Cellular and Wi-Fi technologies evolution: from complementarity to competition

This PhD thesis has the characteristic to span over a long time because while working on it, I was working as a research engineer at CTTC with highly demanding development duties. This has delayed the deposit more than I would have liked. On the other hand, this has given me the privilege of witnessing and studying how wireless technologies have been evolving over a decade from 4G to 5G and beyond. When I started my PhD thesis, IEEE and 3GPP were defining the two main wireless technologies at the time, Wi-Fi and LTE, for covering two substantially complementary market targets. Wi-Fi was designed to operate mostly indoor, in unlicensed spectrum, and was aimed to be a simple and cheap technology. Its primary technology for coexistence was based on the assumption that the spectrum on which it was operating was for free, and so it was designed with interference avoidance through the famous CSMA/CA protocol. On the other hand, 3GPP was designing technologies for licensed spectrum, a costly kind of spectrum. As a result, LTE was designed to take the best advantage of it while providing the best QoE in mainly outdoor scenarios. The PhD thesis starts in this context and evolves with these two technologies. In the first chapters, the thesis studies radio resource management solutions for standalone operation of Wi-Fi in unlicensed and LTE in licensed spectrum. We anticipated the now fundamental machine learning trend by working on machine learning-based radio resource management solutions to improve LTE and Wi-Fi operation in their respective spectrum. We pay particular attention to small cell deployments aimed at improving the spectrum efficiency in licensed spectrum, reproducing small range scenarios typical of Wi-Fi settings. IEEE and 3GPP followed evolving the technologies over the years: Wi-Fi has grown into a much more complex and sophisticated technology, incorporating the key features of cellular technologies, like HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling and spatial reuse. On the other hand, since Release 13, cellular networks have also been designed for unlicensed spectrum. As a result, the two last chapters of this thesis focus on coexistence scenarios, in which LTE needs to be designed to coexist with Wi-Fi fairly, and NR, the radio access for 5G, with Wi-Fi in 5 GHz and WiGig in 60 GHz. Unlike LTE, which was adapted to operate in unlicensed spectrum, NR-U is natively designed with this feature, including its capability to operate in unlicensed in a complete standalone fashion, a fundamental new milestone for cellular. In this context, our focus of analysis changes. We consider that these two technological families are no longer targeting complementarity but are now competing, and we claim that this will be the trend for the years to come. To enable the research in these multi-RAT scenarios, another fundamental result of this PhD thesis, besides the scientific contributions, is the release of high fidelity models for LTE and NR and their coexistence with Wi-Fi and WiGig to the ns-3 open-source community. ns-3 is a popular open-source network simulator, with the characteristic to be multi-RAT and so naturally allows the evaluation of coexistence scenarios between different technologies. These models, for which I led the development, are by academic citations, the most used open-source simulation models for LTE and NR and havereceived fundings from industry (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) and federal agencies (NIST, LLNL) over the years.Aquesta tesi doctoral té la característica d’allargar-se durant un llarg període de temps ja que mentre treballava en ella, treballava com a enginyera investigadora a CTTC amb tasques de desenvolupament molt exigents. Això ha endarrerit el dipositar-la més del que m’hagués agradat. D’altra banda, això m’ha donat el privilegi de ser testimoni i estudiar com han evolucionat les tecnologies sense fils durant més d’una dècada des del 4G fins al 5G i més enllà. Quan vaig començar la tesi doctoral, IEEE i 3GPP estaven definint les dues tecnologies sense fils principals en aquell moment, Wi-Fi i LTE, que cobreixen dos objectius de mercat substancialment complementaris. Wi-Fi va ser dissenyat per funcionar principalment en interiors, en espectre sense llicència, i pretenia ser una tecnologia senzilla i barata. La seva tecnologia primària per a la convivència es basava en el supòsit que l’espectre en el que estava operant era de franc, i, per tant, es va dissenyar simplement evitant interferències a través del famós protocol CSMA/CA. D’altra banda, 3GPP estava dissenyant tecnologies per a espectres amb llicència, un tipus d’espectre costós. Com a resultat, LTE està dissenyat per treure’n el màxim profit alhora que proporciona el millor QoE en escenaris principalment a l’aire lliure. La tesi doctoral comença amb aquest context i evoluciona amb aquestes dues tecnologies. En els primers capítols, estudiem solucions de gestió de recursos de radio per a operacions en espectre de Wi-Fi sense llicència i LTE amb llicència. Hem anticipat l’actual tendència fonamental d’aprenentatge automàtic treballant solucions de gestió de recursos de radio basades en l’aprenentatge automàtic per millorar l’LTE i Wi-Fi en el seu espectre respectiu. Prestem especial atenció als desplegaments de cèl·lules petites destinades a millorar la eficiència d’espectre llicenciat, reproduint escenaris de petit abast típics de la configuració Wi-Fi. IEEE i 3GPP van seguir evolucionant les tecnologies al llarg dels anys: El Wi-Fi s’ha convertit en una tecnologia molt més complexa i sofisticada, incorporant les característiques clau de les tecnologies cel·lulars, com ara HARQ i la reutilització espacial. D’altra banda, des de la versió 13, també s’han dissenyat xarxes cel·lulars per a espectre sense llicència. Com a resultat, els dos darrers capítols d’aquesta tesi es centren en aquests escenaris de convivència, on s’ha de dissenyar LTE per conviure amb la Wi-Fi de manera justa, i NR, l’accés a la radio per a 5G amb Wi-Fi a 5 GHz i WiGig a 60 GHz. A diferència de LTE, que es va adaptar per funcionar en espectre sense llicència, NR-U està dissenyat de forma nativa amb aquesta característica, inclosa la seva capacitat per operar sense llicència de forma autònoma completa, una nova fita fonamental per al mòbil. En aquest context, el nostre focus d’anàlisi canvia. Considerem que aquestes dues famílies de tecnologia ja no estan orientades cap a la complementarietat, sinó que ara competeixen, i afirmem que aquesta serà el tendència per als propers anys. Per permetre la investigació en aquests escenaris multi-RAT, un altre resultat fonamental d’aquesta tesi doctoral, a més de les aportacions científiques, és l’alliberament de models d’alta fidelitat per a LTE i NR i la seva coexistència amb Wi-Fi a la comunitat de codi obert ns-3. ns-3 és un popular simulador de xarxa de codi obert, amb la característica de ser multi-RAT i, per tant, permet l’avaluació de manera natural d’escenaris de convivència entre diferents tecnologies. Aquests models, pels quals he liderat el desenvolupament, són per cites acadèmiques, els models de simulació de codi obert més utilitzats per a LTE i NR i que han rebut finançament de la indústria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) i agències federals (NIST, LLNL) al llarg dels anys.Esta tesis doctoral tiene la característica de extenderse durante mucho tiempo porque mientras trabajaba en ella, trabajaba como ingeniera de investigación en CTTC con tareas de desarrollo muy exigentes. Esto ha retrasado el depósito más de lo que me hubiera gustado. Por otro lado, gracias a ello, he tenido el privilegio de presenciar y estudiar como las tecnologías inalámbricas han evolucionado durante una década, de 4G a 5G y más allá. Cuando comencé mi tesis doctoral, IEEE y 3GPP estaban definiendo las dos principales tecnologías inalámbricas en ese momento, Wi-Fi y LTE, cumpliendo dos objetivos de mercado sustancialmente complementarios. Wi-Fi fue diseñado para funcionar principalmente en interiores, en un espectro sin licencia, y estaba destinado a ser una tecnología simple y barata. Su tecnología primaria para la convivencia se basaba en el supuesto en que el espectro en el que estaba operando era gratis, y así fue diseñado simplemente evitando interferencias a través del famoso protocolo CSMA/CA. Por otro lado, 3GPP estaba diseñando tecnologías para espectro con licencia, un tipo de espectro costoso. Como resultado, LTE está diseñado para aprovechar el espectro al máximo proporcionando al mismo tiempo el mejor QoE en escenarios principalmente al aire libre. La tesis doctoral parte de este contexto y evoluciona con estas dos tecnologías. En los primeros capítulos, estudiamos las soluciones de gestión de recursos de radio para operación en espectro Wi-Fi sin licencia y LTE con licencia. Anticipamos la tendencia ahora fundamental de aprendizaje automático trabajando en soluciones de gestión de recursos de radio para mejorar LTE y funcionamiento deWi-Fi en su respectivo espectro. Prestamos especial atención a las implementaciones de células pequeñas destinadas a mejorar la eficiencia de espectro licenciado, reproduciendo los típicos escenarios de rango pequeño de la configuración Wi-Fi. IEEE y 3GPP siguieron evolucionando las tecnologías a lo largo de los años: Wi-Fi se ha convertido en una tecnología mucho más compleja y sofisticada, incorporando las características clave de las tecnologías celulares, como HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling y la reutilización espacial. Por otro lado, desde la Release 13, también se han diseñado redes celulares para espectro sin licencia. Como resultado, los dos últimos capítulos de esta tesis se centran en estos escenarios de convivencia, donde LTE debe diseñarse para coexistir con Wi-Fi de manera justa, y NR, el acceso por radio para 5G con Wi-Fi en 5 GHz y WiGig en 60 GHz. A diferencia de LTE, que se adaptó para operar en espectro sin licencia, NR-U está diseñado de forma nativa con esta función, incluyendo su capacidad para operar sin licencia de forma completamente independiente, un nuevo hito fundamental para los celulares. En este contexto, cambia nuestro enfoque de análisis. Consideramos que estas dos familias tecnológicas ya no tienen como objetivo la complementariedad, sino que ahora están compitiendo, y afirmamos que esta será la tendencia para los próximos años. Para permitir la investigación en estos escenarios de múltiples RAT, otro resultado fundamental de esta tesis doctoral, además de los aportes científicos, es el lanzamiento de modelos de alta fidelidad para LTE y NR y su coexistencia con Wi-Fi y WiGig a la comunidad de código abierto de ns-3. ns-3 es un simulador popular de red de código abierto, con la característica de ser multi-RAT y así, naturalmente, permite la evaluación de escenarios de convivencia entre diferentes tecnologías. Estos modelos, para los cuales lideré el desarrollo, son por citas académicas, los modelos de simulación de código abierto más utilizados para LTE y NR y han recibido fondos de la industria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) y agencias federales (NIST, LLNL) a lo largo de los años.Postprint (published version

