End-to-End Delay Distribution Analysis for Stochastic Admission Control in Multi-hop Wireless Networks

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Analysis, evaluation and improvement of RT-WMP for real-time and QoS wireless communication: Applications in confined environments

En los ultimos años, la innovación tecnológica, la característica de flexibilidad y el rápido despligue de las redes inalámbricas, han favorecido la difusión de la redes móviles ad-hoc (MANETs), capaces de ofrecer servicios para tareas específicas entre nodos móviles. Los aspectos relacionados al dinamismo de la topología móvil y el acceso a un medio compartido por naturaleza hacen que sea preciso enfrentarse a clases de problemas distintos de los relacionados con la redes cableadas, atrayendo de este modo el interés de la comunidad científica. Las redes ad-hoc suelen soportar tráfico con garantía de servicio mínimo y la mayor parte de las propuestas presentes en literatura tratan de dar garantías de ancho de banda o minimizar el retardo de los mensajes. Sin embargo hay situaciones en las que estas garantías no son suficientes. Este es el caso de los sistemas que requieren garantías mas fuertes en la entrega de los mensajes, como es el caso de los sistemas de tiempo real donde la pérdida o el retraso de un sólo mensaje puede provocar problemas graves. Otras aplicaciones como la videoconferencia, cada vez más extendidas, implican un tráfico de datos con requisitos diferentes, como la calidad de servicio (QoS). Los requisitos de tiempo real y de QoS añaden nuevos retos al ya exigente servicio de comunicación inalámbrica entre estaciones móviles de una MANET. Además, hay aplicaciones en las que hay que tener en cuenta algo más que el simple encaminamiento de los mensajes. Este es el caso de aplicaciones en entornos subterráneos, donde el conocimiento de la evolución de propagación de la señal entre los diferentes nodos puede ser útil para mejorar la calidad de servicio y mantener la conectividad en cada momento. A pesar de ésto, dentro del amplio abanicos de propuestas presente en la literatura, existen un conjunto de limitaciones que van de el mero uso de protocolos simulados a propuestas que no tienen en cuenta entornos no convencionales o que resultan aisladas desde el punto de vista de la integración en sistemas complejos. En esta tesis doctoral, se propone un estudio completo sobre un plataforma inalámbrica de tiempo real, utilizando el protocolo RT-WMP capaz de gestionar trafíco multimedia al mismo tiempo y adaptado al entorno de trabajo. Se propone una extensión para el soporte a los datos con calidad de servicio sin limitar las caractaristícas temporales del protocolo básico. Y con el fin de tener en cuenta el efecto de la propagación de la señal, se caracteriza el entorno por medio de un conjunto de restricciones de conectividad. La solución ha sido desarrollada y su validez ha sido demostrada extensamente en aplicaciones reales en entornos subterráneos, en redes malladas y aplicaciones robóticas

Quality of service differentiation for multimedia delivery in wireless LANs

Delivering multimedia content to heterogeneous devices over a variable networking environment while maintaining high quality levels involves many technical challenges. The research reported in this thesis presents a solution for Quality of Service (QoS)-based service differentiation when delivering multimedia content over the wireless LANs. This thesis has three major contributions outlined below: 1. A Model-based Bandwidth Estimation algorithm (MBE), which estimates the available bandwidth based on novel TCP and UDP throughput models over IEEE 802.11 WLANs. MBE has been modelled, implemented, and tested through simulations and real life testing. In comparison with other bandwidth estimation techniques, MBE shows better performance in terms of error rate, overhead, and loss. 2. An intelligent Prioritized Adaptive Scheme (iPAS), which provides QoS service differentiation for multimedia delivery in wireless networks. iPAS assigns dynamic priorities to various streams and determines their bandwidth share by employing a probabilistic approach-which makes use of stereotypes. The total bandwidth to be allocated is estimated using MBE. The priority level of individual stream is variable and dependent on stream-related characteristics and delivery QoS parameters. iPAS can be deployed seamlessly over the original IEEE 802.11 protocols and can be included in the IEEE 802.21 framework in order to optimize the control signal communication. iPAS has been modelled, implemented, and evaluated via simulations. The results demonstrate that iPAS achieves better performance than the equal channel access mechanism over IEEE 802.11 DCF and a service differentiation scheme on top of IEEE 802.11e EDCA, in terms of fairness, throughput, delay, loss, and estimated PSNR. Additionally, both objective and subjective video quality assessment have been performed using a prototype system. 3. A QoS-based Downlink/Uplink Fairness Scheme, which uses the stereotypes-based structure to balance the QoS parameters (i.e. throughput, delay, and loss) between downlink and uplink VoIP traffic. The proposed scheme has been modelled and tested through simulations. The results show that, in comparison with other downlink/uplink fairness-oriented solutions, the proposed scheme performs better in terms of VoIP capacity and fairness level between downlink and uplink traffic

