Decentralizing IP mobility management in future networks

Abstract

The massive adoption of sophisticated mobile devices and applications led to the increase of mobile data in the last decade, which it is expected to continue. This increase of mobile data negatively impacts the network planning and dimension, since core networks are heavy centralized. Mobile operators are investigating atten network architectures that distribute the responsibility of providing connectivity and mobility, in order to improve the network scalability and performance. Moreover, service providers are moving the content servers closer to the user, in order to ensure high availability and performance of content delivery. Besides the e orts to overcome the explosion of mobile data, current mobility management models are heavy centralized to ensure reachability and session continuity to the users connected to the network. Nowadays, deployed architectures have a small number of centralized mobility anchors managing the mobile data and the mobility context of millions of users, which introduces issues related to performance and scalability that require costly network mechanisms. The mobility management needs to be rethought out-of-the box to cope with atten network architectures and distributed content servers closer to the user, which is the purpose of the work developed in this Thesis. The Thesis starts with a characterization of mobility management into well-de ned functional blocks, their interaction and potential grouping. The decentralized mobility management is studied through analytical models and simulations, in which di erent mobility approaches distinctly distribute the mobility management functionalities through the network. The outcome of this study showed that decentralized mobility management brings advantages. Hence, it was proposed a novel distributed and dynamic mobility management approach, which is exhaustively evaluated through analytical models, simulations and testbed experiments. The proposed approach is also integrated with seamless horizontal handover mechanisms, as well as evaluated in vehicular environments. The mobility mechanisms are also speci ed for multihomed scenarios, in order to provide data o oading with IP mobility from cellular to other access networks. In the pursuing of the optimized mobile routing path, a novel network-based strategy for localized mobility is addressed, in which a replication binding system is deployed in the mobility anchors distributed through the access routers and gateways. Finally, we go further in the mobility anchoring subject, presenting a context-aware adaptive IP mobility anchoring model that dynamically assigns the mobility anchors that provide the optimized routing path to a session, based on the user and network context. The integration of dynamic and distributed concepts in the mobility management, such as context-aware adaptive mobility anchoring and dynamic mobility support, allow the optimization of network resources and the improvement of user experience. The overall outcome demonstrates that decentralized mobility management is a promising direction, hence, its ideas should be taken into account by mobile operators in the deployment of future networks.

Na última década verificou-se uma massificação dos dispositivos móveis e das suas aplicações, o que tem vindo a aumentar o consumo de dados móveis. Este aumento dificulta o planeamento e dimensionamento das redes devido principalmente aos modelos extremamente centralizados adoptados por estas. Os operadores móveis têm vindo a estudar modelos mais até para as redes, os quais distribuem a responsabilidade de fornecer conectividade e mobilidade, no sentido de melhorar a escalabilidade e desempenho da rede. Além disso, de forma a garantir um desempenho elevado na entrega dos conteúdos, os fornecedores de serviço têm vindo a mover os servidores de conteúdos para locais mais próximos do utilizador. Apesar do esforço na procura de soluções para o crescente consumo de dados móveis, os modelos atuais de gestão de mobilidade são demasiado centralizados para conseguir assegurar a continuidade de sessão aos utilizadores conectados à rede. As arquiteturas implementadas têm um número muito reduzido de âncoras móveis centralizadas que gerem todos os dados móveis e a informação de contexto da mobilidade, o que leva a uma diminuição de desempenho e escalabilidade, solucionadas através de mecanismos de rede dispendiosos. A gestão da mobilidade precisa de ser repensada de forma a poder lidar com arquiteturas de rede até com a distribuição dos servidores de conteúdos para nós mais próximos dos utilizadores, que é o objectivo principal da Tese apresentada. Primeiro, é apresentada a caracterização da gestão de mobilidade em blocos funcionais, a interação entre eles e potenciais agrupamentos dos mesmos. A gestão da mobilidade descentralizada é estudada através de modelos analíticos e simulações, em que diferentes abordagens distribuem as funcionalidades da mobilidade pela rede. Como resultado deste estudo verificou-se que a descentralização da mobilidade traz vantagens claras. Com base nestes resultados foi proposta uma nova abordagem de gestão de mobilidade distribuída e dinâmica, que é exaustivamente avaliada através de modelos analíticos, simulações e experiências numa bancada de testes. A abordagem proposta é também integrada com mecanismos de handovers horizontais transparentes, assim como é avaliada em ambientes veiculares. Os mecanismos de mobilidade da abordagem proposta são também especificados para cenários de multihoming, de forma a proporcionar o offloading de dados com suporte de mobilidade das redes celulares para outras redes de acesso. Com o objectivo de optimizar o encaminhamento de dados móveis, foi criada uma nova estratégia para o suporte da mobilidade localizada, em que um sistema de replicação de bindings é integrado nas âncoras de mobilidade distribuídas através dos routers de acesso e dos gateways. Finalmente apresenta-se um modelo de ancoramento adaptativo para a mobilidade com base em contexto, o qual dinamicamente determina as âncoras de mobilidade que oferecem a melhor rota para uma dada sessão, baseado na informação do utilizador e da rede. A integração de conceitos de dinamismo e de distribuição na gestão da mobilidade, como o ancoramento adaptativo e o suporte dinâmico da mobilidade, permitem a optimização dos recursos da rede e uma melhor experiência por parte do utilizador. Os resultados demonstram, de uma forma geral, que a gestão descentralizada da mobilidade é um caminho promissor, logo este deve ser tomado em consideração pelas operadoras móveis aquando do desenvolvimento das redes do futuro.