Intégration de l’analyse prédictive dans des systèmes auto-adaptatifs

In this thesis we proposed a proactive self-adaptation by integrating predictive analysis into two phases of the software process. At design time, we propose a predictive modeling process, which includes the activities: define goals, collect data, select model structure, prepare data, build candidate predictive models, training, testing and cross-validation of the candidate models and selection of the ''best'' models based on a measure of model goodness. At runtime, we consume the predictions from the selected predictive models using the running system actual data. Depending on the input data and the time allowed for learning algorithms, we argue that the software system can foresee future possible input variables of the system and adapt proactively in order to accomplish middle and long term goals and requirements.Au cours des dernières années, il y a un intérêt croissant pour les systèmes logiciels capables de faire face à la dynamique des environnements en constante évolution. Actuellement, les systèmes auto-adaptatifs sont nécessaires pour l’adaptation dynamique à des situations nouvelles en maximisant performances et disponibilité. Les systèmes ubiquitaires et pervasifs fonctionnent dans des environnements complexes et hétérogènes et utilisent des dispositifs à ressources limitées où des événements peuvent compromettre la qualité du système. En conséquence, il est souhaitable de s’appuyer sur des mécanismes d’adaptation du système en fonction des événements se produisant dans le contexte d’exécution. En particulier, la communauté du génie logiciel pour les systèmes auto-adaptatif (Software Engineering for Self-Adaptive Systems - SEAMS) s’efforce d’atteindre un ensemble de propriétés d’autogestion dans les systèmes informatiques. Ces propriétés d’autogestion comprennent les propriétés dites self-configuring, self-healing, self-optimizing et self-protecting. Afin de parvenir à l’autogestion, le système logiciel met en œuvre un mécanisme de boucle de commande autonome nommé boucle MAPE-K [78]. La boucle MAPE-K est le paradigme de référence pour concevoir un logiciel auto-adaptatif dans le contexte de l’informatique autonome. Cet modèle se compose de capteurs et d’effecteurs ainsi que quatre activités clés : Monitor, Analyze, Plan et Execute, complétées d’une base de connaissance appelée Knowledge, qui permet le passage des informations entre les autres activités [78]. L’étude de la littérature récente sur le sujet [109, 71] montre que l’adaptation dynamique est généralement effectuée de manière réactive, et que dans ce cas les systèmes logiciels ne sont pas en mesure d’anticiper des situations problématiques récurrentes. Dans certaines situations, cela pourrait conduire à des surcoûts inutiles ou des indisponibilités temporaires de ressources du système. En revanche, une approche proactive n’est pas simplement agir en réponse à des événements de l’environnement, mais a un comportement déterminé par un but en prenant par anticipation des initiatives pour améliorer la performance du système ou la qualité de service

