A MAC protocol for IP-based CDMA wireless networks.

Thesis (M.Sc.)-University of KwaZulu-Natal, Durban, 2005.The evolution of the intemet protocol (IP) to offer quality of service (QoS) makes it a suitable core network protocol for next generation networks (NGN). The QoS features incorporated to IP will enable future lP-based wireless networks to meet QoS requirements of various multimedia traffic. The Differentiated Service (Diffserv) Architecture is a promising QoS technology due to its scalability which arises from traffic flow aggregates. For this reason, in this dissertation a network infrastructure based on DiffServ is assumed. This architecture provides assured service (AS) and premium service (PrS) classes in addition to best-effort service (BE). The medium access control (MAC) protocol is one of the important design issues in wireless networks. In a wireless network carrying multimedia traffic, the MAC protocol is required to provide simultaneous support for a wide variety of traffic types, support traffic with delay and jitter bounds, and assign bandwidth in an efficient and fair manner among traffic classes. Several MAC protocols capable of supporting multimedia services have been proposed in the literature, the majority of which were designed for wireless A1M (Asynchronous Transfer Mode). The focus of this dissertation is on time division multiple access and code division multiple access (TDMAlCDMA) based MAC protocols that support QoS in lP-based wireless networks. This dissertation begins by giving a survey of wireless MAC protocols. The survey considers MAC protocols for centralised wireless networks and classifies them according to their multiple access technology and as well as their method of resource sharing. A novel TDMAlCDMA based MAC protocol incorporating techniques from existing protocols is then proposed. To provide the above-mentioned services, the bandwidth is partitioned amongst AS and PrS classes. The BE class utilizes the remaining bandwidth from the two classes because it does not have QoS requirements. The protocol employs a demand assignment (DA) scheme to support traffic from PrS and AS classes. BE traffic is supported by a random reservation access scheme with dual multiple access interference (MAl) admission thresholds. The performance of the protocol, i.e. the AS or PrS call blocking probability, and BE throughput are evaluated through Markov analytical models and Monte-Carlo simulations. Furthermore, the protocol is modified and incorporated into IEEE 802.16 broadband wireless access (BWA) network

A slotted-CDMA based wireless-ATM link layer : guaranteeing QoS over a wireless link.

Thesis (M.Sc.)-University of Natal, Durban, 2000.Future wireless networks will have to handle varying combinations of multimedia traffic that present the network with numerous quality of service (QoS) requirements. The continuously growing demand for mobile phones has resulted in radio spectrum becoming a precious resource that cannot be wasted. The current second-generation mobile networks are designed for voice communication and, even with the enhancements being implemented to accommodate data, they cannot efficiently handle the multimedia traffic demands that will be introduced in the near future. This thesis begins with a survey of existing wireless ATM (WATM) protocols, followed by an examination of some medium access control (MAC) protocols, supporting multimedia traffic, and based on code division multiple access (CDMA) physical layers. A WATM link layer protocol based on a CDMA physical layer, and incorporating techniques from some of the surveyed protocols, is then proposed. The MAC protocol supports a wide range of service requirements by utilising a flexible scheduling algorithm that takes advantage of the graceful degradation of CDMA with increasing user interference to schedule cells for transmission according to their maximum bit error rate (BER) requirements. The data link control (DLC) accommodates the various traffic types by allowing virtual channels (VCs) to make use of forward error correction (FEc) or retransmission techniques. The proposed link layer protocol has been implemented on a Blue Wave Systems DSP board that forms part of Alcatel Altech Telecoms' software radio platform. The details and practicality of the implementation are presented. A simulation model for the protocol has been developed using MIL3 's Opnet Modeler. Hence, both simulated and measured performance results are presented before the thesis concludes with suggestions for improvements and future work

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