Random Linear Network Coding for 5G Mobile Video Delivery

An exponential increase in mobile video delivery will continue with the demand for higher resolution, multi-view and large-scale multicast video services. Novel fifth generation (5G) 3GPP New Radio (NR) standard will bring a number of new opportunities for optimizing video delivery across both 5G core and radio access networks. One of the promising approaches for video quality adaptation, throughput enhancement and erasure protection is the use of packet-level random linear network coding (RLNC). In this review paper, we discuss the integration of RLNC into the 5G NR standard, building upon the ideas and opportunities identified in 4G LTE. We explicitly identify and discuss in detail novel 5G NR features that provide support for RLNC-based video delivery in 5G, thus pointing out to the promising avenues for future research.Comment: Invited paper for Special Issue "Network and Rateless Coding for Video Streaming" - MDPI Informatio

Radio network management in cognitive LTE-Femtocell Systems

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University London.There is a strong uptake of femtocell deployment as small cell application platforms in the upcoming LTE networks. In such two-tier networks of LTEfemtocell base stations, a large portion of the assigned spectrum is used sporadically leading to underutilisation of valuable frequency resources. Novel spectrum access techniques are necessary to solve these current spectrum inefficiency problems. Therefore, spectrum management solutions should have the features to improve spectrum access in both temporal and spatial manner. Cognitive Radio (CR) with the Dynamic Spectrum Access (DSA) is considered to be the key technology in this research in order to increase the spectrum efficiency. This is an effective solution to allow a group of Secondary Users (SUs) to share the radio spectrum initially allocated to the Primary User (PUs) at no interference. The core aim of this thesis is to develop new cognitive LTE-femtocell systems that offer a 4G vision, to facilitate the radio network management in order to increase the network capacity and further improve spectrum access probabilities. In this thesis, a new spectrum management model for cognitive radio networks is considered to enable a seamless integration of multi-access technology with existing networks. This involves the design of efficient resource allocation algorithms that are able to respond to the rapid changes in the dynamic wireless environment and primary users activities. Throughout this thesis a variety of network upgraded functions are developed using application simulation scenarios. Therefore, the proposed algorithms, mechanisms, methods, and system models are not restricted in the considered networks, but rather have a wider applicability to be used in other technologies. This thesis mainly investigates three aspects of research issues relating to the efficient management of cognitive networks: First, novel spectrum resource management modules are proposed to maximise the spectrum access by rapidly detecting the available transmission opportunities. Secondly, a developed pilot power controlling algorithm is introduced to minimise the power consumption by considering mobile position and application requirements. Also, there is investigation on the impact of deploying different numbers of femtocell base stations in LTE domain to identify the optimum cell size for future networks. Finally, a novel call admission control mechanism for mobility management is proposed to support seamless handover between LTE and femtocell domains. This is performed by assigning high speed mobile users to the LTE system to avoid unnecessary handovers. The proposed solutions were examined by simulation and numerical analysis to show the strength of cognitive femtocell deployment for the required applications. The results show that the new system design based on cognitive radio configuration enable an efficient resource management in terms of spectrum allocation, adaptive pilot power control, and mobile handover. The proposed framework and algorithms offer a novel spectrum management for self organised LTE-femtocell architecture. Eventually, this research shows that certain architectures fulfilling spectrum management requirements are implementable in practice and display good performance in dynamic wireless environments which recommends the consideration of CR systems in LTE and femtocell networks

Mobility-Aware Video Streaming in MIMO-Capable Heterogeneous Wireless Networks

Multiple input and multiple output (MIMO) is a well-known technique for the exploitation of the spatial multiplexing (MUX) and spatial diversity (DIV) gains that improve transmission quality and reliability. In this paper, we propose a quality-adaptive scheme for handover and forwarding that supports mobile-video-streaming services in MIMO-capable, heterogeneous wireless-access networks such as those for Wi-Fi and LTE. Unlike previous handover schemes, we propose an appropriate metric for the selection of the wireless technology and the MIMO mode, whereby a new address availability and the wireless-channel quality, both of which are in a new wireless-access network so that the handover and video-playing delays are reduced, are considered. While an MN maintains its original care-of address (oCoA), the video packets destined for the MN are forwarded with the MIMO technique (MUX mode or DIV mode) on top of a specific wireless technology from the previous Access Router (pAR) to the new Access Router (nAR) until they finally reach the MN; however, to guarantee a high video-streaming quality and to limit the video-packet-forwarding hops between the pAR and the nAR, the MN creates a new CoA (nCOA) within the delay threshold of the QoS/quality of experience (QoE) satisfaction result, and then, as much as possible, the video packet is forwarded with the MUX. Through extensive simulations, we show that the proposed scheme is a significant improvement upon the other schemes

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission