Modelling and performance evaluation of wireless and mobile communication systems in heterogeneous environments

It is widely expected that next generation wireless communication systems will be heterogeneous, integrating a wide variety of wireless access networks. Of particular interest recently is the integration of cellular networks (GSM, GPRS, UMTS, EDGE and LTE) and wireless local area networks (WLANs) to provide complementary features in terms of coverage, capacity and mobility support. These different networks will work together using vertical handover techniques and hence understanding how well these mechanisms perform is a significant issue. In this thesis, these networks are modelled to yield performance results such as mean queue lengths and blocking probabilities over a range of different conditions. The results are then analysed using network constraints to yield operational graphs based on handover probabilities to different networks. Firstly, individual networks with horizontal handover are analysed using performability techniques. The thesis moves on to look at vertical handovers between cellular networks using pure performance models. Then the integration of cellular networks and WLAN is considered. While analysing these results it became clear that the common models that were being used were subjected to handover hysteresis resulting from feedback loops in the model. A new analytical model was developed which addressed this issue but was shown to be problematic in developing state probabilities for more complicated scenarios. Guard channels analysis, which is normally used to give priority to handover traffic in mobile networks, was employed as a practical solution to the observed handover hysteresis. Overall, using different analytical techniques as well as simulation, the results of this work form an important part in the design and development of future mobile systems

EVEREST IST - 2002 - 00185 : D23 : final report

Deliverable públic del projecte europeu EVERESTThis deliverable constitutes the final report of the project IST-2002-001858 EVEREST. After its successful completion, the project presents this document that firstly summarizes the context, goal and the approach objective of the project. Then it presents a concise summary of the major goals and results, as well as highlights the most valuable lessons derived form the project work. A list of deliverables and publications is included in the annex.Postprint (published version

Quality of Service Differentiation in Heterogeneous CDMA Networks : A Mathematical Modelling Approach

Next-generation cellular networks are expected to enable the coexistence of macro and small cells, and to support differentiated quality-of-service (QoS) of mobile applications. Under such conditions in the cell, due to a wide range of supported services and high dependencies on efficient vertical and horizontal handovers, appropriate management of handover traffic is very crucial. Furthermore, new emerging technologies, such as cloud radio access networks (C-RAN) and self-organizing networks (SON), provide good implementation and deployment opportunities for novel functions and services. We design a multi-threshold teletraffic model for heterogeneous code division multiple access (CDMA) networks that enable QoS differentiation of handover traffic when elastic and adaptive services are present. Facilitated by this model, it is possible to calculate important performance metrics for handover and new calls, such as call blocking probabilities, throughput, and radio resource utilization. This can be achieved by modelling the cellular CDMA system as a continuous-time Markov chain. After that, the determination of state probabilities in the cellular system can be performed via a recursive and efficient formula. We present the applicability framework for our proposed approach, that takes into account advances in C-RAN and SON technologies. We also evaluate the accuracy of our model using simulations and find it very satisfactory. Furthermore, experiments on commodity hardware show algorithm running times in the order of few hundreds of milliseconds, which makes it highly applicable for accurate cellular network dimensioning and radio resource management

Connectivity Management for HetNets based on the Principles of Autonomicity and Context-Awareness

