Optimization of the interoperability and dynamic spectrum management in mobile communications systems beyond 3G

The future wireless ecosystem will heterogeneously integrate a number of overlapped Radio Access Technologies (RATs) through a common platform. A major challenge arising from the heterogeneous network is the Radio Resource Management (RRM) strategy. A Common RRM (CRRM) module is needed in order to provide a step toward network convergence. This work aims at implementing HSDPA and IEEE 802.11e CRRM evaluation tools. Innovative enhancements to IEEE 802.11e have been pursued on the application of cross-layer signaling to improve Quality of Service (QoS) delivery, and provide more efficient usage of radio resources by adapting such parameters as arbitrary interframe spacing, a differentiated backoff procedure and transmission opportunities, as well as acknowledgment policies (where the most advised block size was found to be 12). Besides, the proposed cross-layer algorithm dynamically changes the size of the Arbitration Interframe Space (AIFS) and the Contention Window (CW) duration according to a periodically obtained fairness measure based on the Signal to Interference-plus-Noise Ratio (SINR) and transmission time, a delay constraint and the collision rate of a given machine. The throughput was increased in 2 Mb/s for all the values of the load that have been tested whilst satisfying more users than with the original standard. For the ad hoc mode an analytical model was proposed that allows for investigating collision free communications in a distributed environment. The addition of extra frequency spectrum bands and an integrated CRRM that enables spectrum aggregation was also addressed. RAT selection algorithms allow for determining the gains obtained by using WiFi as a backup network for HSDPA. The proposed RAT selection algorithm is based on the load of each system, without the need for a complex management system. Simulation results show that, in such scenario, for high system loads, exploiting localization while applying load suitability optimization based algorithm, can provide a marginal gain of up to 450 kb/s in the goodput. HSDPA was also studied in the context of cognitive radio, by considering two co-located BSs operating at different frequencies (in the 2 and 5 GHz bands) in the same cell. The system automatically chooses the frequency to serve each user with an optimal General Multi-Band Scheduling (GMBS) algorithm. It was shown that enabling the access to a secondary band, by using the proposed Integrated CRRM (iCRRM), an almost constant gain near 30 % was obtained in the throughput with the proposed optimal solution, compared to a system where users are first allocated in one of the two bands and later not able to handover between the bands. In this context, future cognitive radio scenarios where IEEE 802.11e ad hoc modes will be essential for giving access to the mobile users have been proposed

3G Wideband CDMA : packet-based optimisation for high data-rate downlink transmission

A third generation (3G) of mobile communication systems, based on Wideband CDMA, are intended to offer high-speed packet-based services. Network operators wish to maximise the throughput in the downlink of3G systems, which requires efficient allocation ofresources. This thesis considers the problem ofmaximising throughput in an interference dominated channel. Cooperative broadcasting is a theoretical technique to mitigate this problem. Its implementation in practical systems requires efficient resource allocati.on to maximise the thr(oughput whilst meeting system and user-imposed constramts. A resource allocation approach is presented for implementing cooperative broadcasting. Users are paired and a teclmique for allocating resources between the pair is developed. Then, a method for pairing the users is considered. Simulation results are presented, which show a throughput improvement over existing resource allocation approaches. The problem ofcontrolling the distribution ofrandomly arriving data to meet the resource allocation specifications is examined. A single-threshold buffer is proposed, which requires fewer calculations than an existing double-threshold buffer. Simulation results are presented which show a throughput improvement may be realised, greater than that which would achievable using other rate control schemes. Cooperative broadcasting may lead to transmissions to some users being allocated low power. When full channel infonnation is available at the transmitter, a water filling solution may be used to maximise capacity. However, when combined with buffer management, erasure may result. This erasure may be overcome using an erasure protection code. Such a code is examined. When combined with Turbo coding, ajoint detector may be used for providing error and erasure protection. Analysis ofthis detector shows a lower limit on the error rate, dependent on the probability of erasure. Simulation results show that using this approach the error rate is significantly improved. This code can then be used to increase capacity, whilst achieving low error rates.Imperial Users onl

QoS management in UMTS terrestrial radio access FDD networks

This work investigates the role and importance of some of the key aspects of QoS planning, provisioning, monitoring and optimisation (QoS Management) for UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA) FDD networks within the framework of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Firstly, the differences between Quality of end user Experience (QoE) and Quality of Service (QoS) are explained. This is followed by a review of 3GPP requirements for QoS concept and architecture. Then all models and the main assumptions in this dissertation are presented. Based on these, original QoS mechanisms in the radio access network domain, means and methods for QoS provisioning, planning, monitoring and "optimisation" are discussed. Simulation results showed substantial spectral efficiency gains provided by service (or user) differentiation in UTRAN by means of priorities and differentiated parameter settings. When appropriately configured, the proposed QoS mechanisms can greatly reduce the need for bandwidth. Performance results proved also the proposed virtual time simulator to be an appropriate tool for service driven WCDMA radio interface dimensioning and detailed radio network planning. It is also shown that measuring QoS performance by a proper classification of counters (and or gauges), based on a particular subset of radio access bearer attributes, is a promising technique for assessing performances of service applications through WCDMA networks. With this new method there is no need to trace upper layer protocols at different interfaces or dumping data in mobile terminals. The proposed metrics allow operators to measure the bandwidth required for robust statistical reliability, to assess and exploit statistical sharing of resources, to configure QoS functions effectively, and to monitor QoE. The application of the proposed technique is not limited to the WCDMA Radio Network Subsystem (RNS), yet it can be deployed in any radio access and packet core network supporting mapping of performance indicators onto a particular subset of QoS attributes. Finally, in order to maximise the performance of the available services in UTRAN, at a given QoE, simulation results showed clear needs for the network administrator to adapt the parameter settings to diverse input application traffic conditions and the proposed genetic approach to be an appropriate solution space search algorithm for this purpose.reviewe

Packet scheduling in satellite LTE networks employing MIMO technology.

