Adaptive access class barring for efficient mMTC

[EN] In massive machine-type communications (mMTC), an immense number of wireless devices communicate autonomously to provide users with ubiquitous access to information and services. The current 4G LTE-A cellular system and its Internet of Things (IoT) implementation, the narrowband IoT (NB-IoT), present appealing options for the interconnection of these wireless devices. However, severe congestion may arise whenever a massive number of highly-synchronized access requests occur. Consequently, access control schemes, such as the access class barring (ACB), have become a major research topic. In the latter, the precise selection of the barring parameters in a real-time fashion is needed to maximize performance, but is hindered by numerous characteristics and limitations of the current cellular systems. In this paper, we present a novel ACB configuration (ACBC) scheme that can be directly implemented at the cellular base stations. In our ACBC scheme, we calculate the ratio of idle to total available resources, which then serves as the input to an adaptive filtering algorithm. The main objective of the latter is to enhance the selection of the barring parameters by reducing the effect of the inherent randomness of the system. Results show that our ACBC scheme greatly enhances the performance of the system during periods of high congestion. In addition, the increase in the access delay during periods of light traffic load is minimal.This research has been supported in part by the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain under Grant TIN2013-47272-C2-1-R and Grant TEC2015-71932-REDT. The research of I. Leyva-Mayorga was partially funded by grant 383936 CONACYT-GEM 2014.Leyva-Mayorga, I.; Rodríguez-Hernández, MA.; Pla, V.; Martínez Bauset, J.; Tello-Oquendo, L. (2019). Adaptive access class barring for efficient mMTC. Computer Networks. 149:252-264. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2018.12.003S25226414

Filtering Methods for Efficient Dynamic Access Control in 5G Massive Machine-Type Communication Scenarios

[EN] One of the three main use cases of the fifth generation of mobile networks (5G) is massive machine-type communications (mMTC). The latter refers to the highly synchronized accesses to the cellular base stations from a great number of wireless devices, as a product of the automated exchange of small amounts of data. Clearly, an efficient mMTC is required to support the Internet-of-Things (IoT). Nevertheless, the method to change from idle to connected mode, known as the random access procedure (RAP), of 4G has been directly inherited by 5G, at least, until the first phase of standardization. Research has demonstrated the RAP is inefficient to support mMTC, hence, access control schemes are needed to obtain an adequate performance. In this paper, we compare the benefits of using different filtering methods to configure an access control scheme included in the 5G standards: the access class barring (ACB), according to the intensity of access requests. These filtering methods are a key component of our proposed ACB configuration scheme, which can lead to more than a three-fold increase in the probability of successfully completing the random access procedure under the most typical network configuration and mMTC scenario.This research has been supported in part by the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain under Grant TIN2013-47272-C2-1-R and Grant TEC2015-71932-REDT. The research of I. Leyva-Mayorga was partially funded by grant 383936 CONACYT-GEM 2014.Leyva-Mayorga, I.; Rodríguez-Hernández, MA.; Pla, V.; Martínez Bauset, J. (2019). Filtering Methods for Efficient Dynamic Access Control in 5G Massive Machine-Type Communication Scenarios. Electronics. 8(1):1-18. https://doi.org/10.3390/electronics8010027S11881Laya, A., Alonso, L., & Alonso-Zarate, J. (2014). Is the Random Access Channel of LTE and LTE-A Suitable for M2M Communications? A Survey of Alternatives. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 16(1), 4-16. doi:10.1109/surv.2013.111313.00244Biral, A., Centenaro, M., Zanella, A., Vangelista, L., & Zorzi, M. (2015). The challenges of M2M massive access in wireless cellular networks. Digital Communications and Networks, 1(1), 1-19. doi:10.1016/j.dcan.2015.02.001Tello-Oquendo, L., Leyva-Mayorga, I., Pla, V., Martinez-Bauset, J., Vidal, J.