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks

Contributions to the routing of traffic flows in multi-hop IEEE 802.11 wireless networks

The IEEE 802.11 standard was not initially designed to provide multi-hop capabilities. Therefore, providing a proper traffic performance in Multi-Hop IEEE 802.11 Wireless Networks (MIWNs) becomes a significant challenge. The approach followed in this thesis has been focused on the routing layer in order to obtain applicable solutions not dependent on a specific hardware or driver. Nevertheless, as is the case of most of the research on this field, a cross-layer design has been adopted. Therefore, one of the first tasks of this work was devoted to the study of the phenomena which affect the performance of the flows in MIWNs. Different estimation methodologies and models are presented and analyzed. The first main contribution of this thesis is related to route creation procedures. First, FB-AODV is introduced, which creates routes and forwards packets according to the flows on the contrary to basic AODV which is destination-based. This enhancement permits to balance the load through the network and gives a finer granularity in the control and monitoring of the flows. Results showed that it clearly benefits the performance of the flows. Secondly, a novel routing metric called Weighted Contention and Interference routing Metric (WCIM) is presented. In all analyzed scenarios, WCIM outperformed the other analyzed state-of-the-art routing metrics due to a proper leveraging of the number of hops, the link quality and the suffered contention and interference. The second main contribution of this thesis is focused on route maintenance. Generally, route recovery procedures are devoted to the detection of link breaks due to mobility or fading. However, other phenomena like the arrival of new flows can degrade the performance of active flows. DEMON, which is designed as an enhancement of FB-AODV, allows the preemptive recovery of degraded routes by passively monitoring the performance of active flows. Results showed that DEMON obtains similar or better results than other published solutions in mobile scenarios, while it clearly outperforms the performance of default AODV under congestion Finally, the last chapter of this thesis deals with channel assignment in multi-radio solutions. The main challenge of this research area relies on the circular relationship between channel assignment and routing; channel assignment determines the routes that can be created, while the created routes decide the real channel diversity of the network and the level of interference between the links. Therefore, proposals which join routing and channel assignment are generally complex, centralized and based on traffic patterns, limiting their practical implementation. On the contrary, the mechanisms presented in this thesis are distributed and readily applicable. First, the Interference-based Dynamic Channel Assignment (IDCA) algorithm is introduced. IDCA is a distributed and dynamic channel assignment based on the interference caused by active flows which uses a common channel in order to assure connectivity. In general, IDCA leads to an interesting trade-off between connectivity preservation and channel diversity. Secondly, MR-DEMON is introduced as way of joining channel assignment and route maintenance. As DEMON, MR-DEMON monitors the performance of the active flows traversing the links, but, instead of alerting the source when noticing degradation, it permits reallocating the flows to less interfered channels. Joining route recovery instead of route creation simplifies its application, since traffic patterns are not needed and channel reassignments can be locally decided. The evaluation of MR-DEMON proved that it clearly benefits the performance of IDCA. Also, it improves DEMON functionality by decreasing the number of route recoveries from the source, leading to a