobilfunknetz-Evolutionsszenarien angewendet. Dabei werden die
Evolutionsszenarien einerseits hinsichtlich ihrer Signalisierungsperformanz optimiert, und
andererseits im Hinblick auf die Signalisierungsperformanz mit der UMTS R99 Referenzarchitektur
verglichen.




Schlagworte:
UMTS, UTRAN Evolution, Message Sequence Charts, Signalisierungsperformanz, Ereignisorientierte
Simulation
III



Acknowledgements


The research activities, on which this thesis is based, were accomplished during my employment in
the Computer Networking Technology Group (University of Duisburg-Essen). Moreover, the research
work for this thesis had been partly performed during a project cooperation with Lucent Technologies.
Therefore, I would like to thank my colleagues Dr. Peter Schefczik, Dr. Michael Söllner and Wilfried
Speltacker from Lucent Technologies Bell Labs Europe, Nuremberg, for a good cooperation, when
working together within the German funded BMBF project IPonAir. In this context, I also want to
include Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-Thiel, who formerly also was a colleague working at
Lucent Technologies, but in the meantime became the leader of the Integrated Hardware and
Software Systems Department at the Technical University of Ilmenau. I appreciated interesting
discussions with the colleagues mentioned above that were inspiring for me, when creating new
research ideas. Moreover, the longtime professional experience of these colleagues, their
colleagueship and humaneness were beneficial for me.

Particularly, I would like to express my gratitude to my colleague Dr. Peter Schefczik, who read my
thesis and supported me with constructive criticism. It was at the OPNETWORK 2004 conference,
when I asked him for this favor, and he promised to do it. Although he had been very busy at work all
the time, he did not let me down with it.

Finally, I also would like to thank my family on which I could always count. They kept me grounded,
and without their support, this thesis would never have come true. Therefore,

I dedicate this work to my family. —
V