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

Contributions to the development of the CRO-SL algorithm: Engineering applications problems

This Ph.D. thesis discusses advanced design issues of the evolutionary-based algorithm \textit{"Coral Reef Optimization"}, in its Substrate-Layer (CRO-SL) version, for optimization problems in Engineering Applications. The problems that can be tackled with meta-heuristic approaches is very wide and varied, and it is not exclusive of engineering. However we focus the Thesis on it area, one of the most prominent in our time. One of the proposed application is battery scheduling problem in Micro-Grids (MGs). Specifically, we consider an MG that includes renewable distributed generation and different loads, defined by its power profiles, and is equipped with an energy storage device (battery) to address its programming (duration of loading / discharging and occurrence) in a real scenario with variable electricity prices. Also, we discuss a problem of vibration cancellation over structures of two and four floors, using Tuned Mass Dampers (TMD's). The optimization algorithm will try to find the best solution by obtaining three physical parameters and the TMD location. As another related application, CRO-SL is used to design Multi-Input-Multi-Output Active Vibration Control (MIMO-AVC) via inertial-mass actuators, for structures subjected to human induced vibration. In this problem, we will optimize the location of each actuator and tune control gains. Finally, we tackle the optimization of a textile modified meander-line Inverted-F Antenna (IFA) with variable width and spacing meander, for RFID systems. Specifically, the CRO-SL is used to obtain an optimal antenna design, with a good bandwidth and radiation pattern, ideal for RFID readers. Radio Frequency Identification (RFID) has become one of the most numerous manufactured devices worldwide due to a reliable and inexpensive means of locating people. They are used in access and money cards and product labels and many other applications.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:1806.02654 by other author

Contributions to the development of the CRO-SL algorithm: Engineering applications problems

Esta tesis doctoral aborda el diseño del algoritmo evolutivo Coral Reef Optimization, en su versión Substrate-Layer, para la optimización de problemas en diferentes ámbitos de la ingeniería. Los algoritmos evolutivos han sido ampliamente aplicados a problemas de optimización difícilmente abordables de manera analítica, ya sea por tener espacios de búsqueda enormes o por ser no lineales. Si bien la ejecución de estos algoritmos no supone un gran coste computacional hoy en día, sí lo supone las funciones de coste que constantemente deben evaluar. La creciente capacidad de procesamiento en la tecnología le abre las puertas al abordaje de problemas temporalmente costosos por medio de la metaheurística. Uno de los inconvenientes de esta, es que no hay forma de saber a priori cuál de ellos es mejor para un problema específico, y sea cual sea la elección, la ejecución del mismo no te asegura que vayas a obtener el óptimo. Es por este motivo por el cual se ha elegido el algoritmo CRO-SL, ya que permite combinar los procesos de búsqueda más potentes, ayudándose entre ellos para alcanzar el óptimo global. La problemática a la que se puede aplicar la metaheurística es muy variada y no tiene por qué ser exclusiva de la ingeniería, sin embargo en esta tesis sí vamos a centrarla en ella. Una de las aplicaciones que vamos a ver es el diseño de una antena de tipo F invertida (IFA), para sistemas de IDentificación por Radio-Frecuencia (RFID). Estas han sido muy utilizadas en productos a lo largo de todo el mundo tanto en tarjetas de crédito como en etiquetas de productos debido a su pequeño tamaño y a una fabricación sencilla y barata. En concreto, en este trabajo se usarán como conductores láminas de cobre y como dieléctrico, fieltro. Se pretende así, diseñar el ancho y el espaciamiento de estas tiras de cobre para que emita en un ancho de banda determinado con una calidad determinada. También se abordará un problema de control de vibración en estructuras de dos y cuatro pisos mediante el uso de elementos amortiguadores pasivos, TMD's(Tunned Mass Dampers). Esta aplicación viene motivada por la necesidad de mitigar las vibraciones procedentes de la tierra, como pudiera ser en un terremoto. En este caso el algoritmo no sólo intentará optimizar las características físicas de los TMD's sino también su colocación dentro del edificio. En tercer lugar, se realizará un control activo de las vibraciones que generamos los humanos al caminar en una estructura civil, mediante el uso de actuadores de masa inercial. En este problema se tratará de optimizar la localización de los actuadores así como sintonizar las ganancias de control. Por último veremos un problema de optimización de planificación de las baterías en micro-redes(MG). Específicamente, consideramos una MG que incluye generación renovable y diferentes cargas, definidas por sus perfiles de potencia, y está equipada con un dispositivo de almacenamiento de energía (batería) para abordar su programación (duración de carga / descarga y ocurrencia) en un escenario real de precios variables de electricidad. Mediante la aplicación del CRO-SL a estos problemas se pretende cumplir dos objetivos. El primero es comprobar la aptitud del propio algoritmo en las aplicaciones mencionadas. Para ello además se realizarán experimentos con los algoritmos más populares y los resultados podrán ser comparados entre sí. El segundo es promover el uso del CRO-SL como herramienta de comparación entre métodos de exploración. Algunos de los algoritmos metaheurísticos se basan en la iteración de un proceso de búsqueda sobre una población de individuos codificados, que encarnan la solución a un determinado problema. El CRO-SL toma prestado la forma en la que otros algoritmos cambian a sus individuos, y forma nuevas soluciones de manera paralela. Entre los algoritmos evolutivos más conocidos que vamos a ver durante el desarrollo de esta tesis se encuentran los algoritmos Harmony Search, Differential Evolution y Genetic Algorithm. Además se verán otro tipo de mutaciones como la de tipo Gaussiana, mutación simple o cruce multipunto. Por último, durante el desarrollo de esta tesis también se ha probado una nueva forma de búsqueda basada en atractores extraños. Gracias a la capacidad de comparación del CRO-SL podremos ver si esta nueva forma de búsqueda es útil o no

