Florian Wamser

• The rapid growth in the field of communication networks has been truly amazing in the last decades. We are currently experiencing a continuation thereof with an increase in traffic and the emergence of new fields of application. In particular, the latter is interesting since due to advances in the networks and new devices, such as smartphones, tablet PCs, and all kinds of Internet-connected devices, new additional applications arise from different areas. What applies for all these services is that they come from very different directions andThe rapid growth in the field of communication networks has been truly amazing in the last decades. We are currently experiencing a continuation thereof with an increase in traffic and the emergence of new fields of application. In particular, the latter is interesting since due to advances in the networks and new devices, such as smartphones, tablet PCs, and all kinds of Internet-connected devices, new additional applications arise from different areas. What applies for all these services is that they come from very different directions and belong to different user groups. This results in a very heterogeneous application mix with different requirements and needs on the access networks. The applications within these networks typically use the network technology as a matter of course, and expect that it works in all situations and for all sorts of purposes without any further intervention. Mobile TV, for example, assumes that the cellular networks support the streaming of video data. Likewise, mobile-connected electricity meters rely on the timely transmission of accounting data for electricity billing. From the perspective of the communication networks, this requires not only the technical realization for the individual case, but a broad consideration of all circumstances and all requirements of special devices and applications of the users. Such a comprehensive consideration of all eventualities can only be achieved by a dynamic, customized, and intelligent management of the transmission resources. This management requires to exploit the theoretical capacity as much as possible while also taking system and network architecture as well as user and application demands into account. Hence, for a high level of customer satisfaction, all requirements of the customers and the applications need to be considered, which requires a multi-faceted resource management. The prerequisite for supporting all devices and applications is consequently a holistic resource management at different levels. At the physical level, the technical possibilities provided by different access technologies, e.g., more transmission antennas, modulation and coding of data, possible cooperation between network elements, etc., need to be exploited on the one hand. On the other hand, interference and changing network conditions have to be counteracted at physical level. On the application and user level, the focus should be on the customer demands due to the currently increasing amount of different devices and diverse applications (medical, hobby, entertainment, business, civil protection, etc.). The intention of this thesis is the development, investigation, and evaluation of a holistic resource management with respect to new application use cases and requirements for the networks. Therefore, different communication layers are investigated and corresponding approaches are developed using simulative methods as well as practical emulation in testbeds. The new approaches are designed with respect to different complexity and implementation levels in order to cover the design space of resource management in a systematic way. Since the approaches cannot be evaluated generally for all types of access networks, network-specific use cases and evaluations are finally carried out in addition to the conceptual design and the modeling of the scenario. The first part is concerned with management of resources at physical layer. We study distributed resource allocation approaches under different settings. Due to the ambiguous performance objectives, a high spectrum reuse is conducted in current cellular networks. This results in possible interference between cells that transmit on the same frequencies. The focus is on the identification of approaches that are able to mitigate such interference. Due to the heterogeneity of the applications in the networks, increasingly different application-specific requirements are experienced by the networks. Consequently, the focus is shifted in the second part from optimization of network parameters to consideration and integration of the application and user needs by adjusting network parameters. Therefore, application-aware resource management is introduced to enable efficient and customized access networks. As indicated before, approaches cannot be evaluated generally for all types of access networks. Consequently, the third contribution is the definition and realization of the application-aware paradigm in different access networks. First, we address multi-hop wireless mesh networks. Finally, we focus with the fourth contribution on cellular networks. Application-aware resource management is applied here to the air interface between user device and the base station. Especially in cellular networks, the intensive cost-driven competition among the different operators facilitates the usage of such a resource management to provide cost-efficient and customized networks with respect to the running applications.…