Στο περιβάλλον του Διαδικτύου του Μέλλοντος, η Πέμπτη γενιά (5G) δικτύων έχει ήδη αρχίσει να καθιερώνεται. Τα δίκτυα 5G αξιοποιούν υψηλότερες συχνότητες παρέχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ενώ υποστηρίζουν εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα σε σταθμούς βάσης και κινητές συσκευές, σχηματίζοντας ένα περιβάλλον ετερογενών δικτύων, το οποίο στοχεύει στο να καλυφθούν οι απαιτήσεις της απόδοσης ως προς την μικρότερη δυνατή συνολική χρονοκαθυστέρηση και κατανάλωση ενέργειας. Η αποδοτική διαχείριση της συνδεσιμότητας σε ένα τόσο ετερογενές δικτυακό περιβάλλον αποτελεί ανοιχτό πρόβλημα, με σκοπό να υποστηρίζεται η κινητικότητα των χρηστών σε δίκτυα διαφορετικών τεχνολογιών και βαθμίδων, αντιμετωπίζοντας θέματα πολυπλοκότητας και διαλειτουργικότητας, υποστηρίζοντας τις απαιτήσεις των τρεχουσών εφαρμογών και των προτιμήσεων των χρηστών και διαχειρίζοντας ταυτόχρονα πολλαπλές δικτυακές διεπαφές. Η συλλογή, η μοντελοποίηση, η διεξαγωγή συμπερασμάτων και η κατανομή πληροφορίας περιεχομένου σε σχέση με δεδομένα αισθητήρων θα παίξουν κρίσιμο ρόλο σε αυτήν την πρόκληση. Με βάση τα παραπάνω, κρίνεται σκόπιμη η αξιοποίηση των αρχών της επίγνωσης περιεχομένου και της αυτονομικότητας, καθώς επιτρέπουν στις δικτυακές οντότητες να είναι ενήμερες του εαυτού τους και του περιβάλλοντός τους, καθώς και να αυτοδιαχειρίζονται τις λειτουργίες τους ώστε να πετυχαίνουν συγκεκριμένους στόχους. Επιπλέον, χρειάζεται ακριβής ποσοτική αξιολόγηση της απόδοσης λύσεων διαχείρισης της συνδεσιμότητας για ετερογενή δίκτυα, οι οποίες παρουσιάζουν διαφορετικές στρατηγικές επίγνωσης περιβάλλοντος, απαιτώντας μια μεθοδολογία που να είναι περιεκτική και γενικά εφαρμόσιμη ώστε να καλύπτει διαφορετικές προσεγγίσεις, καθώς οι υπάρχουσες μεθοδολογίες στην βιβλιογραφία είναι σχετικά περιορισμένες. Tο σύνολο της μελέτης επικεντρώνεται σε δύο θεματικούς άξονες. Στο πρώτο θεματικό μέρος της διατριβής, αναλύεται ο ρόλος της επίγνωσης περιβάλλοντος και της αυτονομικότητας, σε σχέση με την διαχείριση της συνδεσιμότητας, αναπτύσσοντας ένα πλαίσιο ταξινόμησης και κατηγοριοποίησης, επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Με βάση το προαναφερθέν πλαίσιο, ταξινομήθηκαν και αξιολογήθηκαν λύσεις για την υποστήριξη της κινητικότητας σε ετερογενή δίκτυα, οι οποίες δύνανται να θεωρηθούν ότι παρουσιάζουν επίγνωση περιβάλλοντος και αυτο-διαχειριστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, μελετήθηκε κατά πόσον οι αποφάσεις που λαμβάνονται ως προς την επιλογή του κατάλληλου δικτύου, σύμφωνα με την κάθε λύση, είναι αποτελεσματικές και προτάθηκαν τρόποι βελτιστοποίησης των υπαρχουσών αρχιτεκτονικών, καθώς και προτάσεων προς περαιτέρω ανάπτυξη σχετικών μελλοντικών λύσεων. Στο δεύτερο θεματικό μέρος της διατριβής, αναπτύχθηκε μια ευέλικτη αναλυτική μεθοδολογία, περιλαμβάνοντας όλους τους παράγοντες που μπορούν να συνεισφέρουν στην συνολική χρονοκαθυστέρηση, λαμβάνοντας υπόψιν την σηματοδοσία, την επεξεργαστική επιβάρυνση και την συμφόρηση (μελέτη ουράς), επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Η μεθοδολογία είναι περιεκτική, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει κλειστού τύπου λύσεις και έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται σε διαφορετικές προσεγγίσεις. Προς απόδειξη αυτού, εφαρμόσαμε την μεθοδολογία σε δύο λύσεις με διαφορετική στρατηγική επίγνωσης περιβάλλοντος (μια μεταδραστική και μια προδραστική). Και για τις δύο προσεγγίσεις, τα αναλυτικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια της αναλυτικής μεθοδολογίας. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η προδραστική προσέγγιση εμφανίζει καλύτερη απόδοση ως προς την συνολική χρονοκαθυστέρηση, ενώ χρειάζεται σημαντικά λιγότερους επεξεργαστικούς πόρους, παρουσιάζοντας πιθανά οφέλη και στην συνολική ενεργειακή κατανάλωση και στα λειτουργικά και κεφαλαιουχικά κόστη (OPEX και CAPEX)

A survey of self organisation in future cellular networks

This article surveys the literature over the period of the last decade on the emerging field of self organisation as applied to wireless cellular communication networks. Self organisation has been extensively studied and applied in adhoc networks, wireless sensor networks and autonomic computer networks; however in the context of wireless cellular networks, this is the first attempt to put in perspective the various efforts in form of a tutorial/survey. We provide a comprehensive survey of the existing literature, projects and standards in self organising cellular networks. Additionally, we also aim to present a clear understanding of this active research area, identifying a clear taxonomy and guidelines for design of self organising mechanisms. We compare strength and weakness of existing solutions and highlight the key research areas for further development. This paper serves as a guide and a starting point for anyone willing to delve into research on self organisation in wireless cellular communication networks

An analytical approach for performance analysis of handoffs in the next generation integrated cellular networks and WLANs

The main feature of the next generation wireless communication systems is the ability to establish ubiquitous and seamless access to various radio access technologies (RATs) and standards. For this reason the integration of cellular and wireless local area networks (WLANs) and performance evaluation of the interaction between these technologies is now an important research area. Modelling such systems for performance evaluation is essential to improve the architecture according to the quality ofbservice (QoS) requirements and performance characteristics. In this paper, an analytical model for performance evaluation of an integrated cellular network and a WLAN is considered. WLAN is deployed inside of the cellular network to support handoffs between cellular networks with higher bandwidth. Such an integrated system can be modelled as a two stage open network. An analytical model is proposed together with an exact solution technique in order to evaluate the performance of an integrated system consisting of a cellular network and a WLAN. A two stage queuing system is considered for this purpose. Numerical results are presented for mean queue length values of cellular system as well as the WLAN

Queueing Networks for Vertical Handover

PhDIt is widely expected that next-generation wireless communication systems will be heterogeneous, integrating a wide variety of wireless access networks. Of particular interest recently is a mix of cellular networks (GSM/GPRS and WCDMA) and wireless local area networks (WLANs) to provide complementary features in terms of coverage, capacity and mobility support. If cellular/ WLAN interworking is to be the basis for a heterogeneous network then the analysis of complex handover traffic rates in the system (especially vertical handover) is one of the most essential issues to be considered. This thesis describes the application of queueing-network theory to the modelling of this heterogeneous wireless overlay system. A network of queues (or queueing network) is a powerful mathematical tool in the performance evaluation of many large-scale engineering systems. It has been used in the modelling of hierarchically structured cellular wireless networks with much success, including queueing network modelling in the study of cellular/ WLAN interworking systems. In the process of queueing network modelling, obtaining the network topology of a system is usually the first step in the construction of a good model, but this topology analysis has never before been used in the handover traffic study in heterogeneous overlay wireless networks. In this thesis, a new topology scheme to facilitate the analysis of handover traffic is proposed. The structural similarity between hierarchical cellular structure and heterogeneous wireless overlay networks is also compared. By replacing the microcells with WLANs in a hierarchical structure, the interworking system is modelled as an open network of Erlang loss systems and with the new topology, the performance measures of blocking probabilities and dropping probabilities can be determined. Both homogeneous and non-homogeneous traffic have been considered, circuit switched and packet-switched. Example scenarios have been used to validate the models, the numerical results showing clear agreement with the known validation scenarios