-R., Casares-Giner, V., & Guijarro, L. (2018). Performance Analysis and Optimal Access Class Barring Parameter Configuration in LTE-A Networks With Massive M2M Traffic. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 67(4), 3505-3520. doi:10.1109/tvt.2017.2776868Tavana, M., Rahmati, A., & Shah-Mansouri, V. (2018). Congestion control with adaptive access class barring for LTE M2M overload using Kalman filters. Computer Networks, 141, 222-233. doi:10.1016/j.comnet.2018.01.044Lin, T.-M., Lee, C.-H., Cheng, J.-P., & Chen, W.-T. (2014). PRADA: Prioritized Random Access With Dynamic Access Barring for MTC in 3GPP LTE-A Networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 63(5), 2467-2472. doi:10.1109/tvt.2013.2290128De Andrade, T. P. C., Astudillo, C. A., Sekijima, L. R., & Da Fonseca, N. L. S. (2017). The Random Access Procedure in Long Term Evolution Networks for the Internet of Things. IEEE Communications Magazine, 55(3), 124-131. doi:10.1109/mcom.2017.1600555cmWang, Z., & Wong, V. W. S. (2015). Optimal Access Class Barring for Stationary Machine Type Communication Devices With Timing Advance Information. IEEE Transactions on Wireless Communications, 14(10), 5374-5387. doi:10.1109/twc.2015.2437872Tello-Oquendo, L., Pacheco-Paramo, D., Pla, V., & Martinez-Bauset, J. (2018). Reinforcement Learning-Based ACB in LTE-A Networks for Handling Massive M2M and H2H Communications. 2018 IEEE International Conference on Communications (ICC). doi:10.1109/icc.2018.8422167Leyva-Mayorga, I., Rodriguez-Hernandez, M. A., Pla, V., Martinez-Bauset, J., & Tello-Oquendo, L. (2019). Adaptive access class barring for efficient mMTC. Computer Networks, 149, 252-264. doi:10.1016/j.comnet.2018.12.003Kalalas, C., & Alonso-Zarate, J. (2017). Reliability analysis of the random access channel of LTE with access class barring for smart grid monitoring traffic. 2017 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops). doi:10.1109/iccw.2017.7962744Leyva-Mayorga, I., Tello-Oquendo, L., Pla, V., Martinez-Bauset, J., & Casares-Giner, V. (2016). Performance analysis of access class barring for handling massive M2M traffic in LTE-A networks. 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC). doi:10.1109/icc.2016.7510814Arouk, O., & Ksentini, A. (2016). General Model for RACH Procedure Performance Analysis. IEEE Communications Letters, 20(2), 372-375. doi:10.1109/lcomm.2015.2505280Zhang, Z., Chao, H., Wang, W., & Li, X. (2014). Performance Analysis and UE-Side Improvement of Extended Access Barring for Machine Type Communications in LTE. 2014 IEEE 79th Vehicular Technology Conference (VTC Spring). doi:10.1109/vtcspring.2014.7023042Cheng, R.-G., Chen, J., Chen, D.-W., & Wei, C.-H. (2015). Modeling and Analysis of an Extended Access Barring Algorithm for Machine-Type Communications in LTE-A Networks. IEEE Transactions on Wireless Communications, 14(6), 2956-2968. doi:10.1109/twc.2015.2398858Widrow, B., Glover, J. R., McCool, J. M., Kaunitz, J., Williams, C. S., Hearn, R. H., … Goodlin, R. C. (1975). Adaptive noise cancelling: Principles and applications. Proceedings of the IEEE, 63(12), 1692-1716. doi:10.1109/proc.1975.1003

On reliable and energy efficient massive wireless communications: the road to 5G

La quinta generación de redes móviles (5G) se encuentra a la vuelta de la esquina. Se espera provea de beneficios extraordinarios a la población y que resuelva la mayoría de los problemas de las redes 4G actuales. El éxito de 5G, cuya primera fase de estandarización ha sido completada, depende de tres pilares: comunicaciones tipo-máquina masivas, banda ancha móvil mejorada y comunicaciones ultra fiables y de baja latencia (mMTC, eMBB y URLLC, respectivamente). En esta tesis nos enfocamos en el primer pilar de 5G, mMTC, pero también proveemos una solución para lograr eMBB en escenarios de distribución masiva de contenidos. Específicamente, las principales contribuciones son en las áreas de: 1) soporte eficiente de mMTC en redes celulares; 2) acceso aleatorio para el reporte de eventos en redes inalámbricas de sensores (WSNs); y 3) cooperación para la distribución masiva de contenidos en redes celulares. En el apartado de mMTC en redes celulares, esta tesis provee un análisis profundo del desempeño del procedimiento de acceso aleatorio, que es la forma mediante la cual los dispositivos móviles acceden a la red. Estos análisis fueron inicialmente llevados a cabo por simulaciones y, posteriormente, por medio de un modelo analítico. Ambos modelos fueron desarrollados específicamente para este propósito e incluyen uno de los esquemas de control de acceso más prometedores: access class barring (ACB). Nuestro modelo es uno de los más precisos que se pueden encontrar en la literatura y el único que incorpora el esquema de ACB. Los resultados obtenidos por medio de este modelo y por simulación son claros: los accesos altamente sincronizados que ocurren en aplicaciones de mMTC pueden causar congestión severa en el canal de acceso. Por otro lado, también son claros en que esta congestión se puede prevenir con una adecuada configuración del ACB. Sin embargo, los parámetros de configuración del ACB deben ser continuamente adaptados a la intensidad de accesos para poder obtener un desempeño óptimo. En la tesis se propone una solución práctica a este problema en la forma de un esquema de configuración automática para el ACB; lo llamamos ACBC. Los resultados muestran que nuestro esquema puede lograr un desempeño muy cercano al óptimo sin importar la intensidad de los accesos. Asimismo, puede ser directamente implementado en redes celulares para soportar el tráfico mMTC, ya que ha sido diseñado teniendo en cuenta los estándares del 3GPP. Además de los análisis descritos anteriormente para redes celulares, se realiza un análisis general para aplicaciones de contadores inteligentes. Es decir, estudiamos un escenario de mMTC desde la perspectiva de las WSNs. Específicamente, desarrollamos un modelo híbrido para el análisis de desempeño y la optimización de protocolos de WSNs de acceso aleatorio y basados en cluster. Los resultados muestran la utilidad de escuchar el medio inalámbrico para minimizar el número de transmisiones y también de modificar las probabilidades de transmisión después de una colisión. En lo que respecta a eMBB, nos enfocamos en un escenario de distribución masiva de contenidos, en el que un mismo contenido es enviado de forma simultánea a un gran número de usuarios móviles. Este escenario es problemático, ya que las estaciones base de la red celular no cuentan con mecanismos eficientes de multicast o broadcast. Por lo tanto, la solución que se adopta comúnmente es la de replicar e contenido para cada uno de los usuarios que lo soliciten; está claro que esto es altamente ineficiente. Para resolver este problema, proponemos el uso de esquemas de network coding y de arquitecturas cooperativas llamadas nubes móviles. En concreto, desarrollamos un protocolo para la distribución masiva de contenidos, junto con un modelo analítico para su optimización. Los resultados demuestran que el modelo propuesto es simple y preciso, y que el protocolo puede reducir el conLa cinquena generació de xarxes mòbils (5G) es troba molt a la vora. S'espera que proveïsca de beneficis extraordinaris a la població i que resolga la majoria dels problemes de les xarxes 4G actuals. L'èxit de 5G, per a la qual ja ha sigut completada la primera fase del qual d'estandardització, depén de tres pilars: comunicacions tipus-màquina massives, banda ampla mòbil millorada, i comunicacions ultra fiables i de baixa latència (mMTC, eMBB i URLLC, respectivament, per les seues sigles en anglés). En aquesta tesi ens enfoquem en el primer pilar de 5G, mMTC, però també proveïm una solució per a aconseguir eMBB en escenaris de distribució massiva de continguts. Específicament, les principals contribucions són en les àrees de: 1) suport eficient de mMTC en xarxes cel·lulars; 2) accés aleatori per al report d'esdeveniments en xarxes sense fils de sensors (WSNs); i 3) cooperació per a la distribució massiva de continguts en xarxes cel·lulars. En l'apartat de mMTC en xarxes cel·lulars, aquesta tesi realitza una anàlisi profunda de l'acompliment del procediment d'accés aleatori, que és la forma mitjançant la qual els dispositius mòbils accedeixen a la xarxa. Aquestes anàlisis van ser inicialment dutes per mitjà de simulacions i, posteriorment, per mitjà d'un model analític. Els models van ser desenvolupats específicament per a aquest propòsit i inclouen un dels esquemes de control d'accés més prometedors: el access class