A Grouping Harmony Search Algorithm for Assigning Resources to Users in WCDMA Mobile Networks

This paper explores the feasibility of a particular implemen- tation of a Grouping Harmony Search (GHS) algorithm to assign re- sources (codes, aggregate capacity, power) to users in Wide-band Code Division Multiple Access (WCDMA) networks. We use a problem for- mulation that takes into account a detailed modeling of loads factors, including all the interference terms, which strongly depend on the as- signment to be done. The GHS algorithm aims at minimizing a weighted cost function, which is composed of not only the detailed load factors but also resource utilization ratios (for aggregate capacity, codes, power), and the fraction of users without service. The proposed GHS is based on a particular encoding scheme (suitable for the problem formulation) and tailored Harmony Memory Considering Rate and Pitch Adjusting Rate processes. The experimental work shows that the proposed GHS algorithm exhibits a superior performance than that of the conventional approach, which minimizes only the load factors

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

Contribución a la planificación sistémica de redes móviles 4G

El objetivo de esta Tesis consiste en el diseño, implementación y prueba de algoritmos, tanto convencionales –utilizados actualmente en la industria– como otros novedosos basados en Computación Evolutiva, que constituyan una contribución novedosa a la planificación sistémica de redes móviles LTE. En particular, se centra en el dimensionamiento estratégico de la red de acceso de LTE, debido a que constituye aproximadamente el 60% de la inversión total, e incluso una parte más elevada de los gastos OPEX (operating expense). La Tesis establece una novedosa propuesta para el problema de asignación o asociación de usuarios a eNBs (evolved NBs) en LTE. La contribución es este aspecto es doble: por un lado, se plantea un nuevo método para asociar N_U usuarios a N_B eNBs en redes LTE. Consiste éste en modelar la asociación usuario-eNB como un problema de optimización combinatoria en el que la función a minimizar es una métrica novedosa conocida como “Tiempo de descarga total del sistema” –Download Time of the complete System (DTS). La minimización de DTS se traduce en una asignación de usuarios a celdas más eficiente que la que se consigue con métodos convencionales como el basado en maximizar CQI (Channel Quality Indicator) o en balanceo de carga (Load Balancing –LB–). Permite la asignación de usuarios desde celdas que, de otra forma, estarían sobrecargadas a otras con menos carga. Esto tiene un doble beneficio, tanto para el operador como para los usuarios. Por una parte, ayudar al operador de red a utilizar sus recursos de una manera más equilibrada y rentable. Por otra parte, la estrategia propuesta reduce el tiempo de descarga para la mayoría de los usuarios, e introduce cierta equidad en el reparto de recursos. La minimización de DTS es un problema de gran complejidad computacional. Ésta es justamente la razón que ha motivado la segunda contribución de esta Tesis: abordar el problema de la minimización de DTS mediante un algoritmo evolutivo (EA). El aspecto más interesante del EA propuesto es la forma en la que se realiza la codificación de las soluciones (asignaciones usuario-celda) candidatas. El cromosoma es un vector de dimensión N_U en el que cada elemento representa un usuario. El elemento en la posición j contiene cierta información sobre el usuario u_j. Esa información es un número entero que representa a qué eNB de los N_U disponibles se ha asignado dicho usuario. Los operadores de mutación, cruce y selección se han diseñado para que puedan trabajar con esta codificación. El operador de cruce, en particular, es un torneo de todos contra todos. El otro aspecto novedoso de la implementación del algoritmo evolutivo propuesto se encuentra en la población inicial. Como se tiene información de una solución sub-óptima del problema (la proporcionada por el método convencional basado en CQI –que asigna un usuario al eNB para el cual tiene mejor CQI–), se incluye ésta en la población inicial, y el resto de los individuos se genera, básicamente, aplicando los operadores de mutación y cruce sobre esa solución. En cualquier caso, la solución encontrada (asociación de cada usuario a un eNB) es mejor (menor DTS) que la asignación realizada con métodos convencionales. El segundo conjunto de contribuciones de la Tesis consiste en el diseño de una herramienta de planificación estratégica LTE, centrada en el proceso de dimensionado de red en un entorno multiusuario y multiservicio, y en la que se ha integrado en módulo EA de asociación usuario-eNB. Mediante esta integración, dicha herramienta, permite realizar comparativas entre el enfoque propuesto de asignación en base al EA y otros métodos convencionales, integrados en la herramienta, como los basados en CQI y en LB. En concreto, la herramienta tiene (1) una parametrización sencilla y eficaz de los múltiples parámetros de entrada y de la ubicación inicial de los eNB, que (2) permite simular un entorno multi-servicio y multi-usuario, empleando (3) diferentes algoritmos de asociación usuario-eNB –como el propuesto en la Tesis– y (4) varios algoritmos de scheduling, de forma que (5) se garantiza el cumplimiento del requisito de Velocidad de Descarga Mínima de cada servicio. Para cumplir los requisitos (1)–(5), la herramienta calcula la velocidad media de los servicios ofertados, teniendo en cuenta los tiempos de descarga de cada uno de los usuarios. Si con el número de eNB, calculados previamente, se cumple el requisito de velocidad demandada por los distintos servicios simulados, entonces se dará́ por válido dicho valor. En caso de incumplimiento, se añaden eNBs de forma iterativa hasta cumplir el requisito anterior. Ninguna de las herramientas disponibles en el mercado, tanto comerciales como basadas en software libre, es capaz de cumplir estos requisitos. Para cuantificar en qué medida la herramienta desarrollada, en general, y nuestra propuesta de asignación usuario-celda, en particular, son útiles en el dimensionamiento de LTE, se han llevado a cabo un conjunto amplio y variado de simulaciones, en diferentes escenarios realistas, tanto urbano como urbano denso, y se han comparado con dos métodos de asignación usuario-celda convencionales basados en CQI y en LB. Estos experimentos muestran que el método propuesto supera claramente a los convencionales, especialmente en áreas urbanas y urbana densa (entornos donde la asignación es más crítica en términos de capacidad) con macro-celdas de LTE, e incluso, en escenarios que modelan redes heterogéneas y ultra densas. La herramienta y los algoritmos que se proponen en esta tesis pueden ayudar a los operadores a mejorar sus diseños previos al despliegue y a cuantificar la mejora potencial que se conseguiría en la red al añadir un nuevo nodo. Los resultados de la investigación realizada en la Tesis se han publicando en varias revistas y congresos internacionales

