Real-time dynamic spectrum management for multi-user multi-carrier communication systems

Dynamic spectrum management is recognized as a key technique to tackle interference in multi-user multi-carrier communication systems and networks. However existing dynamic spectrum management algorithms may not be suitable when the available computation time and compute power are limited, i.e., when a very fast responsiveness is required. In this paper, we present a new paradigm, theory and algorithm for real-time dynamic spectrum management (RT-DSM) under tight real-time constraints. Specifically, a RT-DSM algorithm can be stopped at any point in time while guaranteeing a feasible and improved solution. This is enabled by the introduction of a novel difference-of-variables (DoV) transformation and problem reformulation, for which a primal coordinate ascent approach is proposed with exact line search via a logarithmicly scaled grid search. The concrete proposed algorithm is referred to as iterative power difference balancing (IPDB). Simulations for different realistic wireline and wireless interference limited systems demonstrate its good performance, low complexity and wide applicability under different configurations.Comment: 14 pages, 9 figures. This work has been submitted to the IEEE for possible publicatio

Spectrum optimization in multi-user multi-carrier systems with iterative convex and nonconvex approximation methods

Several practical multi-user multi-carrier communication systems are characterized by a multi-carrier interference channel system model where the interference is treated as noise. For these systems, spectrum optimization is a promising means to mitigate interference. This however corresponds to a challenging nonconvex optimization problem. Existing iterative convex approximation (ICA) methods consist in solving a series of improving convex approximations and are typically implemented in a per-user iterative approach. However they do not take this typical iterative implementation into account in their design. This paper proposes a novel class of iterative approximation methods that focuses explicitly on the per-user iterative implementation, which allows to relax the problem significantly, dropping joint convexity and even convexity requirements for the approximations. A systematic design framework is proposed to construct instances of this novel class, where several new iterative approximation methods are developed with improved per-user convex and nonconvex approximations that are both tighter and simpler to solve (in closed-form). As a result, these novel methods display a much faster convergence speed and require a significantly lower computational cost. Furthermore, a majority of the proposed methods can tackle the issue of getting stuck in bad locally optimal solutions, and hence improve solution quality compared to existing ICA methods.Comment: 33 pages, 7 figures. This work has been submitted for possible publicatio

Energy-Aware Competitive Power Allocation for Heterogeneous Networks Under QoS Constraints

This work proposes a distributed power allocation scheme for maximizing energy efficiency in the uplink of orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA)-based heterogeneous networks (HetNets). The user equipment (UEs) in the network are modeled as rational agents that engage in a non-cooperative game where each UE allocates its available transmit power over the set of assigned subcarriers so as to maximize its individual utility (defined as the user's throughput per Watt of transmit power) subject to minimum-rate constraints. In this framework, the relevant solution concept is that of Debreu equilibrium, a generalization of Nash equilibrium which accounts for the case where an agent's set of possible actions depends on the actions of its opponents. Since the problem at hand might not be feasible, Debreu equilibria do not always exist. However, using techniques from fractional programming, we provide a characterization of equilibrial power allocation profiles when they do exist. In particular, Debreu equilibria are found to be the fixed points of a water-filling best response operator whose water level is a function of minimum rate constraints and circuit power. Moreover, we also describe a set of sufficient conditions for the existence and uniqueness of Debreu equilibria exploiting the contraction properties of the best response operator. This analysis provides the necessary tools to derive a power allocation scheme that steers the network to equilibrium in an iterative and distributed manner without the need for any centralized processing. Numerical simulations are then used to validate the analysis and assess the performance of the proposed algorithm as a function of the system parameters.Comment: 37 pages, 12 figures, to appear IEEE Trans. Wireless Commu