barring (ACB). El nostre model és un dels més precisos que es poden trobar i l'únic que incorpora l'esquema d'ACB. Els resultats obtinguts per mitjà d'aquest model i per simulació són clars: els accessos altament sincronitzats que ocorren en aplicacions de mMTC poden causar congestió severa en el canal d'accés. D'altra banda, també són clars en què aquesta congestió es pot previndre amb una adequada configuració de l'ACB. No obstant això, els paràmetres de configuració de l'ACB han de ser contínuament adaptats a la intensitat d'accessos per a poder obtindre unes prestacions òptimes. En la tesi es proposa una solució pràctica a aquest problema en la forma d'un esquema de configuració automàtica per a l'ACB; l'anomenem ACBC. Els resultats mostren que el nostre esquema pot aconseguir un acompliment molt proper a l'òptim sense importar la intensitat dels accessos. Així mateix, pot ser directament implementat en xarxes cel·lulars per a suportar el trànsit mMTC, ja que ha sigut dissenyat tenint en compte els estàndards del 3GPP. A més de les anàlisis descrites anteriorment per a xarxes cel·lulars, es realitza una anàlisi general per a aplicacions de comptadors intel·ligents. És a dir, estudiem un escenari de mMTC des de la perspectiva de les WSNs. Específicament, desenvolupem un model híbrid per a l'anàlisi de prestacions i l'optimització de protocols de WSNs d'accés aleatori i basats en clúster. Els resultats mostren la utilitat d'escoltar el mitjà sense fil per a minimitzar el nombre de transmissions i també de modificar les probabilitats de transmissió després d'una col·lisió. Pel que fa a eMBB, ens enfoquem en un escenari de distribució massiva de continguts, en el qual un mateix contingut és enviat de forma simultània a un gran nombre d'usuaris mòbils. Aquest escenari és problemàtic, ja que les estacions base de la xarxa cel·lular no compten amb mecanismes eficients de multicast o broadcast. Per tant, la solució que s'adopta comunament és la de replicar el contingut per a cadascun dels usuaris que ho sol·liciten; és clar que això és altament ineficient. Per a resoldre aquest problema, proposem l'ús d'esquemes de network coding i d'arquitectures cooperatives anomenades núvols mòbils. En concret, desenvolupem un protocol per a realitzar la distribució massiva de continguts de forma eficient, juntament amb un model analític per a la seua optimització. Els resultats demostren que el model proposat és simple i precísThe 5th generation (5G) of mobile networks is just around the corner. It is expected to bring extraordinary benefits to the population and to solve the majority of the problems of current 4th generation (4G) systems. The success of 5G, whose first phase of standardization has concluded, relies in three pillars that correspond to its main use cases: massive machine-type communication (mMTC), enhanced mobile broadband (eMBB), and ultra-reliable low latency communication (URLLC). This thesis mainly focuses on the first pillar of 5G: mMTC, but also provides a solution for the eMBB in massive content delivery scenarios. Specifically, its main contributions are in the areas of: 1) efficient support of mMTC in cellular networks; 2) random access (RA) event-reporting in wireless sensor networks (WSNs); and 3) cooperative massive content delivery in cellular networks. Regarding mMTC in cellular networks, this thesis provides a thorough performance analysis of the RA procedure (RAP), used by the mobile devices to switch from idle to connected mode. These analyses were first conducted by simulation and then by an analytical model; both of these were developed with this specific purpose and include one of the most promising access control schemes: the access class barring (ACB). To the best of our knowledge, this is one of the most accurate analytical models reported in the literature and the only one that incorporates the ACB scheme. Our results clearly show that the highly-synchronized accesses that occur in mMTC applications can lead to severe congestion. On the other hand, it is also clear that congestion can be prevented with an adequate configuration of the ACB scheme. However, the configuration parameters of the ACB scheme must be continuously adapted to the intensity of access attempts if an optimal performance is to be obtained. We developed a practical solution