Contribution to the cross-layer optimization of intra-cluster communication mechanisms in personal networks (Contribución a la optimización intercapa de los mecanismos de comunicación intra-cluster en redes personales)

Abstract

En el futuro, los dispositivos digitales formarán parte del entorno en el que las personas se desenvuelvan, participarán en nuestros objetivos y necesidades y nos ayudarán a "hacer más haciendo menos". A través de los dispositivos portátiles o aquellos que estén embebidos a nuestro alrededor el usuario será capaz de interactuar con el futuro universo de servicios e infraestructuras ubicuas. El principal paradigma que se seguirá se basa en que este universo estará centrado en el usuario ya que éste demandará los servicios que más le convengan en cualquier momento y lugar, todo ello preservando nuestra privacidad y seguridad. Este nuevo concepto no sólo se aplica a un entorno de ocio sino que en el campo profesional las redes inalámbricas de próxima generación permitirán incrementar nuestra productividad, reduciendo el peso de tareas repetitivas, poniendo a nuestra disposición la información relevante en el momento adecuado y según sean las necesidades particulares del usuario en ese momento y permitiéndonos trabajar con otras personas independientemente de donde se encuentren. En particular, se intuye que las redes de próxima generación se diseñen de forma que aglutinen todos los servicios disponibles a través de los diferentes sistemas que existan de forma que las posibles deficiencias de alguno de ellos se vean compensadas por otro. Lo que se pretende conseguir es que el usuario pueda disfrutar en todo momento y lugar de los servicios que desee sin que ello suponga un esfuerzo.<br/><br/>Este concepto implica diferentes retos tecnológicos y la integración de múltiples sistemas. Dentro de estos retos tecnológicos esta Tesis aborda los siguientes: soporte de la heterogeneidad en lo referente a las tecnologías de acceso radio que existen y que eventualmente aparecerán en el futuro y que coexistirán en un mismo terminal; desarrollo de técnicas de optimización basadas en la cooperación entre diferentes capas de la pila de protocolos; implementación de estrategias de selección de la red que mejor pueda soportar un determinado servicio ante la posibilidad de utilización de múltiples tecnologías de acceso; optimización del uso de recursos energéticos en las comunicaciones dentro de la red; protección de la privacidad y la seguridad de las comunicaciones personales del usuario.<br/><br/>Desde el punto de vista de las aportaciones, en esta Tesis se ha contribuido mediante el diseño, implementación y validación de una serie de técnicas de optimización de las comunicaciones en redes de dispositivos móviles basadas en información intercapa. Para ello, se propone una arquitectura de protocolos novedosa que permite soportar la heterogeneidad en términos de tecnologías de acceso dentro del mismo terminal. El concepto de aislar las capas superiores de la pila de protocolos de las tecnologías de acceso subyacentes se consigue a través de una Capa de Convergencia Universal (UCL, en sus siglas en inglés). El diseño y la especificación esta arquitectura así como de los bloques funcionales que la componen son la primera contribución que se hace en esta Tesis. La UCL supone el marco en el que el resto de técnicas de optimización que se presentan han sido desarrolladas.<br/><br/>Igualmente, se desarrollan una serie de técnicas basadas en optimización intercapa que permiten una gestión eficiente de los recursos disponibles así como una mejora en el uso de la energía. Finalmente, se implementan los mecanismos de autenticación y encriptación que permiten asegurar las comunicaciones dentro de la red. El diseño, implementación y validación de estos mecanismos supone la segunda contribución en esta Tesis. El empleo de técnicas de optimización basadas en información procedentes de diferentes capas de la pila de protocolos es la base de los dos mecanismos que se han propuesto. El primero de ellos se basa en la selección dinámica de la tecnología de acceso a utilizar para obtener un rendimiento óptimo del sistema. La segunda estrategia de optimización consiste en el uso simultáneo de varias tecnologías de acceso para conseguir una mejora en las prestaciones de la red. Aparte de la optimización en cuanto al rendimiento en términos de ancho de banda y calidad de servicio, se ha evaluado la mejora de la eficiencia energética conseguida gracias a las soluciones propuestas. Los resultados obtenidos permiten concluir que las propuestas realizadas en el marco de esta Tesis representan una optimización tanto en parámetros de calidad de servicio como en la eficiencia energética del sistema.<br/><br/>El mayor avance respecto del estado del arte se centra en habilitar al usuario para que utilice de manera transparente, eficiente y segura los dispositivos que tiene a su alrededor independientemente de la heterogeneidad que presenten y sin requerir de un conocimiento intensivo de la tecnología. El usuario podrá comunicarse haciendo un uso óptimo de los recursos a su alcance sin preocuparse de tener que gestionarlos él mismo.

In the future, computation will be human-centred: it will enter the human world, handling our goals and needs and helping us to do more by doing less. Next generation wireless systems should provide the user access with a broad range of services in a transparent way, independently of user location, by making the technology invisible and embedded in the natural surroundings. New systems will boost our productivity. They will help us automate repetitive human tasks, control a wide range of physical devices in our environment, find the information we need (when we need it, without obliging us to examine thousands of search-engine hits), and enable us to work together with other people through space and time.<br/><br/>The achievement of this paradigm led to the identification of a set of optimizations in intra-cluster communications that were needed to fully support it. Firstly, heterogeneity will be a fundamental characteristic of next generation wireless communications since more and more personal devices are equipped with multiple network access technologies so that the user can have access to the different services that the different operational environments provide. However, Next Generation Networks (NGN) will comprise such a diverse number of possibilities that the users cannot be expected to take technical decisions on their own. It is necessary to provide mechanisms that intelligently select the optimal available access network based on context information such as user preferences, power consumption, link quality, etc. Finally, users need to trust the system that supports their personal communications. Within a personal network the most confidential information might be exchanged and the user need to be sure that this will never be disclosed. If the system fails in these features, NGN in general and PNs in particular will never happen.<br/><br/>This Thesis has contributed with the development of the mechanisms that tackle the abovementioned challenges. The design and specification of a convergence framework, the so-called Universal Convergence Layer (UCL), has been the first topic addressed. This framework aims to manage all the network access interfaces with which a device is equipped so that they can be transparently used by upper layers as if the node were equipped with a single access technology. On the other hand, the UCL enables the cross-layer optimization paradigm. Its privileged location within the protocol stack gives the UCL the possibility to support both bottom-up and top-down information flow. In this sense, two different solutions based on cross-layer optimization have been proposed to enhance the performance and energy efficiency of the system. The first one deals with the selection at run-time of the most appropriate wireless interface to be used in order to improve the system performance. The second one leverages the striping concept in order to exploit all the network interfaces available. Finally, the UCL also plays a key role in security issues as an enabler for providing link-layer security mechanisms that ensure data confidentiality and integrity, authenticity and non-repudiation. The techniques implemented for node authentication combined with traffic encryption in ad-hoc networks have been thoroughly assessed and have demonstrated their appropriateness.<br/><br/>The biggest advance in the state-of-the-art comes from enabling the user to have easy, affordable and seamless control of their devices over heterogeneous communications networks. They are empowered to communicate efficiently and securely with their selected interaction groups, no matter what kind of access is available for them to use.