No Link Left Behind

Abstract

Mobile Internet access has become a critical part of our society. Practically every person in Western countries has a smart phone. These devices are used from browsing the Internet to business transactions, various streaming services, and even emergency information. As a consequence, mobile data traffic is quickly catching up with wired traffic. People, especially in rural areas, are replacing their wired connections with mobile broadband. One of the most recent evolutions are multisim devices that allow simultaneous access to multiple mobile networks and thereby enhance the quality of the mobile connection. However, there is no established protocol for utilizing this type of multipath access. Multipath transport is a transport-level solution that makes it possible for end hosts to use multiple access networks simultaneously. This dissertation analyzes the feasibility of using multipath transport in mobile networks. Prior studies suggest that a protocol for multipath transport requires user need, that the protocol is superior to existing solutions, and that the network has capacity. This dissertation shows use cases and demand, analyzes achievable performance, and verifies that mobile networks have the capacity and diversity for multipath communication. Finally, the dissertation quantifies the benefits of using multipath transport. There are two categories of mobile devices that allow access to multiple networks: active and passive multisim devices. Multipath transport can aggregate very efficiently all capacity available to active multisim device. In contrast, passive multisim devices make use of a host multihoming protocol for sequential access to mobile networks. The results show that mobile networks are diverse enough to improve availability, throughput and failure tolerance. Thus, multipath transport enables mobile devices to maintain an acceptable level of service in both time and space.

Matkapuhelinverkkojen tiedonsiirrosta on tullut kriittinen osa yhteiskuntaamme. Käytännössä jokaisella länsimaalaisella on käytössään älypuhelin. Älypuhelinten käyttö on laajentunut koskemaan kaikkea toimintaamme aina internetin selaamisesta kaupankäyntiin ja videopalveluista hätäpalveluihin. Tiedonsiirto matkapuhelinverkoissa on ohittamassa langallisten yhteyksien tiedonsiirron määrän. Erityisesti haja-asutusalueilla ihmiset vaihtavat yhteyksiään langallisista mobiililaajakaistaan. Uusimmissa mobiililaittessa on useita radioita, joten laitteet voisivat olla yhteydessä useaan verkkoon yhtäaikaisesti ja siten tuoda entistä laadukkaamman internetyhteyden käyttäjälle. Laitteista ja palveluista kuitenkin puuttuu protokollaratkaisu, joka mahdollistaisi usean verkkoyhteyden niputtamisen. Tähän ratkaisuna ovat kuljetuskerroksen monitieratkaisut (eng. multipath transport), jotka mahdollistavat usean yhteyden samanaikaisen käytön päätelaitteessa.Tämä väitöskirja analysoi monitieprotokollien käytettävyyttä matkapuhelinverkoissa. Tutkimukset protokollien yleistymisestä esittävät, että käyttäjillä pitää olla tarve protokollaan, protokollan on oltava kilpailevia ratkaisuja parempi ja verkossa on oltava kapasiteettia protokollan toteuttamiseen.

Tämä väitöskirja käy läpi monitieprotokollien käyttökohteita, tiedonsiirron tarpeita ja protokollien saavutettavissa olevaa suorituskykyä. Lisäksi väitöskirja osoittaa, että mobiiliverkoissa on olemassa tarvittava kapasiteetti ja monimuotoisuus. Lopuksi monitieprotokollista saatavia hyötyjä mitataan matkapuhelinverkoissa. Markkinoille on tullut kahdenlaisia matkapuhelinlaitteita, jotka tukevat monitieviestintää matkapuhelinverkoissa: aktiivisia ja passiivisia multisim –laitteita. Aktiivisissa multisim-laitteissa monitieprotokollat yhdistävät kaiken tarjolla olevan kapasiteetin. Passiivisissa multisim-laitteissa käytetään moniyhteysprotokollaa (host multihoming), joka valitsee kullakin hetkellä parhaan yksittäisen mobiiliverkon käytettäväksi. Tulokset osoittavat, että matkapuhelinverkot ovat siinä määrin heterogeenisiä, että monitieviestinnällä saadaan parempi peitto, yhteysnopeus ja vikasietoisuus nykytilaan verrattuna. Tällä tekniikalla voidaan siis saavuttaa riittävä palvelun laatu useammin ja varmemmin matkapuhelinverkoissa.