• In den heutigen Zugangsnetzen steigt der Verkehr immer mehr an. Es gibt immer mehr Applikationen und Anwendungen, resultierend aus dem technischen Fortschritt bei Geräten für den Endverbraucher und dem technologischen Fortschritt im Netzwerk. Gleichzeitig ergeben sich auch immer unterschiedlichere Anwendungsfelder (Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, Anwendungen aus dem Gesundheitswesen, Ultra-High-Definition Fernsehen, neue kommerzielle Dienste für das Transportwesen und für Firmen, Assistenzsysteme für ältere Menschen, Sensornetzwerke, etc.)In den heutigen Zugangsnetzen steigt der Verkehr immer mehr an. Es gibt immer mehr Applikationen und Anwendungen, resultierend aus dem technischen Fortschritt bei Geräten für den Endverbraucher und dem technologischen Fortschritt im Netzwerk. Gleichzeitig ergeben sich auch immer unterschiedlichere Anwendungsfelder (Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, Anwendungen aus dem Gesundheitswesen, Ultra-High-Definition Fernsehen, neue kommerzielle Dienste für das Transportwesen und für Firmen, Assistenzsysteme für ältere Menschen, Sensornetzwerke, etc.) und damit hohe, heterogene Anforderungen an die Zugangsnetze. Aus technischer Sicht der Kommunikationsnetze bedeutet dies, dass nicht nur einzelne Anwendungen im Netzwerk unterstützt werden müssen, sondern dass eine breite Berücksichtigung aller Umstände und Anforderungen nötig ist. Dies gilt zusätzlich zu den üblichen Anforderungen, wie beispielsweise Kosten- und Energieeinsparungen im Netzwerk. Eine solche umfassende Berücksichtigung aller Eventualitäten kann nur durch ein dynamisches, individuelles und intelligentes Management der Übertragungsressourcen erreicht werden. Dabei muss einerseits die theoretische Kapazität soweit wie möglich ausgenutzt werden und andererseits aber sowohl die System- und Netzarchitektur als auch das Nutzer- und Applikationsverhalten angemessen in Betracht gezogen werden. Hierfür ist ein vielschichtiges Ressourcenmanagement auf verschiedenen Ebenen nötig. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von einem ganzheitlichen Ressourcenmanagement im Hinblick auf neue Anforderungen und aufkommende, neue Anwendungsfelder. Es werden entsprechende Ansätze auf verschiedenen Kommunikationsebenen mit sowohl Simulationsstudien als auch praktischer Emulationen und Messungen in Testbeds entwickelt. Die untersuchten und entwickelten Ansätze unterscheiden sich hinsichtlich der Komplexität und der Ebene auf der sie arbeiten mit dem Ziel den gesamten Gestaltungsraum auf systematische Art und Weise abzudecken. Da die Ansätze in der Regel nicht allgemeingültig für alle Arten von Zugangsnetzen evaluiert werden können, sind in der Arbeit Implementierungsbeispiele enthalten. Zusätzlich werden technologiespezifische Bewertungen durchgeführt neben der Modellierung des Szenarios und der Applikationsanforderungen. Es werden Mobilfunknetze und drahtlose Mesh-Zugangsnetzwerke in dieser Arbeit betrachtet. Teil 1: Untersuchungen zum Ressourcenmanagement auf der physikalischen Ebene: Der erste Teil beschäftigt sich mit dem Management von Ressourcen auf der physikalischen Übertragungsebene. Es werden verteilte Ressourcenallokationsansätze unter verschiedenen Einstellungen für Mobilfunknetze untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit im ersten Teil liegt auf der Identifizierung von Ansätzen, die in der Lage sind, Interferenzen zu reduzieren. Es werden verschiedene Koordinierungsmechanismen entwickelt und vorgeschlagen, die zu einer effizienteren Ressourcennutzung führen. Teil 2: Spezifikation und Entwicklung von anwendungsorientiertem Ressourcenmanagement: Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungen und Dienste, werden die Netze zunehmend mit heterogenen, anwendungsspezifischen Anforderungen von Applikationen konfrontiert. Dementsprechend liegt der Schwerpunkt im zweiten Teil auf der Optimierung der Netzwerkcharakteristiken und -parameter unter Berücksichtigung von Anwendungen und deren Bedürfnissen. Es wird anwendungsbezogenes Ressourcenmanagement eingeführt und spezifiziert, um effiziente und maßgeschneiderte Zugangsnetze zu ermöglichen. Teil 3: Anwendungsbeispiele & Emulation, Messung und Leistungsanalyse von anwendungsbezogenem Ressourcenmanagement für drahtlose Mesh-Zugangsnetzwerke und zelluläre Mobilfunknetze: Man kann Ressourcenmanagementansätze und -algorithmen nicht allgemeingültig für alle Arten von Zugangsnetzen untersuchen. Je nach Netzwerktyp und –technologie ergeben sich unterschiedliche Netzwerkeigenschaften. In der Arbeit werden Anwendungsbeispiele von applikationsbezogenem Ressourcenmanagement gegeben. Zum einen werden drahtlose Multi-Hop Mesh-Netzwerke betrachtet. Mesh-Netzwerke bieten viele verschiedene Optionen und Managementmöglichkeiten bei der Übertragung von Daten. Somit stellt ein solches Netz eine ausgezeichnete Gelegenheit dar, die Vorteile von anwendungsbezogenem Ressourcenmanagement zu quantifizieren. Die Bewertung erfolgt in einem Mesh-Testbed mit empirischen Messungen anhand von YouTube. Diese praktische Implementierung veranschaulicht die Vorteile des Konzepts, zeigt die Machbarkeit und quantifiziert den Nutzen für YouTube. Ein weiterer Typ von Netzwerk, das untersucht wird, ist das Mobilfunknetz. Im letzten Teil der Arbeit wird anwendungsorientiertes Ressourcenmanagement für die Luftschnittstelle im Mobilfunk zwischen Teilnehmergerät und der Basisstation spezifiziert und bewertet.…