Adaptive traffic management in heterogeneous communication networks

• Main Author: Jutila, M. (Mirjami)
• Other Authors: Seppänen, T. (Tapio)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2017
• Subjects: adaptive queueing; admission control; edge computing; flow scheduling; fuzzy scheduling; network adaptivity; vehicular communications; adaptiivinen jonotus; autoverkot; laskenta verkon reunalla; sumean logiikan skedulointi; verkkoon pääsy; verkon adaptiivisuus; vuon skedulointi
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526215211; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526215211

Abstract Communication networks are experiencing a significant growth of data traffic posing new challenges to the overall systems that should become more reactive and adaptive towards dynamically changing traffic, connections and network conditions. This thesis examines adaptive traffic management solutions within heterogeneous communication networks, which can be utilized to improve network performance, provide Quality of Service (QoS) for traffic paths and share resources in a fair way. The developed adaptive methods include solutions for fuzzy flow scheduling (AWFQ, FWQ) and regressive admission control (REAC) to provide stable network performance and efficient resource control. Such techniques for adaptive traffic management continuously balance and control traffic usage and recover from network faults and attacks. The results utilize traffic monitoring for estimating the overall network conditions, applying cognition to learn from previous actions, and adapting to the current traffic conditions for resource optimization. The thesis researches how to distribute these computing mechanisms towards network edges closer to the actual application users for more efficient resource usage, and to provide better performance for delay-sensitive applications. The methods developed have been applied to vehicular communications to assess and improve the messaging between vehicles and vulnerable road users (VRUs). These mechanisms are able to react faster to data traffic changes and guarantee better quality for prioritized traffic and users while at the same time they preserve fairness to other flows compared to traditional control and scheduling methods without adaptive characteristics. The overall system reacts to changes in the network QoS by determining decision-making procedures on possible flow rejection, marking, or allowed bandwidth weight assignment, thus bringing cognition to the network path. === Tiivistelmä Merkittävä liikennemäärien kasvu aiheuttaa tietoverkoille uusia haasteita, minkä vuoksi niiden täytyy tukea reaktiivisuutta ja adaptiivisuutta vastatakseen muuttuviin liikenne- sekä verkko-olosuhteisiin että yhteyksiin. Väitöskirjassa kehitetään heterogeenisten tietoverkkojen adaptiivisia liikenteenhallintaratkaisuja, joita voidaan hyödyntää verkon suorituskyvyn parantamiseen, tarjoamaan liikenteen palvelunlaatua (QoS) sekä tasapuolista resurssien jakoa. Kehitetyt adaptiiviset menetelmät sisältävät ratkaisuja sumeaan logiikkaan perustuvaan skedulointiin sekä regressiiviseen verkon pääsynhallintaan pohjautuen, jotka takaavat vakaamman verkon suorituskyvyn ja resurssien hallinnan. Nämä menetelmät tasapainottavat ja kontrolloivat liikennettä sekä pyrkivät palautumaan verkon häiriöistä ja hyökkäyksistä. Tulokset hyödyntävät liikenteen monitorointia verkon tilan arviointiin, soveltavat kognitiivisuutta oppiakseen aiemmista toiminnoista sekä adaptoituvat nykytilanteeseen resurssien optimoimiseksi. Väitöskirja tutkii, miten kyseisiä laskentamenetelmiä voidaan hajauttaa verkon reunoille lähemmäksi sovellusten käyttäjiä resurssien käytön tehostamiseksi sekä tarjoamaan parempaa suorituskykyä viiveherkille sovelluksille. Kehitettyjä menetelmiä sovelletaan autoverkkoihin autojen sekä suojattomien tienkäyttäjien viestinnän määrittämiseen sekä parantamiseen. Nämä menetelmät reagoivat nopeammin dataliikenteen muutoksiin, takaavat paremman laadun priorisoidulle liikenteelle sekä samalla tasapuolisuutta muulle liikenteelle verrattuna perinteisiin kontrollointi- ja skedulointimenetelmiin. Kehitetty järjestelmä reagoi verkon palvelunlaadun muutoksiin määrittelemällä päätöksentekomalleja mahdolliseen tietovuon hylkäämiseen, merkitsemiseen tai kaistankäytön painokertoimen määrittämiseen, täten luoden kognitiivisuutta verkon reitille.