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P. Svoboda:
"Measurement and Modelling of Internet Traffic over 2.5 and 3G Cellular Care Networks";
Supervisor, Reviewer: M. Rupp, A. Kassler; Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik, 2008; oral examination: 12-22-2008.

The task of modeling data traffic in networks is as old as the first commercial telephony systems.
In the recent past in mobile telephone networks the focus has moved from voice to packetswitched
services. The new cellular mobile networks of the third generation (UMTS) and the evolved
second generation (GPRS) offer the subscriber the possibility of staying online everywhere and at any
time. The design and dimensioning is well known for circuit switched voice systems, but not for mobile
packet-switched systems. The terms user expectation, grade of service and so on need to be defined.
To find these parameters it is important to have an accurate traffic model that delivers good traffic
estimates.
In this thesis we carried out measurements in a live 3G core network of an Austrian operator, in
order to find appropriate models that can serve as a solid basis for traffic simulations.
A requirement for this work was a measurement system, which is able to capture and decode
network traffic on various interfaces of the mobile core network. Such a system was established within
the METAWIN system. Our results are based on this setup.
The work can be split into three parts. First, we studied the service usage on a per user and
session base separately for UMTS and GPRS. This analysis revealed that the service usage for UMTS
and GPRS is gradually becoming more and more similar and that the main application in terms of
transfered bytes is HTTP. Nevertheless, the main application in terms of handsets is WAP. As seen in
many network measurements a small fraction of the subscribers generates the majority of the traffic.
In a second step we derived traffic models at flow level for UDP/TCP, HTTP, WAP 1.x and WAP
2.0. The TCP and HTTP flows follow a heavy-tailed behavior as expected from wireline measurements.
However, UDP andWAP flows showed no heavy-tail effects. Many properties of the mobile flows follow
the same distributions as in wireline networks.
Third, we designed several source level traffic models. These models allow a better understanding
of the user interaction and network settings. In the case of HTTP and FTP we updated the parameters
of existing models in order to meet our requirements. The mobile Internet access features high RTTs,
so we modified existing e-mail models to reproduce traffic at a better granularity. In order to provide
models for upcoming applications we designed three models for online games and a push to talk
implementation.

Der Wunsch nach einem Modell f¨ur den durch die Benutzer erzeugten Verkehr reicht zur¨uck
bis zu den Anf¨angen der kommerziellen Telefonie. Die Einf¨uhrung der dritten Generation der
Mobilfunktechnik (UMTS) beziehungsweise die Weiterentwicklung der zweiten Generation haben den
Schwerpunkt der angebotenen Dienste von Sprache zu paketvermittelten Diensten verschoben. Im
Gegensatz zu Sprachdiensten, wo seit Jahrzehnten bew¨ahrte Modelle verwendet werden, gibt es f¨ur
paketvermittelte Dienste keine Verkehrsmodelle, welche auf ein mobiles Szenario zugeschnitten w¨aren.
In dieser Arbeit haben wir die Messungen aus einem im operativen Betrieb befindlichen Mobilfunktnetz
der dritten Generation herangezogen, um den Verkehr zu analysieren und in Folge passende
Modelle zu entwerfen.
Die Basis unserer Arbeit bildet das METAWIN System. Dieses erlaubt es, auf verschiedenen
Schnittstellen des Mobilfunktnetzes Paketdaten aufzuzeichnen und dann je Benutzer und Sitzung
auszuwerten.
Wir haben die Arbeit in drei Bereiche gegliedert. Der erste Bereich befasst sich mit der Analyse
des Benutzerverhaltens bezogen auf die verwendeten Dienste in UMTS und GPRS. Es hat sich gezeigt,
dass die Hauptanwendung, bezogen auf das erzeugte Volumen, in beiden Netzen HTTP ist. Setzt man
hingegen die Anzahl der involvierten Endger¨ate als Massstab f¨ur die Wichtigkeit eines Dienstes, so
sind die verschiedenen Versionen von WAP am wichtigsten. ¨ Ahnlich wie es sich in fr¨uheren Messungen
an Festnetzkunden gezeigt hat, erzeugt ein kleiner Anteil der Kunden den Großteil der anfallenden
Verkehrslasten.
In einem weiteren Schritt haben wir Verkehrsmodelle auf Basis von Dienstfl¨ussen erstellt. Wir
haben dabei eine Auswahl der wichtigsten Dienste herausgegriffen: TCP/UDP, HTTP und WAP.
Die Verteilungen f¨ur HTTP und TCP zeigen, ¨ahnlich wie im Festnetz, eine sogenannte heavy tail
Eigenschaft, w¨ahrend die anderen Dienste diese Eigenschaft nicht haben. Die Eigenschaften von
UMTS und GPRS unterscheiden sich kaum, offenkundig reagieren diese Eigenschaften nicht auf die
unterschiedlichen physikalischen Netzwerkparameter.
In dritten und letzten Schritt haben wir f¨ur einige der Topdienste separate Verkehrmodelle entworfen.
Im Falle von HTTP und FTP haben wir die Parameter von existierenden Modellen an
unsere Daten angepasst. F¨ur den Maildienst haben wir gezeigt, dass man im Falle eines Internetzugangs
mit hohen Latenzzeiten den Authentifizierungsvorgang detailiert nachbilden muss, um eine
hohe Genauigkeit zu erhalten. Die drei Modelle f¨ur Dienste, aus dem Bereich der Onlinespiele dienen
als Grundlage f¨ur zuk¨unftige Dienste die mit steigender Leistungf¨ahigkeit der Funkschnittstelle ¨uber
kurz oder lang auch Einzug in der mobilen Welt finden werden. Ein Modell f¨ur Push to Talk Dienste
rundet die Analyse ab.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_170755.pdf