Overcoming the Intuition Wall: Measurement and Analysis in Computer Architecture

These are exciting times for computer architecture research. Today there is significant demand to improve the performance and energy-efficiency of emerging, transformative applications which are being hammered out by the hundreds for new computing platforms and usage models. This booming growth of applications and the variety of programming languages used to create them is challenging our ability as architects to rapidly and rigorously characterize these applications. Concurrently, hardware has become more complex with the emergence of accelerators, multicore systems, and heterogeneity caused by further divergence between processor market segments. No one architect can now understand all the complexities of many systems and reason about the full impact of changes or new applications. To that end, this dissertation presents four case studies in quantitative methods. Each case study attacks a different application and proposes a new measurement or analytical technique. In each case study we find at least one surprising or unintuitive result which would likely not have been found without the application of our method

Combining SOA and BPM Technologies for Cross-System Process Automation

This paper summarizes the results of an industry case study that introduced a cross-system business process automation solution based on a combination of SOA and BPM standard technologies (i.e., BPMN, BPEL, WSDL). Besides discussing major weaknesses of the existing, custom-built, solution and comparing them against experiences with the developed prototype, the paper presents a course of action for transforming the current solution into the proposed solution. This includes a general approach, consisting of four distinct steps, as well as specific action items that are to be performed for every step. The discussion also covers language and tool support and challenges arising from the transformation

2nd Symposium on Management of Future motorway and urban Traffic Systems (MFTS 2018): Booklet of abstracts: Ispra, 11-12 June 2018

The Symposium focuses on future traffic management systems, covering the subjects of traffic control, estimation, and modelling of motorway and urban networks, with particular emphasis on the presence of advanced vehicle communication and automation technologies. As connectivity and automation are being progressively introduced in our transport and mobility systems, there is indeed a growing need to understand the implications and opportunities for an enhanced traffic management as well as to identify innovative ways and tools to optimise traffic efficiency. In particular the debate on centralised versus decentralised traffic management in the presence of connected and automated vehicles has started attracting the attention of the research community. In this context, the Symposium provides a remarkable opportunity to share novel ideas and discuss future research directions.JRC.C.4-Sustainable Transpor

Power-Aware Job Dispatching in High Performance Computing Systems

This works deals with the power-aware job dispatching problem in supercomputers; broadly speaking the dispatching consists of assigning finite capacity resources to a set of activities, with a special concern toward power and energy efficient solutions. We introduce novel optimization approaches to address its multiple aspects. The proposed techniques have a broad application range but are aimed at applications in the field of High Performance Computing (HPC) systems. Devising a power-aware HPC job dispatcher is a complex, where contrasting goals must be satisfied. Furthermore, the online nature of the problem request that solutions must be computed in real time respecting stringent limits. This aspect historically discouraged the usage of exact methods and favouring instead the adoption of heuristic techniques. The application of optimization approaches to the dispatching task is still an unexplored area of research and can drastically improve the performance of HPC systems. In this work we tackle the job dispatching problem on a real HPC machine, the Eurora supercomputer hosted at the Cineca research center, Bologna. We propose a Constraint Programming (CP) model that outperforms the dispatching software currently in use. An essential element to take power-aware decisions during the job dispatching phase is the possibility to estimate jobs power consumptions before their execution. To this end, we applied Machine Learning techniques to create a prediction model that was trained and tested on the Euora supercomputer, showing a great prediction accuracy. Then we finally develop a power-aware solution, considering the same target machine, and we devise different approaches to solve the dispatching problem while curtailing the power consumption of the whole system under a given threshold. We proposed a heuristic technique and a CP/heuristic hybrid method, both able to solve practical size instances and outperform the current state-of-the-art techniques