Applications of Soft Computing in Mobile and Wireless Communications

Soft computing is a synergistic combination of artificial intelligence methodologies to model and solve real world problems that are either impossible or too difficult to model mathematically. Furthermore, the use of conventional modeling techniques demands rigor, precision and certainty, which carry computational cost. On the other hand, soft computing utilizes computation, reasoning and inference to reduce computational cost by exploiting tolerance for imprecision, uncertainty, partial truth and approximation. In addition to computational cost savings, soft computing is an excellent platform for autonomic computing, owing to its roots in artificial intelligence. Wireless communication networks are associated with much uncertainty and imprecision due to a number of stochastic processes such as escalating number of access points, constantly changing propagation channels, sudden variations in network load and random mobility of users. This reality has fuelled numerous applications of soft computing techniques in mobile and wireless communications. This paper reviews various applications of the core soft computing methodologies in mobile and wireless communications

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

Simulated Annealing for Location Area Planning in Cellular networks

LA planning in cellular network is useful for minimizing location management cost in GSM network. In fact, size of LA can be optimized to create a balance between the LA update rate and expected paging rate within LA. To get optimal result for LA planning in cellular network simulated annealing algorithm is used. Simulated annealing give optimal results in acceptable run-time.Comment: 7 Pages, JGraph-Hoc Journa

A Soft Computing Approach to Dynamic Load Balancing in 3GPP LTE

A major objective of the 3GPP LTE standard is the provision of high-speed data services. These services must be guaranteed under varying radio propagation conditions, to stochastically distributed mobile users. A necessity for determining and regulating the traffic load of eNodeBs naturally ensues. Load balancing is a self-optimization operation of self-organizing networks (SON). It aims at ensuring an equitable distribution of users in the network. This translates into better user satisfaction and a more efficient use of network resources. Several methods for load balancing have been proposed. Most of the algorithms are based on hard (traditional) computing which does not utilize the tolerance for precision of load balancing. This paper proposes the use of soft computing, precisely adaptive Neuro-fuzzy inference system (ANFIS) model for dynamic QoS aware load balancing in 3GPP LTE. The use of ANFIS offers learning capability of neural network and knowledge representation of fuzzy logic for a load balancing solution that is cost effective and closer to human intuitio

MODELS FOR GREENFIELD AND INCREMENTAL CELLULAR NETWORK PLANNING

Mobility, as provided in cellular networks, is largely affected by the location of the base stations. To a large extent, the location of base stations is determined by the quantity of base stations available to provide coverage. It is therefore not surprising that the quantity and subsequent location of base stations will not only impact service delivery but also have a large associated cost for implementation. Generally, the higher the quantity of base stations required to provide coverage, the greater the cost of implementation and operation of the radio network. This thesis proposes a modified optimization model to aid the cell planning process. This model, unlike those surveyed, is applicable to both green field and incremental network designs. The variation in model design is fundamental in ensuring cost effective growth and expansion of cellular networks. Numerical studies of the modified model applied to both abstract and real system configurations are carried out using MATLAB. Terrain data from Kampala, Uganda, was used to aid the study. Results show that the antenna height significantly determines the solution of the objective function. In addition, it is shown that slight variations in the cost association between the antenna height and the site construction requirements can be decisively used for predefined targeted network planning. A comparison is also made between an actual network installation and the estimates provided by the model. As expected, results from the study show that the difference between the estimated count and the actual count can be adEquately minimized by slight variations in antenna height requirements

Self-optimization of pilot power in enterprise femtocells using multi objective heuristic

Deployment of a large number of femtocells to jointly provide coverage in an enterprise environment raises critical challenges especially in future self-organizing networks which rely on plug-and-play techniques for configuration. This paper proposes a multi-objective heuristic based on a genetic algorithm for a centralized self-optimizing network containing a group of UMTS femtocells. In order to optimize the network coverage in terms of handled load, coverage gaps, and overlaps, the algorithm provides a dynamic update of the downlink pilot powers of the deployed femtocells. The results demonstrate that the algorithm can effectively optimize the coverage based on the current statistics of the global traffic distribution and the levels of interference between neighboring femtocells. The algorithm was also compared with the fixed pilot power scheme. The results show over fifty percent reduction in pilot power pollution and a significant enhancement in network performance. Finally, for a given traffic distribution, the solution quality and the efficiency of the described algorithm were evaluated by comparing the results generated by an exhaustive search with the same pilot power configuration