lower overhead.El estándar IEEE 802.11 no fue diseñado inicialmente para soportar capacidades multi-salto. Debido a ello, proveer unas prestaciones adecuadas a los flujos de tráfico que atraviesan redes inalámbricas multi-salto IEEE 802.11 supone un reto significativo. La investigación desarrollada en esta tesis se ha centrado en la capa de encaminamiento con el objetivo de obtener soluciones aplicables y no dependientes de un hardware específico. Sin embargo, debido al gran impacto de fenómenos y parámetros relacionados con las capas físicas y de acceso al medio sobre las prestaciones de los tráficos de datos, se han adoptado soluciones de tipo cross-layer. Es por ello que las primeras tareas de la investigación, presentadas en los capítulos iniciales, se dedicaron al estudio y caracterización de estos fenómenos. La primera contribución principal de esta tesis se centra en mecanismos relacionados con la creación de las rutas. Primero, se introduce una mejora del protocolo AODV, que permite crear rutas y encaminar paquetes en base a los flujos de datos, en lugar de en base a los destinos como se da en el caso básico. Esto permite balacear la carga de la red y otorga un mayor control sobre los flujos activos y sus prestaciones, mejorando el rendimiento general de la red. Seguidamente, se presenta una métrica de encaminamiento sensible a la interferencia de la red y la calidad de los enlaces. Los resultados analizados, basados en la simulación de diferentes escenarios, demuestran que mejora significativamente las prestaciones de otras métricas del estado del arte. La segunda contribución está relacionada con el mantenimiento de las rutas activas. Generalmente, los mecanismos de mantenimiento se centran principalmente en la detección de enlaces rotos debido a la movilidad de los nodos o a la propagación inalámbrica. Sin embargo, otros fenómenos como la interferencia y congestión provocada por la llegada de nuevos flujos pueden degradar de forma significativa las prestaciones de los tráficos activos. En base a ello, se diseña un mecanismo de mantenimiento preventivo de rutas, que monitoriza las prestaciones de los flujos activos y permite su reencaminamiento en caso de detectar rutas degradadas. La evaluación de esta solución muestra una mejora significativa sobre el mantenimiento de rutas básico en escenarios congestionados, mientras que en escenarios con nodos móviles obtiene resultados similares o puntualmente mejores que otros mecanismos preventivos diseñados específicamente para casos con movilidad. Finalmente, el último capítulo de la tesis se centra en la asignación de canales en entornos multi-canal y multi-radio con el objetivo de minimizar la interferencia entre flujos activos. El reto principal en este campo es la dependencia circular que se da entre la asignación de canales y la creación de rutas: la asignación de canales determina los enlaces existentes la red y por ello las rutas que se podrán crear, pero son finalmente las rutas y los tráficos activos quienes determinan el nivel real de interferencia que se dará en la red. Es por ello que las soluciones que proponen unificar la asignación de canales y el encaminamiento de tráficos son generalmente complejas, centralizadas y basadas en patrones de tráfico, lo que limita su implementación en entornos reales. En cambio, en nuestro caso adoptamos una solución distribuida y con mayor aplicabilidad. Primero, se define un algoritmo de selección de canales dinámico basado en la interferencia de los flujos activos, que utiliza un canal común en todos los nodos para asegurar la conectividad de la red. A continuación, se introduce un mecanismo que unifica la asignación de canales con el mantenimiento preventivo de las rutas, permitiendo reasignar flujos degradados a otros canales disponibles en lugar de reencaminarlos completamente. Ambas soluciones demuestran ser beneficiosas en este tipo de entornos.Postprint (published version

