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

Admission Control for Multiuser Communication Systems

During the last few years, broadband wireless communication has experienced very rapid growth in telecommunications industry. Hence, the performance analysis of such systems is one of the most important topics. However, accurate systems’ analysis requires first good modeling of the network traffic. Moreover, broadband wireless communication should achieve certain performance in order to satisfy the customers as well as the operators. Therefore, some call admission control techniques should be integrated with wireless networks in order to deny new users/services if accepting them will lead to degrade the network performance to less than the allowed threshold. This thesis mainly discusses the above two issues which can be summarized as follows. First issue is the traffic modeling of wireless communication. The performance analysis is discussed in terms of the quality of services (QoS) and also the grade of services (GoS). Different scenarios have been studies such as enhancing the GoS of handover users. The second issue is the admission control algorithms. Admission Control is part of radio resource management. The performance of admission control is affected by channel characteristics such as fading and interference. Hence, some wireless channel characteristics are introduced briefly. Seven different channel allocation schemes have been discussed and analyzed. Moreover, different admission control algorithms are analyzed such as power-based and multi-classes fuzzy-logic based. Some simulations analyses are given as well to show the system performance of different algorithms and scenarios.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Technology Forecasting for Wireless Communication

Wireless communications technologies have undergone rapid changes over the last 30 years from analog approaches to digital-based systems. These technologies have improved on many fronts including bandwidth, range, and power requirements. Development of new telecommunications technologies is critical. It requires many years of efforts. In order to be competitive, it is critical to establish a roadmap of future technologies. This paper presents a framework to characterize, assess and forecast the wireless communication technologies. A DEA-based methodology was used for predicting the state-of-the-art in future wireless communications technologies

Radio network planning and optimisation for WCDMA

The present thesis introduces the radio network planning process and optimisation for WCDMA (FDD mode), as defined by 3GPP. This thesis consists of three parts: modelling and tools for radio network planning, process for pre-operational network control and optimisation for the operational network. General challenges to face in 3G network control are based on the fact that many issues are interconnected and should be simultaneously considered, such as Planning means not only to meet current status and demands, but the solution should also comply with the future requirements by providing an acceptable development path. Traffic modelling is not only the question about the total amount of traffic growth, but also the question about the future service distribution and performance demands. All CDMA systems have a relation between capacity and coverage. Consequently, the network planning itself is not only based on propagation estimation but also on the interference situation in the network. Ideally, site selection consideration will be done based on the network analysis with planned load and traffic/service portfolio, taking possible co-siting constraints into account. Provision of multiple services and seamless management of at least two multiple access systems require rapid evolution of the management tools and processes. The network performance in terms of capacity, quality, and implementation and operational costs forms a multidimensional space. Operators' task will be to convert the business strategy to an operating point in the performance space in a cost efficient manner. The contribution of this thesis in terms of modelling and tools is as follows: Improvement of the accuracy of radio link budget by introducing power control headroom (also called fast fading margin). Improvement of loading equation by introducing a transmit power increase term. Development of theory and modelling for a planning tool capable of multi-service and multi-carrier interference, capacity and coverage analysis. Development and implementation an interface taking into account the true traffic distribution (not uniform) and terminal speed. In the area of pre-operational planning process the contribution of this thesis is as follows: Development of dimensioning methodology for multi-service network site density estimation, utilising the modelling of power control headroom, transmit power increase, soft handover and Eb/N0. Development of radio network planning process for multi-service environment including capacity and coverage evaluation for a given traffic mixture, quality and area requirements. Analysis of means to improve radio network performance with Mast Head Amplifier (MHA), diversity reception, sectorisation and proper antenna selection. In the area of optimisation of the operational network the contribution of this thesis is as follows: Definition for optimisation target in the case of 3G. The optimisation will be capacity-quality trade-off management instead of plain quality improvement process. Introduction of Self Organizing Map (SOM) in the analysis of cellular networks. Analysis of the applicability of SOM in WCDMA cellular network optimisation. Introduction of SOM based applications to support network capacity-quality trade-off management. It is worth noting that process and methods described in this work are not limited to 3G systems with WCDMA radio access technology, but they are applicable to other CDMA standards as well.reviewe