Benefits and limits of machine learning for the implicit coordination on SON functions

Bedingt durch die Einführung neuer Netzfunktionen in den Mobilfunknetzen der nächsten Generation, z. B. Slicing oder Mehrantennensysteme, sowie durch die Koexistenz mehrerer Funkzugangstechnologien, werden die Optimierungsaufgaben äußerst komplex und erhöhen die OPEX (OPerational EXpenditures). Um den Nutzern Dienste mit wettbewerbsfähiger Dienstgüte (QoS) zu bieten und gleichzeitig die Betriebskosten niedrig zu halten, wurde von den Standardisierungsgremien das Konzept des selbstorganisierenden Netzes (SON) eingeführt, um das Netzmanagement um eine Automatisierungsebene zu erweitern. Es wurden dafür mehrere SON-Funktionen (SFs) vorgeschlagen, um einen bestimmten Netzbereich, wie Abdeckung oder Kapazität, zu optimieren. Bei dem konventionellen Entwurf der SFs wurde jede Funktion als Regler mit geschlossenem Regelkreis konzipiert, der ein lokales Ziel durch die Einstellung bestimmter Netzwerkparameter optimiert. Die Beziehung zwischen mehreren SFs wurde dabei jedoch bis zu einem gewissen Grad vernachlässigt. Daher treten viele widersprüchliche Szenarien auf, wenn mehrere SFs in einem mobilen Netzwerk instanziiert werden. Solche widersprüchlichen Funktionen in den Netzen verschlechtern die QoS der Benutzer und beeinträchtigen die Signalisierungsressourcen im Netz. Es wird daher erwartet, dass eine existierende Koordinierungsschicht (die auch eine Entität im Netz sein könnte) die Konflikte zwischen SFs lösen kann. Da diese Funktionen jedoch eng miteinander verknüpft sind, ist es schwierig, ihre Interaktionen und Abhängigkeiten in einer abgeschlossenen Form zu modellieren. Daher wird maschinelles Lernen vorgeschlagen, um eine gemeinsame Optimierung eines globalen Leistungsindikators (Key Performance Indicator, KPI) so voranzubringen, dass die komplizierten Beziehungen zwischen den Funktionen verborgen bleiben. Wir nennen diesen Ansatz: implizite Koordination. Im ersten Teil dieser Arbeit schlagen wir eine zentralisierte, implizite und auf maschinellem Lernen basierende Koordination vor und wenden sie auf die Koordination zweier etablierter SFs an: Mobility Robustness Optimization (MRO) und Mobility Load Balancing (MLB). Anschließend gestalten wir die Lösung dateneffizienter (d. h. wir erreichen die gleiche Modellleistung mit weniger Trainingsdaten), indem wir eine geschlossene Modellierung einbetten, um einen Teil des optimalen Parametersatzes zu finden. Wir nennen dies einen "hybriden Ansatz". Mit dem hybriden Ansatz untersuchen wir den Konflikt zwischen MLB und Coverage and Capacity Optimization (CCO) Funktionen. Dann wenden wir ihn auf die Koordinierung zwischen MLB, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) und Energy Savings (ES) Funktionen an. Schließlich stellen wir eine Möglichkeit vor, MRO formal in den hybriden Ansatz einzubeziehen, und zeigen, wie der Rahmen erweitert werden kann, um anspruchsvolle Netzwerkszenarien wie Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) abzudecken.Due to the introduction of new network functionalities in next-generation mobile networks, e.g., slicing or multi-antenna systems, as well as the coexistence of multiple radio access technologies, the optimization tasks become extremely complex, increasing the OPEX (OPerational EXpenditures). In order to provide services to the users with competitive Quality of Service (QoS) while keeping low operational costs, the Self-Organizing Network (SON) concept was introduced by the standardization bodies to add an automation layer to the network management. Thus, multiple SON functions (SFs) were proposed to optimize a specific network domain, like coverage or capacity. The conventional design of SFs conceived each function as a closed-loop controller optimizing a local objective by tuning specific network parameters. However, the relationship among multiple SFs was neglected to some extent. Therefore, many conflicting scenarios appear when multiple SFs are instantiated in a mobile network. Having conflicting functions in the networks deteriorates the users’ QoS and affects the signaling resources in the network. Thus, it is expected to have a coordination layer (which could also be an entity in the network), conciliating the conflicts between SFs. Nevertheless, due to interleaved linkage among those functions, it is complex to model their interactions and dependencies in a closed form. Thus, machine learning is proposed to drive a joint optimization of a global Key Performance Indicator (KPI), hiding the intricate relationships between functions. We call this approach: implicit coordination. In the first part of this thesis, we propose a centralized, fully-implicit coordination approach based on machine learning (ML), and apply it to the coordination of two well-established SFs: Mobility Robustness Optimization (MRO) and Mobility Load Balancing (MLB). We find that this approach can be applied as long as the coordination problem is decomposed into three functional planes: controllable, environmental, and utility planes. However, the fully-implicit coordination comes at a high cost: it requires a large amount of data to train the ML models. To improve the data efficiency of our approach (i.e., achieving good model performance with less training data), we propose a hybrid approach, which mixes ML with closed-form models. With the hybrid approach, we study the conflict between MLB and Coverage and Capacity Optimization (CCO) functions. Then, we apply it to the coordination among MLB, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC), and Energy Savings (ES) functions. With the hybrid approach, we find in one shot, part of the parameter set in an optimal manner, which makes it suitable for dynamic scenarios in which fast response is expected from a centralized coordinator. Finally, we present a manner to formally include MRO in the hybrid approach and show how the framework can be extended to cover challenging network scenarios like Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC)