Analysis and optimal configuration of distributed opportunistic scheduling techniques in wireless networks

The phenomenon of fading in wireless communications has traditionally been considered as a source of unreliability that needs to be mitigated. In contrast, Opportunistic Scheduling (OS) techniques exploit quick channel quality oscillations in fading links, during the assignment of transmission opportunities, to improve the performance of wireless networks. While centralized mechanisms rely on a central entity with global knowledge, Distributed Opportunistic Scheduling (DOS) techniques have recently been proposed to work in distributed networks, i.e., where either such a central entity is not available, or the communication overhead to feed timely information to this central entity is prohibitive. With DOS, each station contends for the channel with a certain access probability. If a contention is successful, the station measures the channel conditions and transmits if the channel quality is above a certain threshold. Otherwise, the station does not use the transmission opportunity, allowing all stations to recontend. Given the fact that different stations, in different time instances, experience different channel conditions, it is likely that the channel is used by a link with better conditions, improving overall performance. In this thesis we first propose ADOS, an adaptive mechanism that drives the system to an optimal allocation of resources in terms of proportional fairness. We show that this mechanism outperforms previous approaches, particularly in scenarios with non-saturated stations (that do not always have data to transmit). The distributed nature of DOS makes it particularly vulnerable to selfish users that seek to maximize their own performance at the expense of those that cooperate for the common welfare. We thus design a punishing mechanism, namely DOC, that (i) drives the system to the optimal point of operation when all stations follow the protocol, and (ii) removes any potential gain by deviating from it (and thus, the incentive to misbehave). Finally, we propose a novel allocation criterion, namely the EF criterion, to balance between the most energy-eficient configuration (where all resources are given to the most energy e cient devices) and the throughput-optimal allocation (where all devices evenly share the resources regardless of their power consumption). Due to the lack of models that accurately predict the power consumption behavior of wireless devices, we perform a thorough experimental study to devise a power consumption model that completes existing literature. Finally, we apply these findings to design an EF-optimal strategy in DOS networks. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------El fenómeno de "fading" o desvanecimiento en comunicaciones inalámbricas se ha considerado tradicionalmente como una fuente de problemas de fiabilidad que debe ser mitigada. En contraste, las técnicas de asignación de recursos oportunistas aprovechan las oscilaciones en la calidad de enlaces para mejorar el rendimiento global. Mientras que los mecanismos centralizados requieren una entidad central con información global, recientemente se han propuesto técnicas oportunistas distribuidas (DOS, por sus siglas en inglés) para operar en redes donde dicha entidad no está disponible, o donde el coste en la comunicación para proporcionarle información puntual es prohibitivo. Con DOS, cada estación contiende por el canal con una cierta probabilidad. Si la contienda resulta exitosa, la estación mide la calidad del canal y transmite si ésta supera un cierto umbral. De lo contrario, la estación no aprovecha esa oportunidad para transmitir, permitiendo a todas las estaciones contender de nuevo. Dado que estaciones diferentes, en distintas instancias de tiempo, experimentan diferentes condiciones de canal, es probable que un enlace con mejores condiciones use el canal, mejorando el rendimiento global. En esta tesis proponemos primero ADOS, un mecanismo adaptativo que lleva al sistema a un reparto óptimo de los recursos en términos de equidad proporcional. Mostramos que este mecanismo supera el rendimiento de trabajos previos, particularmente en escenarios con estaciones no saturados (que no siempre tienen datos que transmitir). La naturaleza distribuida de DOS lo hace particularmente vulnerable a usuarios egoístas que buscan maximizar su rendimiento a expensas de aquellos que cooperan por el bien común. Así, diseñamos un mecanismo, llamado DOC, que (i) optimiza el rendimiento si todos los nodos obedecen el protocolo, y (ii) elimina cualquier posible beneficio por desviarse del mismo (y así, el incentivo a no cooperar). Finalmente, proponemos un nuevo criterio de asignación de recursos, llamado EF, que supone un compromiso entre la configuración más eficiente energéticamente (donde todos los recursos se asignan a los nodos más eficientes) y una asignación donde todos comparten de forma equitativa los recursos sin tener en cuenta su consumo. Dada la falta de modelos para predecir de forma precisa el consumo de dispositivos inalámbricos, llevamos a cabo un estudio experimental que resulta en un modelo energético que completa a la literatura existente. Finalmente, aplicamos lo anterior para diseñar una estrategia que optimiza EF en redes basadas en DOS

Contributions to QoS and energy efficiency in wi-fi networks

The Wi-Fi technology has been in the recent years fostering the proliferation of attractive mobile computing devices with broadband capabilities. Current Wi-Fi radios though severely impact the battery duration of these devices thus limiting their potential applications. In this thesis we present a set of contributions that address the challenge of increasing energy efficiency in Wi-Fi networks. In particular, we consider the problem of how to optimize the trade-off between performance and energy effciency in a wide variety of use cases and applications. In this context, we introduce novel energy effcient algorithms for real-time and data applications, for distributed and centralized Wi-Fi QoS and power saving protocols and for Wi-Fi stations and Access Points. In addition, the di¿erent algorithms presented in this thesis adhere to the following design guidelines: i) they are implemented entirely at layer two, and can hence be easily re-used in any device with a Wi-Fi interface, ii) they do not require modi¿cations to current 802.11 standards, and can hence be readily deployed in existing Wi-Fi devices, and iii) whenever possible they favor client side solutions, and hence mobile computing devices implementing them can benefit from an increased energy efficiency regardless of the Access Point they connect to. Each of our proposed algorithms is thoroughly evaluated by means of both theoretical analysis and packet level simulations. Thus, the contributions presented in this thesis provide a realistic set of tools to improve energy efficiency in current Wi-Fi networks