Passive optical network (PON) monitoring using optical coding technology

Les réseaux optiques passifs (PON) semblent être la technologie gagnante et ultime du futur pour les "fibres jusqu'au domicile" ayant une haute capacité. L'écoute de contrôle de ce genre de système est nécessaire pour s'assurer un niveau de qualité de service prédéterminé pour chaque client. En outre, l'écoute de contrôle réduit considérablement les dépenses en capital et de fonctionnement (CAPEX et OPEX), tant pour le fournisseur du réseau que les clients. Alors que la capacité des PON est croissante, les gestionnaires de réseau ne disposent pas encore d'une technologie efficace et appropriée pour l'écoute de contrôle des réseaux de capacité aussi élevée. Une variété de solutions a été proposée. Toutes ces dernières solutions ne sont pas pratiques à cause de leur faible capacité (nombre de clients), d'une faible évolutivité, d'une grande complexité et des défis technologiques. Plus important encore, la technologie souhaitable pour l'écoute de contrôle devrait être rentable car le marché des PON est très sensible aux coûts. Dans cette thèse, nous considérons l'application de la technologie du codage optique passif (OC) comme une solution prometteuse pour l'écoute de contrôle centralisée d'un réseau optique ramifié tels que les réseaux PON. Dans la première étape, nous développons une expression pour le signal détecté par l'écoute de contrôle et étudions ses statistiques. Nous trouvons une nouvelle expression explicite pour le rapport signal utile/signal brouillé (SIR) comme outil de mesure métrique de performance. Nous considérons cinq distributions PON géographiques différentes et étudions leurs effets sur l'SIR pour l'écoute de contrôle d'OC. Dans la prochaine étape, nous généralisons notre modèle mathématique et ses expressions pour le contrôle des signaux détectés par un détecteur quadratique et des paramètres réalistes. Nous évaluons ensuite les performances théoriques de la technologie basée sur l'écoute de contrôle selon le rapport signal/bruit (SNR), le rapport signal/bruit plus coefficient d'interférence (SNIR), et la probabilité de fausse alarme. Nous élaborons l'effet de la puissance d'impulsion transmise, la taille du réseau et la cohérence de la source lumineuse sur le rendement des codes unidimensionnels (ID) et bidimensionnels (2D) de l'écoute de contrôle d'OC. Une conception optimale est également abordée. Enfin, nous appliquons les tests de Neyman-Pearson pour le récepteur de notre système d'écoute de contrôle et enquêtons sur la façon dont le codage et la taille du réseau affectent les dépenses de fonctionnement (OPEX) de notre système d'écoute de contrôle. Malgré le fait que les codes ID et 2D fournissent des performances acceptables, elles exigent des encodeurs avec un nombre élevé de composants optiques : ils sont encombrants, causent des pertes, et ils sont coûteux. Par conséquent, nous proposons un nouveau schéma de codage simple et plus approprié pour notre application de l'écoute de contrôle que nous appelons le codage périodique. Par simulation, nous évaluons l'efficacité de l'écoute de contrôle en terme de SNR pour un PON employant cette technologie. Ce système de codage est utilisé dans notre vérification expérimentale de l'écoute de contrôle d'OC. Nous étudions expérimentalement et par simulation, l'écoute de contrôle d'un PON utilisant la technologie de codage périodique. Nous discutons des problèmes de conception pour le codage périodique et les critères de détection optimale. Nous développons également un algorithme séquentiel pour le maximum de vraisemblance avec une complexité réduite. Nous menons des expériences pour valider notre algorithme de détection à l'aide de quatre encodeurs périodiques que nous avons conçus et fabriqués. Nous menons également des simulations de Monte-Carlo pour des distributions géographiques de PON réalistes, avec des clients situés au hasard. Nous étudions l'effet de la zone de couverture et la taille du réseau (nombre d'abonnés) sur l'efficacité de calcul de notre algorithme. Nous offrons une borne sur la probabilité pour un réseau donné d'entraîner l'algorithme vers un temps exorbitant de surveillance du réseau, c'est à dire le délai d'attente de probabilité. Enfin, nous soulignons l'importance du moyennage pour remédier aux restrictions budgétaires en puissance/perte dans notre système de surveillance afin de supporter de plus grandes tailles de réseaux et plus grandes portées de fibres. Ensuite, nous mettrons à niveau notre dispositif expérimental pour démontrer un m PON avec 16 clients. Nous utilisons un laser à modulation d'exploitation directement à 1 GHz pour générer les impulsions sonde. Les données mesurées par le dispositif expérimental est exploité par l'algorithme de MLSE à détecter et à localiser les clients. Trois déploiements PON différents sont réalisés. Nous démontrons une surveillance plus rigoureuse pour les réseaux ayant une répartition géographique à plusieurs niveaux. Nous étudions aussi le budget de la perte de notre dispositif de soutien plus élevés de capacités du réseau. Enfin, nous étudions le budget total admissible de la perte d'exploitation du système de surveillance dans la bande de fréquences à 1650 nm en fonction des spécifications de l'émetteur/récepteur. En particulier, la limite totale de la perte de budget est représentée en fonction du gain de l'amplicateure de transimpédance (TIA) et le résolution de la conversion analogique-numérique (ADC). Par ailleurs, nous enquêtons sur le compromis entre la distance portée et la capacité (taille de fractionnement au niveau du noeud distant) dans notre système de suivi