Deep learning for internet of underwater things and ocean data analytics

The Internet of Underwater Things (IoUT) is an emerging technological ecosystem developed for connecting objects in maritime and underwater environments. IoUT technologies are empowered by an extreme number of deployed sensors and actuators. In this thesis, multiple IoUT sensory data are augmented with machine intelligence for forecasting purposes

Internet of Underwater Things and Big Marine Data Analytics -- A Comprehensive Survey

The Internet of Underwater Things (IoUT) is an emerging communication ecosystem developed for connecting underwater objects in maritime and underwater environments. The IoUT technology is intricately linked with intelligent boats and ships, smart shores and oceans, automatic marine transportations, positioning and navigation, underwater exploration, disaster prediction and prevention, as well as with intelligent monitoring and security. The IoUT has an influence at various scales ranging from a small scientific observatory, to a midsized harbor, and to covering global oceanic trade. The network architecture of IoUT is intrinsically heterogeneous and should be sufficiently resilient to operate in harsh environments. This creates major challenges in terms of underwater communications, whilst relying on limited energy resources. Additionally, the volume, velocity, and variety of data produced by sensors, hydrophones, and cameras in IoUT is enormous, giving rise to the concept of Big Marine Data (BMD), which has its own processing challenges. Hence, conventional data processing techniques will falter, and bespoke Machine Learning (ML) solutions have to be employed for automatically learning the specific BMD behavior and features facilitating knowledge extraction and decision support. The motivation of this paper is to comprehensively survey the IoUT, BMD, and their synthesis. It also aims for exploring the nexus of BMD with ML. We set out from underwater data collection and then discuss the family of IoUT data communication techniques with an emphasis on the state-of-the-art research challenges. We then review the suite of ML solutions suitable for BMD handling and analytics. We treat the subject deductively from an educational perspective, critically appraising the material surveyed.Comment: 54 pages, 11 figures, 19 tables, IEEE Communications Surveys & Tutorials, peer-reviewed academic journa

Drone Base Station Trajectory Management for Optimal Scheduling in LTE-Based Sparse Delay-Sensitive M2M Networks