Intelligent Circuits and Systems

ICICS-2020 is the third conference initiated by the School of Electronics and Electrical Engineering at Lovely Professional University that explored recent innovations of researchers working for the development of smart and green technologies in the fields of Energy, Electronics, Communications, Computers, and Control. ICICS provides innovators to identify new opportunities for the social and economic benefits of society.　 This conference bridges the gap between academics and R&D institutions, social visionaries, and experts from all strata of society to present their ongoing research activities and foster research relations between them. It provides opportunities for the exchange of new ideas, applications, and experiences in the field of smart technologies and finding global partners for future collaboration. The ICICS-2020 was conducted in two broad categories, Intelligent Circuits & Intelligent Systems and Emerging Technologies in Electrical Engineering

Innovation and the economic performance of the primary information sector: a multidisciplinary approach

The aim of this research is to understand and compare the implications of recent technical changes for the development and performance of three key component sub-sectors of the primary information sector (PIS): the Information and Communication Technology supply industries; Telecommunications services and Media services. In this study, the author first reviews the most important economic theories explaining the links between technical change or progress and economic performance (i.e. Neoclassical and Neo- Schumpeterian / Evolutionary), as well as the relatively recent “New Economy” writings about the latest wave of technological innovations. Secondly, the author adopts an historical and evolutionary approach to examine the evolution of three main groups of activities representing the PIS industries in the case of the USA. The study provides an account of the main technical innovations but also the regulatory, organisational, managerial and stylistic changes that follow and complete these innovations. These changes contribute to the creation of new industries and markets and, in a fundamental way to the harvesting of their benefits. Three key groups of activities are taken as case studies for empirical and historical analyses: first, the computer industry, second, the wireline telecommunication industry, and third, the audiovisual content and distribution media services. In the case of the computer and media content industries, while providing an account of the links between innovations and economic performance, the study also examines the evolution from manufacturing-type activities into activities better described as services. In the case of the wireline telecommunication industries, the author highlights the separation of different activities into different modules and highlights the role of the regulator as current “system integrator”. The perspective adopted in this research is critical of those approaches that rely on mainstream economics to provide the main framework for explaining the effect of technical change on the economic performance of these sectors. This study, rather, emphasises the necessity of using a variety of theories to explain the evolution of these sectors. In addition to an historical and evolutionary approach, this study proposes a re-defined version of Baumol’s theory of cost disease (based on a notion of “creative inputs”). It also draws on relevant aspects of the service economics literature and modularity theories (defined as a subset of theories within the Complex Evolving Systems’ school of thought)