Estimation and detection of transmission line characteristics in the copper access network

The copper access-network operators face the challenge of developing and maintaining cost-effective digital subscriber line (DSL) services that are competitive to other broadband access technologies. The way forward is dictated by the demand of ever increasing data rates on the twisted-pair copper lines. To meet this demand, a relocation of the DSL transceivers in cabinets closer to the customers are often necessary combined with a joint expansion of the accompanying optical-fiber backhaul network. The equipment of the next generation copper network are therefore becoming more scattered and geographically distributed, which increases the requirements of automated line qualification with fault detection and localization. This scenario is addressed in the first five papers of this dissertation where the focus is on estimation and detection of transmission line characteristics in the copper access network. The developed methods apply model-based optimization with an emphasis on using low-order modeling and a priori information of the given problem. More specifically, in Paper I a low-order and causal cable model is derived based on the Hilbert transform. This model is successfully applied in three contributions of this dissertation. In Paper II, a class of low-complexity unbiased estimators for the frequency-dependent characteristic impedance is presented that uses one-port measurements only. The so obtained characteristic impedance paves the way for enhanced time domain reflectometry (a.k.a. TDR) on twisted-pair lines. In Paper III, the problem of estimating a nonhomogeneous and dispersive transmission line is investigated and a space-frequency optimization approach is developed for the DSL application. The accompanying analysis shows which parameters are of interest to estimate and further suggests the introduction of the concept capacitive length that overcomes the necessity of a priori knowledge of the physical line length. In Paper IV, two methods are developed for detection and localization of load coils present in so-called loaded lines. In Paper V, line topology identification is addressed with varying degree of a priori information. In doing so, a model-based optimization approach is employed that utilizes multi-objective evolutionary computation based on one/two-port measurements. A complement to transceiver relocation that potentially enhances the total data throughput in the copper access network is dynamic spectrum management (DSM). This promising multi-user transmission technique aims at maximizing the transmission rates, and/or minimizing the power consumption, by mitigating or cancelling the dominating crosstalk interference between twisted-pair lines in the same cable binder. Hence the spectral utilization is improved by optimizing the transmit signals in order to minimize the crosstalk interference. However, such techniques rely on accurate information of the (usually) unknown crosstalk channels. This issue is the main focus of Paper VI and VII of this dissertation in which Paper VI deals with estimation of the crosstalk channels between twisted-pair lines. More specifically, an unbiased estimator for the square-magnitude of the crosstalk channels is derived from which a practical procedure is developed that can be implemented with standardized DSL modems already installed in the copper access network. In Paper VII the impact such a non-ideal estimator has on the performance of DSM is analyzed and simulated. Finally, in Paper VIII a novel echo cancellation algorithm for DMT-based DSL modems is presented

Ontwerp en evaluatie van content distributie netwerken voor multimediale streaming diensten.

Traditionele Internetgebaseerde diensten voor het verspreiden van bestanden, zoals Web browsen en het versturen van e-mails, worden aangeboden via één centrale server. Meer recente netwerkdiensten zoals interactieve digitale televisie of video-op-aanvraag vereisen echter hoge kwaliteitsgaranties (QoS), zoals een lage en constante netwerkvertraging, en verbruiken een aanzienlijke hoeveelheid bandbreedte op het netwerk. Architecturen met één centrale server kunnen deze garanties moeilijk bieden en voldoen daarom niet meer aan de hoge eisen van de volgende generatie multimediatoepassingen. In dit onderzoek worden daarom nieuwe netwerkarchitecturen bestudeerd, die een dergelijke dienstkwaliteit kunnen ondersteunen. Zowel peer-to-peer mechanismes, zoals bij het uitwisselen van muziekbestanden tussen eindgebruikers, als servergebaseerde oplossingen, zoals gedistribueerde caches en content distributie netwerken (CDN's), komen aan bod. Afhankelijk van de bestudeerde dienst en de gebruikte netwerktechnologieën en -architectuur, worden gecentraliseerde algoritmen voor netwerkontwerp voorgesteld. Deze algoritmen optimaliseren de plaatsing van de servers of netwerkcaches en bepalen de nodige capaciteit van de servers en netwerklinks. De dynamische plaatsing van de aangeboden bestanden in de verschillende netwerkelementen wordt aangepast aan de heersende staat van het netwerk en aan de variërende aanvraagpatronen van de eindgebruikers. Serverselectie, herroutering van aanvragen en het verspreiden van de belasting over het hele netwerk komen hierbij ook aan bod