Quality of Service Support in IEEE 802.11 Wireless LAN

Wireless Local Area Networks (WLANs) are gaining popularity at an unprecedented rate, at home, at work, and in public hot spot locations. As these networks become ubiquitous and an integral part of the infrastructure, they will be increasingly used for multi-media applications. The heart of the current 802.11 WLANs mechanism is the Distributed Coordination Function (DCF) which does not have any Quality of Service (QoS) support. The emergence of multimedia applications, such as the local services in WLANs hotspots and distributions of entertainment in residential WLANs, has prompted research in QoS support for WLANs. The absence of QoS support results in applications with drastically different requirements receiving the same (yet potentially unsatisfactory) service. Without absolute throughput support, the performance of applications with stringent throughput requirements will not be met. Without relative throughput support, heterogeneous types of applications will be treated unfairly and their performance will be poor. Without delay constraint support, time-sensitive applications will not even be possible. The objective of this dissertation is, therefore, to develop a comprehensive and integrated solution to provide effective and efficient QoS support in WLANs in a distributed, fair, scalable, and robust manner.In this dissertation, we present a novel distributed QoS mechanism called Distributed Relative/Absolute Fair Throughput with Delay Support (DRAFT+D). DRAFT+D is de- signed specifically to provide integrated QoS support in IEEE 802.11 WLANs. Unlike any other distributed QoS mechanism, DRAFT+D supports two QoS metrics (throughput and delay) with two QoS models (absolute and relative) under two fairness constraints (utilitarian and temporal fairness) in the same mechanism at the same time a fully distributed manner. DRAFT+D is also equipped with safeguards against excessive traffic injection DRAFT+D operates as a fair-queuing mechanism that controls packet transmissions (a) by using a distributed deficit round robin mechanism and (b) by modifying the way Backoff Interval (BI) are calculated for packets of different traffic classes. Fair relative throughput support is achieved by calculating BI based on the throughput requirements. Absolute throughput and delay support are achieved by allocating sufficient shares of bandwidth to these types of traffic