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

Self-Organized Coverage and Capacity Optimization for Cellular Mobile Networks

Die zur Erfüllung der zu erwartenden Steigerungen übertragener Datenmengen notwendige größere Heterogenität und steigende Anzahl von Zellen werden in der Zukunft zu einer deutlich höheren Komplexität bei Planung und Optimierung von Funknetzen führen. Zusätzlich erfordern räumliche und zeitliche Änderungen der Lastverteilung eine dynamische Anpassung von Funkabdeckung und -kapazität (Coverage-Capacity-Optimization, CCO). Aktuelle Planungs- und Optimierungsverfahren sind hochgradig von menschlichem Einfluss abhängig, was sie zeitaufwändig und teuer macht. Aus diesen Grnden treffen Ansätze zur besseren Automatisierung des Netzwerkmanagements sowohl in der Industrie, als auch der Forschung auf groes Interesse.Selbstorganisationstechniken (SO) haben das Potential, viele der aktuell durch Menschen gesteuerten Abläufe zu automatisieren. Ihnen wird daher eine zentrale Rolle bei der Realisierung eines einfachen und effizienten Netzwerkmanagements zugeschrieben. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit selbstorganisierter Optimierung von Abdeckung und Übertragungskapazität in Funkzellennetzwerken. Der Parameter der Wahl hierfür ist die Antennenneigung. Die zahlreichen vorhandenen Ansätze hierfür befassen sich mit dem Einsatz heuristischer Algorithmen in der Netzwerkplanung. Im Gegensatz dazu betrachtet diese Arbeit den verteilten Einsatz entsprechender Optimierungsverfahren in den betreffenden Netzwerkknoten. Durch diesen Ansatz können zentrale Fehlerquellen (Single Point of Failure) und Skalierbarkeitsprobleme in den kommenden heterogenen Netzwerken mit hoher Knotendichte vermieden werden.Diese Arbeit stellt einen "Fuzzy Q-Learning (FQL)"-basierten Ansatz vor, ein einfaches Maschinenlernverfahren mit einer effektiven Abstraktion kontinuierlicher Eingabeparameter. Das CCO-Problem wird als Multi-Agenten-Lernproblem modelliert, in dem jede Zelle versucht, ihre optimale Handlungsstrategie (d.h. die optimale Anpassung der Antennenneigung) zu lernen. Die entstehende Dynamik der Interaktion mehrerer Agenten macht die Fragestellung interessant. Die Arbeit betrachtet verschiedene Aspekte des Problems, wie beispielsweise den Unterschied zwischen egoistischen und kooperativen Lernverfahren, verteiltem und zentralisiertem Lernen, sowie die Auswirkungen einer gleichzeitigen Modifikation der Antennenneigung auf verschiedenen Knoten und deren Effekt auf die Lerneffizienz.Die Leistungsfähigkeit der betrachteten Verfahren wird mittels eine LTE-Systemsimulators evaluiert. Dabei werden sowohl gleichmäßig verteilte Zellen, als auch Zellen ungleicher Größe betrachtet. Die entwickelten Ansätze werden mit bekannten Lösungen aus der Literatur verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen Lösungen effektiv auf Änderungen im Netzwerk und der Umgebung reagieren können. Zellen stellen sich selbsttätig schnell auf Ausfälle und Inbetriebnahmen benachbarter Systeme ein und passen ihre Antennenneigung geeignet an um die Gesamtleistung des Netzes zu verbessern. Die vorgestellten Lernverfahren erreichen eine bis zu 30 Prozent verbesserte Leistung als bereits bekannte Ansätze. Die Verbesserungen steigen mit der Netzwerkgröße.The challenging task of cellular network planning and optimization will become more and more complex because of the expected heterogeneity and enormous number of cells required to meet the traffic demands of coming years. Moreover, the spatio-temporal variations in the traffic patterns of cellular networks require their coverage and capacity to be adapted dynamically. The current network planning and optimization procedures are highly manual, which makes them very time consuming and resource inefficient. For these reasons, there is a strong interest in industry and academics alike to enhance the degree of automation in network management. Especially, the idea of Self-Organization (SO) is seen as the key to simplified and efficient cellular network management by automating most of the current manual procedures. In this thesis, we study the self-organized coverage and capacity optimization of cellular mobile networks using antenna tilt adaptations. Although, this problem is widely studied in literature but most of the present work focuses on heuristic algorithms for network planning tool automation. In our study we want to minimize this reliance on these centralized tools and empower the network elements for their own optimization. This way we can avoid the single point of failure and scalability issues in the emerging heterogeneous and densely deployed networks.In this thesis, we focus on Fuzzy Q-Learning (FQL), a machine learning technique that provides a simple learning mechanism and an effective abstraction level for continuous domain variables. We model the coverage-capacity optimization as a multi-agent learning problem where each cell is trying to learn its optimal action policy i.e. the antenna tilt adjustments. The network dynamics and the behavior of multiple learning agents makes it a highly interesting problem. We look into different aspects of this problem like the effect of selfish learning vs. cooperative learning, distributed vs. centralized learning as well as the effect of simultaneous parallel antenna tilt adaptations by multiple agents and its effect on the learning efficiency.We evaluate the performance of the proposed learning schemes using a system level LTE simulator. We test our schemes in regular hexagonal cell deployment as well as in irregular cell deployment. We also compare our results to a relevant learning scheme from literature. The results show that the proposed learning schemes can effectively respond to the network and environmental dynamics in an autonomous way. The cells can quickly respond to the cell outages and deployments and can re-adjust their antenna tilts to improve the overall network performance. Additionally the proposed learning schemes can achieve up to 30 percent better performance than the available scheme from literature and these gains increases with the increasing network size