to this problem in the form of a scheme to automatically configure the ACB; we call it access class barring configuration (ACBC) scheme. The results show that our ACBC scheme leads to a near-optimal performance regardless of the intensity of access attempts. Furthermore, it can be directly implemented in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) cellular systems to efficiently handle mMTC because it has been designed to comply with the 3GPP standards. In addition to the analyses described above for cellular networks, a general analysis for smart metering applications is performed. That is, we study an mMTC scenario from the perspective of event detection and reporting WSNs. Specifically, we provide a hybrid model for the performance analysis and optimization of cluster-based RA WSN protocols. Results showcase the utility of overhearing to minimize the number of packet transmissions, but also of the adaptation of transmission parameters after a collision occurs. Building on this, we are able to provide some guidelines that can drastically increase the performance of a wide range of RA protocols and systems in event reporting applications. Regarding eMBB, we focus on a massive content delivery scenario in which the exact same content is transmitted to a large number of mobile users simultaneously. Such a scenario may arise, for example, with video streaming services that offer a particularly popular content. This is a problematic scenario because cellular base stations have no efficient multicast or broadcast mechanisms. Hence, the traditional solution is to replicate the content for each requesting user, which is highly inefficient. To solve this problem, we propose the use of network coding (NC) schemes in combination with cooperative architectures named mobile clouds (MCs). Specifically, we develop a protocol for efficient massive content delivery, along with the analytical model for its optimization. Results show the proposed model is simple and accurate, and the protocol can lead to energy savings of up to 37 percent when compared to the traditional approach.Leyva Mayorga, I. (2018). On reliable and energy efficient massive wireless communications: the road to 5G [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115484TESI

Análisis Comparativo de Protocolos Frame Slotted-ALOHA en Redes de Sensores

[ES] El objetivo del TFG es realizar un análisis de prestaciones comparado de dos protocolos de acceso al medio (MAC) utilizados en redes de sensores: Frame Slotted-ALOHA with Reservation and Data Packets (FSA-RDP) y FSA-DQ (Distributed Queuing). El protocolo FSA-RDP requiere un mecanismo de access barring adaptativo con la carga que, en caso de congestión, excluya una parte de los nodos que contienden enviando de paquetes de reserva, consiguiendo así maximizar el número de éxitos en el acceso. El ajuste de este mecanismo debe ser realizado por el controlador de la red y puede ser complejo. En cambio, el protocolo FSA-DQ utiliza un mecanismo de cola distribuida que, por sí mismo, se adapta a las condiciones de carga. Los parámetros de mérito que se utilizarán para la evaluación son: la probabilidad de pérdida de paquetes, el caudal cursado y el retardo de acceso. El estudio se realizará mediante simulación por eventos discretos.[EN] The objective of the TFG is to perform a comparative performance analysis of two medium access protocols (MAC) used in sensor networks: Frame Slotted-ALOHA with Reservation and Data Packets (FSA-RDP) and FSA-DQ (Distributed Queuing). The FSA-RDP protocol requires an adaptive access barring mechanism with the load that, in case of congestion, excludes part of the nodes that contend sending reservation packets, thus managing to maximize the number of access successes. The adjustment of this mechanism is done by the network controller and can be complex. Instead, the FSA-DQ protocol uses a distributed queuing mechanism that adapts to load conditions by itself. The performance parameters of merit that will be used for the evaluation are: the packet loss probability, the packet throughput and the access delay. Discrete-event simulation will be used for the study.Cristóbal Ascaso, J. (2021). Análisis Comparativo de Protocolos Frame Slotted-ALOHA en Redes de Sensores. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/174354TFG