Cellular and Wi-Fi technologies evolution: from complementarity to competition

This PhD thesis has the characteristic to span over a long time because while working on it, I was working as a research engineer at CTTC with highly demanding development duties. This has delayed the deposit more than I would have liked. On the other hand, this has given me the privilege of witnessing and studying how wireless technologies have been evolving over a decade from 4G to 5G and beyond. When I started my PhD thesis, IEEE and 3GPP were defining the two main wireless technologies at the time, Wi-Fi and LTE, for covering two substantially complementary market targets. Wi-Fi was designed to operate mostly indoor, in unlicensed spectrum, and was aimed to be a simple and cheap technology. Its primary technology for coexistence was based on the assumption that the spectrum on which it was operating was for free, and so it was designed with interference avoidance through the famous CSMA/CA protocol. On the other hand, 3GPP was designing technologies for licensed spectrum, a costly kind of spectrum. As a result, LTE was designed to take the best advantage of it while providing the best QoE in mainly outdoor scenarios. The PhD thesis starts in this context and evolves with these two technologies. In the first chapters, the thesis studies radio resource management solutions for standalone operation of Wi-Fi in unlicensed and LTE in licensed spectrum. We anticipated the now fundamental machine learning trend by working on machine learning-based radio resource management solutions to improve LTE and Wi-Fi operation in their respective spectrum. We pay particular attention to small cell deployments aimed at improving the spectrum efficiency in licensed spectrum, reproducing small range scenarios typical of Wi-Fi settings. IEEE and 3GPP followed evolving the technologies over the years: Wi-Fi has grown into a much more complex and sophisticated technology, incorporating the key features of cellular technologies, like HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling and spatial reuse. On the other hand, since Release 13, cellular networks have also been designed for unlicensed spectrum. As a result, the two last chapters of this thesis focus on coexistence scenarios, in which LTE needs to be designed to coexist with Wi-Fi fairly, and NR, the radio access for 5G, with Wi-Fi in 5 GHz and WiGig in 60 GHz. Unlike LTE, which was adapted to operate in unlicensed spectrum, NR-U is natively designed with this feature, including its capability to operate in unlicensed in a complete standalone fashion, a fundamental new milestone for cellular. In this context, our focus of analysis changes. We consider that these two technological families are no longer targeting complementarity but are now competing, and we claim that this will be the trend for the years to come. To enable the research in these multi-RAT scenarios, another fundamental result of this PhD thesis, besides the scientific contributions, is the release of high fidelity models for LTE and NR and their coexistence with Wi-Fi and WiGig to the ns-3 open-source community. ns-3 is a popular open-source network simulator, with the characteristic to be multi-RAT and so naturally allows the evaluation of coexistence scenarios between different technologies. These models, for which I led the development, are by academic citations, the most used open-source simulation models for LTE and NR and havereceived fundings from industry (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) and federal agencies (NIST, LLNL) over the years.Aquesta tesi doctoral té la característica d’allargar-se durant un llarg període de temps ja que mentre treballava en ella, treballava com a enginyera investigadora a CTTC amb tasques de desenvolupament molt exigents. Això ha endarrerit el dipositar-la més del que m’hagués agradat. D’altra banda, això m’ha donat el privilegi de ser testimoni i estudiar com han evolucionat les tecnologies sense fils durant més d’una dècada des del 4G fins al 5G i més enllà. Quan vaig començar la tesi doctoral, IEEE i 3GPP estaven definint les dues tecnologies sense fils principals en aquell moment, Wi-Fi i LTE, que cobreixen dos objectius de mercat substancialment complementaris. Wi-Fi va ser dissenyat per funcionar principalment en interiors, en espectre sense llicència, i pretenia ser una tecnologia senzilla i barata. La seva tecnologia primària per a la convivència es basava en el supòsit que l’espectre en el que estava operant era de franc, i, per tant, es va dissenyar simplement evitant interferències a través del famós protocol CSMA/CA. D’altra banda, 3GPP estava dissenyant tecnologies per a espectres amb llicència, un tipus d’espectre costós. Com a resultat, LTE està dissenyat per treure’n el màxim profit alhora que proporciona el millor QoE en escenaris principalment a l’aire lliure. La tesi doctoral comença amb aquest context i evoluciona amb aquestes dues tecnologies. En els primers capítols, estudiem solucions de gestió de recursos de radio per a operacions en espectre de Wi-Fi sense llicència i LTE amb llicència. Hem anticipat l’actual tendència fonamental d’aprenentatge automàtic treballant solucions de gestió de recursos de radio basades en l’aprenentatge automàtic per millorar l’LTE i Wi-Fi en el seu espectre respectiu. Prestem especial atenció als desplegaments de cèl·lules petites