Applications of Soft Computing in Mobile and Wireless Communications

Soft computing is a synergistic combination of artificial intelligence methodologies to model and solve real world problems that are either impossible or too difficult to model mathematically. Furthermore, the use of conventional modeling techniques demands rigor, precision and certainty, which carry computational cost. On the other hand, soft computing utilizes computation, reasoning and inference to reduce computational cost by exploiting tolerance for imprecision, uncertainty, partial truth and approximation. In addition to computational cost savings, soft computing is an excellent platform for autonomic computing, owing to its roots in artificial intelligence. Wireless communication networks are associated with much uncertainty and imprecision due to a number of stochastic processes such as escalating number of access points, constantly changing propagation channels, sudden variations in network load and random mobility of users. This reality has fuelled numerous applications of soft computing techniques in mobile and wireless communications. This paper reviews various applications of the core soft computing methodologies in mobile and wireless communications

Intelligent genetic algorithms for next-generation broadband multi-carrier CDMA wireless networks

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.This dissertation proposes a novel intelligent system architecture for next-generation broadband multi-carrier CDMA wireless networks. In our system, two novel and similar intelligent genetic algorithms, namely Minimum Distance guided GAs (MDGAs) are invented for both peak-to-average power ratio (PAPR) reduction at the transmitter side and multi-user detection (MUD) at the receiver side. Meanwhile, we derive a theoretical BER performance analysis for the proposed MC-CDMA system in A WGN channel. Our analytical results show that the theoretical BER performance of synchronized MC-CDMA system is the same as that of the synchronized DS-CDMA system which is also used as a theoretical guidance of our novel MUD receiver design. In contrast to traditional GAs, our MDGAs start with a balanced ratio of exploration and exploitation which is maintained throughout the process. In our algorithms, a new replacement strategy is designed which increases significantly the convergence rate and reduces dramatically computational complexity as compared to the conventional GAs. The simulation results demonstrate that, if compared to those schemes using exhaustive search and traditional GAs, (1) our MDGA-based P APR reduction scheme achieves 99.52% and 50+% reductions in computational complexity, respectively; (2) our MDGA-based MUD scheme achieves 99.54% and 50+% reductions in computational complexity, respectively. The use of one core MDGA solution for both issues can ease the hardware design and dramatically reduce the implementation cost in practice