Doctor of Philosophy in Electronic Engineering. University of KwaZulu-Natal, Durban 2014.Rapid growth in the number of mobile users and ongoing demand for different types of telecommunication services from mobile networks, have driven the need for new technologies that provide high data rates and satisfy their respective Quality of Service (QoS) requirements, irrespective of their location. The satellite component will play a vital role in these new technologies, since the terrestrial component is not able to provide global coverage due to economic and technical limitations. This has led to the emergence of Satellite Long Term Evolution (LTE) networks which employ Multiple-In Multiple-Out (MIMO) technology. In order to achieve the set QoS targets, required data rates and fairness among various users with different traffic demands in the satellite LTE network, it is crucial to design an effective scheduling and a sub-channel allocation scheme that will provide an optimal balance of all these requirements. It is against this background that this study investigates packet scheduling in satellite LTE networks employing MIMO technology. One of the main foci of this study is to propose new cross-layer based packet scheduling schemes, tagged Queue Aware Fair (QAF) and Channel Based Queue Sensitive (CBQS) scheduling schemes. The proposed schemes are designed to improve both fairness and network throughput without compromising users’ QoS demands, as they provide a good trade-off between throughput, QoS demands and fairness. They also improve the performance of the network in comparison with other scheduling schemes. The comparison is determined through simulations. Due to the fact that recent schedulers provide a trade-off among major performance indices, a new performance index to evaluate the overall performance of each scheduler is derived. This index is tagged the Scheduling Performance Metric (SPM). The study also investigates the impact of the long propagation delay and different effective isotropic radiated powers on the performance of the satellite LTE network. The results show that both have a significant impact on network performance. In order to actualize an optimal scheduling scheme for the satellite LTE network, the scheduling problem is formulated as an optimization function and an optimal solution is obtained using Karush-Kuhn-Tucker multipliers. The obtained Near Optimal Scheduling Scheme (NOSS), whose aim is to maximize the network throughput without compromising users’ QoS demands and fairness, provides better throughput and spectral efficiency performance than other schedulers. The comparison is determined through simulations. Based on the new SPM, the proposed NOSS1 and NOSS2 outperform other schedulers. A stability analysis is also presented to determine whether or not the proposed scheduler will provide a stable network. A fluid limit technique is used for the stability analysis. Finally, a sub-channel allocation scheme is proposed, with the aim of providing a better sub-channel or Physical Resource Block (PRB) allocation method, tagged the Utility Auction Based (UAB) subchannel allocation scheme that will improve the system performance of the satellite LTE network. The results show that the proposed method performs better than the other scheme. The comparison is obtained through simulations

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

Optimization of Mobility Parameters using Fuzzy Logic and Reinforcement Learning in Self-Organizing Networks

In this thesis, several optimization techniques for next-generation wireless networks are proposed to solve different problems in the field of Self-Organizing Networks and heterogeneous networks. The common basis of these problems is that network parameters are automatically tuned to deal with the specific problem. As the set of network parameters is extremely large, this work mainly focuses on parameters involved in mobility management. In addition, the proposed self-tuning schemes are based on Fuzzy Logic Controllers (FLC), whose potential lies in the capability to express the knowledge in a similar way to the human perception and reasoning. In addition, in those cases in which a mathematical approach has been required to optimize the behavior of the FLC, the selected solution has been Reinforcement Learning, since this methodology is especially appropriate for learning from interaction, which becomes essential in complex systems such as wireless networks. Taking this into account, firstly, a new Mobility Load Balancing (MLB) scheme is proposed to solve persistent congestion problems in next-generation wireless networks, in particular, due to an uneven spatial traffic distribution, which typically leads to an inefficient usage of resources. A key feature of the proposed algorithm is that not only the parameters are optimized, but also the parameter tuning strategy. Secondly, a novel MLB algorithm for enterprise femtocells scenarios is proposed. Such scenarios are characterized by the lack of a thorough deployment of these low-cost nodes, meaning that a more efficient use of radio resources can be achieved by applying effective MLB schemes. As in the previous problem, the optimization of the self-tuning process is also studied in this case. Thirdly, a new self-tuning algorithm for Mobility Robustness Optimization (MRO) is proposed. This study includes the impact of context factors such as the system load and user speed, as well as a proposal for coordination between the designed MLB and MRO functions. Fourthly, a novel self-tuning algorithm for Traffic Steering (TS) in heterogeneous networks is proposed. The main features of the proposed algorithm are the flexibility to support different operator policies and the adaptation capability to network variations. Finally, with the aim of validating the proposed techniques, a dynamic system-level simulator for Long-Term Evolution (LTE) networks has been designed