Providing connectivity in areas out of reach of the cellular infrastructure is a very active area of research. This connectivity is particularly needed in case of the deployment of machine type communication devices (MTCDs) for critical purposes such as homeland security. In such applications, MTCDs are deployed in areas that are hard to reach using regular communications infrastructure while the collected data is timely critical. Drone-supported communications constitute a new trend in complementing the reach of the terrestrial communication infrastructure. In this study, drones are used as base stations to provide real-time communication services to gather critical data out of a group of MTCDs that are sparsely deployed in a marine environment. Studying different communication technologies as LTE, WiFi, LPWAN and Free-Space Optical communication (FSOC) incorporated with the drone communications was important in the first phase of this research to identify the best candidate for addressing this need. We have determined the cellular technology, and particularly LTE, to be the most suitable candidate to support such applications. In this case, an LTE base station would be mounted on the drone which will help communicate with the different MTCDs to transmit their data to the network backhaul. We then formulate the problem model mathematically and devise the trajectory planning and scheduling algorithm that decides the drone path and the resulting scheduling. Based on this formulation, we decided to compare between an Ant Colony Optimization (ACO) based technique that optimizes the drone movement among the sparsely-deployed MTCDs and a Genetic Algorithm (GA) based solution that achieves the same purpose. This optimization is based on minimizing the energy cost of the drone movement while ensuring the data transmission deadline missing is minimized. We present the results of several simulation experiments that validate the different performance aspects of the technique

Devices, algorithms and systems for maritime persistent surveillance

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Includes bibliographical references (p. 206-219).This thesis presents a novel approach to long-term marine data collection and monitoring. Long-term marine data collection is a key component for understanding planetary scale physical processes and for studying and understanding marine life. Marine monitoring is an important activity for border protection, port security and offshore oil field operations. However, monitoring is not easy because salt water is a harsh environment for humans and for instruments. Radio communication and remote sensing are difficult below ocean surface. Our approach to ocean data collection relies on the integration of (1) a network of underwater sensor nodes with acoustic and optical communication, (2) an autonomous underwater vehicle (AUV) and (3) a novel sensing device. A key characteristic is the extensive use of visible light for information transfer underwater. We use light for sensing, communication and control. We envision a system composed of sensor nodes that are deployed at static locations for data collection. Using acoustic signaling and pairwise ranging the sensor nodes can compute their positions (self-localize) and track mobile objects (e.g., AUVs). The AUV can visit the sensor nodes periodically and download their data using the high speed, low power optical communication. One consequence of using optical communication for the bulk of the data transfer is that less data needs to be transferred over the acoustic links, thus enabling the use of low power, low data rate techniques. For navigation, the AUV can rely on the tracking information provided by the sensor network. In addition, the AUV can dock and transport sensor nodes efficiently, enabling their autonomous relocation and recovery. The main application of our system is coral reef ecosystem research and health monitoring.(cont.) In this application the robot and the sensor nodes can be fitted with our novel imaging sensor, capable of taking underwater color-accurate photographs for reef health assessment and species identification. Compared to existing techniques, our approach: (1) simplifies the deployment of sensors through sensor self-localization, (2) provides sensor status information and thus enables the user to capture rare events or to react to sensor failure, (3) provides the user real time data and thus enables adaptive sampling, (4) simplifies mobile sensing underwater by providing position information to underwater robots, (5) collects new types of data (accurate color images) through the use of new sensors. We present several innovations that enable our approach: (1) an adaptive illumination approach to underwater imaging, (2) an underwater optical communication system using green light, (3) a low power modulation and medium access protocol for underwater acoustic telemetry, (4) a new AUV design capable of hovering and of efficiently transporting dynamic payloads. We present the design, fabrication and evaluation of a hardware platform to validate our approach. Our platform includes: (1) AquaNet, a wireless underwater sensor network composed of AquaNodes, (2) Amour, an underwater vehicle capable of autonomous navigation, data muling, docking and efficient transport of dynamic payloads and (3) AquaLight an underwater variable-spectrum Xenon strobe which enables underwater color accurate photography. We use this platform to implement and experimentally evaluate our algorithms and protocols.by Iuliu Vasilescu.Ph.D