A Survey on Communication Networks for Electric System Automation

Published in Computer Networks 50 (2006) 877–897, an Elsevier journal. The definitive version of this publication is available from Science Direct. Digital Object Identifier:10.1016/j.comnet.2006.01.005In today’s competitive electric utility marketplace, reliable and real-time information become the key factor for reliable delivery of power to the end-users, profitability of the electric utility and customer satisfaction. The operational and commercial demands of electric utilities require a high-performance data communication network that supports both existing functionalities and future operational requirements. In this respect, since such a communication network constitutes the core of the electric system automation applications, the design of a cost-effective and reliable network architecture is crucial. In this paper, the opportunities and challenges of a hybrid network architecture are discussed for electric system automation. More specifically, Internet based Virtual Private Networks, power line communications, satellite communications and wireless communications (wireless sensor networks, WiMAX and wireless mesh networks) are described in detail. The motivation of this paper is to provide a better understanding of the hybrid network architecture that can provide heterogeneous electric system automation application requirements. In this regard, our aim is to present a structured framework for electric utilities who plan to utilize new communication technologies for automation and hence, to make the decision making process more effective and direct.This work was supported by NEETRAC under Project #04-157

SDN/NFV-enabled satellite communications networks: opportunities, scenarios and challenges

In the context of next generation 5G networks, the satellite industry is clearly committed to revisit and revamp the role of satellite communications. As major drivers in the evolution of (terrestrial) fixed and mobile networks, Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualisation (NFV) technologies are also being positioned as central technology enablers towards improved and more flexible integration of satellite and terrestrial segments, providing satellite network further service innovation and business agility by advanced network resources management techniques. Through the analysis of scenarios and use cases, this paper provides a description of the benefits that SDN/NFV technologies can bring into satellite communications towards 5G. Three scenarios are presented and analysed to delineate different potential improvement areas pursued through the introduction of SDN/NFV technologies in the satellite ground segment domain. Within each scenario, a number of use cases are developed to gain further insight into specific capabilities and to identify the technical challenges stemming from them.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

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

User behaviour modelling for resource management in a hybrid UMTS/DVB-T network

Third generation mobile networks such as UMTS are designed to enhance the deployment of multimedia services providing high data rates and new flexible communication capabilities. However, these systems are interference limited and as such their performance is lowered in the case of a large number of users generating heavy traffic. A solution to this problem is to interconnect the UMTS network to a Digital Video Broadcasting-Terrestrial (DVB-T) network, so that the lack of capacity of UMTS during busy periods can be offset by the high bit rate available on the broadcast network. In order to justify this choice a prediction of the number of subscribers requesting the new multimedia applications designed for this scenario is needed. This paper focuses on the user behaviour modelling for multimedia services in a hybrid UMTS/DVB-T platform. The aim of the paper is to provide operators with a forecast of the demand for new multimedia services showing how they can be subject to a very high number of subscriptions, which UMTS would hardly be able to handle

Contribution to resource management in cellular access networks with limited backhaul capacity

La interfaz radio de los sistemas de comunicaciones móviles es normalmente considerada como la única limitación de capacidad en la red de acceso radio. Sin embargo, a medida que se van desplegando nuevas y más eficientes interfaces radio, y de que el tráfico de datos y multimedia va en aumento, existe la creciente preocupación de que la infraestructura de transporte (backhaul) de la red celular pueda convertirse en el cuello de botella en algunos escenarios. En este contexto, la tesis se centra en el desarrollo de técnicas de gestión de recursos que consideran de manera conjunta la gestión de recursos en la interfaz radio y el backhaul. Esto conduce a un nuevo paradigma donde los recursos del backhaul se consideran no sólo en la etapa de dimensionamiento, sino que además son incluidos en la problemática de gestión de recursos. Sobre esta base, el primer objetivo de la tesis consiste en evaluar los requerimientos de capacidad en las redes de acceso radio que usan IP como tecnología de transporte, de acuerdo a las recientes tendencias de la arquitectura de red. En particular, se analiza el impacto que tiene una solución de transporte basada en IP sobre la capacidad de transporte necesaria para satisfacer los requisitos de calidad de servicio en la red de acceso. La evaluación se realiza en el contexto de la red de acceso radio de UMTS, donde se proporciona una caracterización detallada de la interfaz Iub. El análisis de requerimientos de capacidad se lleva a cabo para dos diferentes escenarios: canales dedicados y canales de alta velocidad. Posteriormente, con el objetivo de aprovechar totalmente los recursos disponibles en el acceso radio y el backhaul, esta tesis propone un marco de gestión conjunta de recursos donde la idea principal consiste en incorporar las métricas de la red de transporte dentro del problema de gestión de recursos. A fin de evaluar los beneficios del marco de gestión de recursos propuesto, esta tesis se centra en la evaluación del problema de asignación de base, como estrategia para distribuir el tráfico entre las estaciones base en función de los niveles de carga tanto en la interfaz radio como en el backhaul. Este problema se analiza inicialmente considerando una red de acceso radio genérica, mediante la definición de un modelo analítico basado en cadenas de Markov. Dicho modelo permite calcular la ganancia de capacidad que puede alcanzar la estrategia de asignación de base propuesta. Posteriormente, el análisis de la estrategia propuesta se extiende considerando tecnologías específicas de acceso radio. En particular, en el contexto de redes WCDMA se desarrolla un algoritmo de asignación de base basado en simulatedannealing cuyo objetivo es maximizar una función de utilidad que refleja el grado de satisfacción de las asignaciones respecto los recursos radio y transporte. Finalmente, esta tesis aborda el diseño y evaluación de un algoritmo de asignación de base para los futuros sistemas de banda ancha basados en OFDMA. En este caso, el problema de asignación de base se modela como un problema de optimización mediante el uso de un marco de funciones de utilidad y funciones de coste de recursos. El problema planteado, que considera que existen restricciones de recursos tanto en la interfaz radio como en el backhaul, es mapeado a un problema de optimización conocido como Multiple-Choice Multidimensional Knapsack Problem (MMKP). Posteriormente, se desarrolla un algoritmo de asignación de base heurístico, el cual es evaluado y comparado con esquemas de asignación basados exclusivamente en criterios radio. El algoritmo concebido se basa en el uso de los multiplicadores de Lagrange y está diseñado para aprovechar de manera simultánea el balanceo de carga en la intefaz radio y el backhaul.Postprint (published version