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Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics
La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas
décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones
y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los
servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio
de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una
rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming,
online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios
se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances
tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación
y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y
recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc.
Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de
los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias
nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas
tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por
servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre
los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El
servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores,
así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados
por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador,
por parte de todos los usuarios.
El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en
equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión
como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo
se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos
para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de
comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de
optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías
móviles existentes (OSDP).
El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados
del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican
en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera
(3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles
de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios
de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha
móvil.
La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto
de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es
hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión
en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente
entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda
generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta,
mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión
de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo
de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G.
Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el
desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las
tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así
como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a
partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda
de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes
de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes
de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado
la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos
módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión
de servicios.
Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo
todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo,
prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos
proyectos de regulación
Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics
La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas
décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones
y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los
servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio
de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una
rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming,
online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios
se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances
tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación
y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y
recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc.
Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de
los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias
nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas
tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por
servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre
los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El
servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores,
así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados
por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador,
por parte de todos los usuarios.
El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en
equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión
como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo
se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos
para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de
comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de
optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías
móviles existentes (OSDP).
El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados
del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican
en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera
(3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles
de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios
de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha
móvil.
La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto
de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es
hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión
en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente
entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda
generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta,
mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión
de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo
de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G.
Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el
desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las
tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así
como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a
partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda
de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes
de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes
de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado
la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos
módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión
de servicios.
Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo
todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo,
prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos
proyectos de regulación
Mobile Networks
The growth in the use of mobile networks has come mainly with the third generation systems and voice traffic. With the current third generation and the arrival of the 4G, the number of mobile users in the world will exceed the number of landlines users. Audio and video streaming have had a significant increase, parallel to the requirements of bandwidth and quality of service demanded by those applications. Mobile networks require that the applications and protocols that have worked successfully in fixed networks can be used with the same level of quality in mobile scenarios. Until the third generation of mobile networks, the need to ensure reliable handovers was still an important issue. On the eve of a new generation of access networks (4G) and increased connectivity between networks of different characteristics commonly called hybrid (satellite, ad-hoc, sensors, wired, WIMAX, LAN, etc.), it is necessary to transfer mechanisms of mobility to future generations of networks. In order to achieve this, it is essential to carry out a comprehensive evaluation of the performance of current protocols and the diverse topologies to suit the new mobility conditions
Contribution to resource management in cellular access networks with limited backhaul capacity
La interfaz radio de los sistemas de comunicaciones móviles es normalmente considerada como
la única limitación de capacidad en la red de acceso radio. Sin embargo, a medida que se van
desplegando nuevas y más eficientes interfaces radio, y de que el tráfico de datos y multimedia va
en aumento, existe la creciente preocupación de que la infraestructura de transporte (backhaul) de
la red celular pueda convertirse en el cuello de botella en algunos escenarios. En este contexto, la
tesis se centra en el desarrollo de técnicas de gestión de recursos que consideran de manera
conjunta la gestión de recursos en la interfaz radio y el backhaul. Esto conduce a un nuevo
paradigma donde los recursos del backhaul se consideran no sólo en la etapa de dimensionamiento,
sino que además son incluidos en la problemática de gestión de recursos.
Sobre esta base, el primer objetivo de la tesis consiste en evaluar los requerimientos de
capacidad en las redes de acceso radio que usan IP como tecnología de transporte, de acuerdo a las
recientes tendencias de la arquitectura de red. En particular, se analiza el impacto que tiene una
solución de transporte basada en IP sobre la capacidad de transporte necesaria para satisfacer los
requisitos de calidad de servicio en la red de acceso. La evaluación se realiza en el contexto de la
red de acceso radio de UMTS, donde se proporciona una caracterización detallada de la interfaz
Iub. El análisis de requerimientos de capacidad se lleva a cabo para dos diferentes escenarios:
canales dedicados y canales de alta velocidad. Posteriormente, con el objetivo de aprovechar
totalmente los recursos disponibles en el acceso radio y el backhaul, esta tesis propone un marco de
gestión conjunta de recursos donde la idea principal consiste en incorporar las métricas de la red de
transporte dentro del problema de gestión de recursos. A fin de evaluar los beneficios del marco de
gestión de recursos propuesto, esta tesis se centra en la evaluación del problema de asignación de
base, como estrategia para distribuir el tráfico entre las estaciones base en función de los niveles de
carga tanto en la interfaz radio como en el backhaul. Este problema se analiza inicialmente
considerando una red de acceso radio genérica, mediante la definición de un modelo analítico
basado en cadenas de Markov. Dicho modelo permite calcular la ganancia de capacidad que puede
alcanzar la estrategia de asignación de base propuesta. Posteriormente, el análisis de la estrategia
propuesta se extiende considerando tecnologías específicas de acceso radio. En particular, en el
contexto de redes WCDMA se desarrolla un algoritmo de asignación de base basado en simulatedannealing
cuyo objetivo es maximizar una función de utilidad que refleja el grado de satisfacción
de las asignaciones respecto los recursos radio y transporte. Finalmente, esta tesis aborda el diseño
y evaluación de un algoritmo de asignación de base para los futuros sistemas de banda ancha
basados en OFDMA. En este caso, el problema de asignación de base se modela como un problema
de optimización mediante el uso de un marco de funciones de utilidad y funciones de coste de
recursos. El problema planteado, que considera que existen restricciones de recursos tanto en la
interfaz radio como en el backhaul, es mapeado a un problema de optimización conocido como
Multiple-Choice Multidimensional Knapsack Problem (MMKP). Posteriormente, se desarrolla un
algoritmo de asignación de base heurístico, el cual es evaluado y comparado con esquemas de
asignación basados exclusivamente en criterios radio. El algoritmo concebido se basa en el uso de
los multiplicadores de Lagrange y está diseñado para aprovechar de manera simultánea el balanceo
de carga en la intefaz radio y el backhaul.Postprint (published version
A traffic distribution scheme for 5G resilient backhauling using integrated satellite networks
© 2017 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Resilience and high availability are being
considered as essential requirements in 5G networks. To fullfil
these requirements, the integration of a satellite component
within mobile backhaul networks is regarded as a compelling
proposition to provide backup connectivity to critical cell sites
and divert traffic from congested areas so that a limited capacity
in their terrestrial links could be supplemented during peak-time
or even replaced in case of total/partial failure or maintenance.
Sustained in an architectural framework that enables the
integration and management of the satellite capacity as a
constituent part of a SDN-based traffic engineered mobile
backhaul network, this paper develops and assesses a traffic
distribution strategy that exploits the dynamically steerable
satellite capacity provisioned for resilience purposes to maximize
a network utility function under both failure and non-failure
conditions in the terrestrial links.Peer ReviewedPostprint (author's final draft
Cell capacity of LMDS systems in typical traffic scenarios
Broadband access and multimedia technologies are expected to be primary drivers for the telecommunications market of the next few years. The increasing bandwidth needs, together with the plethora of different services and heterogeneous traffic flows, requires accurate methodologies for resource dimensioning, especially in the field of wireless technologies where efficient bandwidth usage is crucial. New methodologies need to be based on up-to-date traffic source modeling and usage scenarios. Therefore, in this article we propose a survey of statistical characterization of single traffic sources, QoS requirements and different traffic demands. When possible, we consider the aggregate traffic resulting from a large number of heavy tailed ON/OFF sources, relying on the theory of long-range dependent flows. This method is particularly useful when time- and resource-consuming simulations are needed in order to dimension the system resources, which is always the case in the multimedia scenarios of future networks. We use such a traffic framework to estimate by simulations the capacity of an LMDS system
A new charging scheme for ATM based on QoS
PhDNew services are emerging rapidly within the world of telecommunications. Charging
strategies that were appropriate for individual transfer capabilities are no longer appropriate
for an integrated broadband communications network. There is currently a range of
technologies (such as cable television, telephony and narrow band ISDN) for the different
services in use and a limited number of charging schemes are applicable for each of the
underlying technologies irrespective of the services used over it. Difficulties arise when a
wide range of services has to be supported on the same integrated technology such as
asynchronous transfer mode (ATM); in such cases the type of service in use and the impact
it has on the network becomes much more important. The subject of this thesis, therefore,
is the charging strategies for integrated broadband communications networks. That is, the
identification of the requirements associated with ATM charging schemes and the proposal
of a new approach to charging for ATM called the “quality of service based charging
scheme”.
Charging for ATM is influenced by three important components: the type and content of a
service being offered; the type of customer using the services; and the traffic characteristics
belonging to the application supporting the services. The first two issues will largely be
dependent on the business and regulatory requirements of the operators. The last item, and
an essential one for ATM, is the bridge between technology and business; how are the
resources used by a service quantified? Charging that is based on resource usage at the
network level was the prime focus of the research reported here.
With the proposed charging scheme, a distinction is first made between the four different
ATM transfer capabilities that will support various services and the different quality of
service requirements that may be applicable to each of them. Then, resources are
distributed among buffers set-up to support the combination of these transfer capabilities
and quality of services. The buffers are dimensioned according to the M/D/1/K and the
ND/D/1 queuing analysis to determine the buffer efficiency and quality of service
requirements. This dimensioning provides the basis for fixing the price per unit of resource
and time. The actual resource used by a connection is based on the volume of cells
transmitted or peak cell rate allocation in combination with traffic shapers if appropriate.
Shapers are also dimensioned using the quality of service parameters. Since the buffer
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efficiency is dependent on the quality of service requirements, users (customers) of ATM
networks buy quality of service. The actual price of a connection is further subjected to a
number of transformations based on the size of the resource purchased, the time of the day
at which a connection is made, and the geographical locality of the destination switch.
It is demonstrated that the proposed charging scheme meets all the requirements of
customers and of network operators. In addition the result of the comparison of the new
scheme with a number of existing, prominent, ATM charging schemes is presented,
showing that the performance of the proposed scheme is better in terms of meeting the
expectations of both the customers and the network operators
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