destinades a millorar la eficiència d’espectre llicenciat, reproduint escenaris de petit abast típics de la configuració Wi-Fi. IEEE i 3GPP van seguir evolucionant les tecnologies al llarg dels anys: El Wi-Fi s’ha convertit en una tecnologia molt més complexa i sofisticada, incorporant les característiques clau de les tecnologies cel·lulars, com ara HARQ i la reutilització espacial. D’altra banda, des de la versió 13, també s’han dissenyat xarxes cel·lulars per a espectre sense llicència. Com a resultat, els dos darrers capítols d’aquesta tesi es centren en aquests escenaris de convivència, on s’ha de dissenyar LTE per conviure amb la Wi-Fi de manera justa, i NR, l’accés a la radio per a 5G amb Wi-Fi a 5 GHz i WiGig a 60 GHz. A diferència de LTE, que es va adaptar per funcionar en espectre sense llicència, NR-U està dissenyat de forma nativa amb aquesta característica, inclosa la seva capacitat per operar sense llicència de forma autònoma completa, una nova fita fonamental per al mòbil. En aquest context, el nostre focus d’anàlisi canvia. Considerem que aquestes dues famílies de tecnologia ja no estan orientades cap a la complementarietat, sinó que ara competeixen, i afirmem que aquesta serà el tendència per als propers anys. Per permetre la investigació en aquests escenaris multi-RAT, un altre resultat fonamental d’aquesta tesi doctoral, a més de les aportacions científiques, és l’alliberament de models d’alta fidelitat per a LTE i NR i la seva coexistència amb Wi-Fi a la comunitat de codi obert ns-3. ns-3 és un popular simulador de xarxa de codi obert, amb la característica de ser multi-RAT i, per tant, permet l’avaluació de manera natural d’escenaris de convivència entre diferents tecnologies. Aquests models, pels quals he liderat el desenvolupament, són per cites acadèmiques, els models de simulació de codi obert més utilitzats per a LTE i NR i que han rebut finançament de la indústria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) i agències federals (NIST, LLNL) al llarg dels anys.Esta tesis doctoral tiene la característica de extenderse durante mucho tiempo porque mientras trabajaba en ella, trabajaba como ingeniera de investigación en CTTC con tareas de desarrollo muy exigentes. Esto ha retrasado el depósito más de lo que me hubiera gustado. Por otro lado, gracias a ello, he tenido el privilegio de presenciar y estudiar como las tecnologías inalámbricas han evolucionado durante una década, de 4G a 5G y más allá. Cuando comencé mi tesis doctoral, IEEE y 3GPP estaban definiendo las dos principales tecnologías inalámbricas en ese momento, Wi-Fi y LTE, cumpliendo dos objetivos de mercado sustancialmente complementarios. Wi-Fi fue diseñado para funcionar principalmente en interiores, en un espectro sin licencia, y estaba destinado a ser una tecnología simple y barata. Su tecnología primaria para la convivencia se basaba en el supuesto en que el espectro en el que estaba operando era gratis, y así fue diseñado simplemente evitando interferencias a través del famoso protocolo CSMA/CA. Por otro lado, 3GPP estaba diseñando tecnologías para espectro con licencia, un tipo de espectro costoso. Como resultado, LTE está diseñado para aprovechar el espectro al máximo proporcionando al mismo tiempo el mejor QoE en escenarios principalmente al aire libre. La tesis doctoral parte de este contexto y evoluciona con estas dos tecnologías. En los primeros capítulos, estudiamos las soluciones de gestión de recursos de radio para operación en espectro Wi-Fi sin licencia y LTE con licencia. Anticipamos la tendencia ahora fundamental de aprendizaje automático trabajando en soluciones de gestión de recursos de radio para mejorar LTE y funcionamiento deWi-Fi en su respectivo espectro. Prestamos especial atención a las implementaciones de células pequeñas destinadas a mejorar la eficiencia de espectro licenciado, reproduciendo los típicos escenarios de rango pequeño de la configuración Wi-Fi. IEEE y 3GPP siguieron evolucionando las tecnologías a lo largo de los años: Wi-Fi se ha convertido en una tecnología mucho más compleja y sofisticada, incorporando las características clave de las tecnologías celulares, como HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling y la reutilización espacial. Por otro lado, desde la Release 13, también se han diseñado redes celulares para espectro sin licencia. Como resultado, los dos últimos capítulos de esta tesis se centran en estos escenarios de convivencia, donde LTE debe diseñarse para coexistir con Wi-Fi de manera justa, y NR, el acceso por radio para 5G con Wi-Fi en 5 GHz y WiGig en 60 GHz. A diferencia de LTE, que se adaptó para operar en espectro sin licencia, NR-U está diseñado de forma nativa con esta función, incluyendo su capacidad para operar sin licencia de forma completamente independiente, un nuevo hito fundamental para los celulares. En este contexto, cambia nuestro enfoque de análisis. Consideramos que estas dos familias tecnológicas ya no tienen como objetivo la complementariedad, sino que ahora están compitiendo, y afirmamos que esta será la tendencia para los próximos años. Para permitir la investigación en estos escenarios de múltiples RAT, otro resultado fundamental de esta tesis doctoral, además de los aportes científicos, es el lanzamiento de modelos de alta fidelidad para LTE y NR y su coexistencia con Wi-Fi y WiGig a la comunidad de código abierto de ns-3. ns-3 es un simulador popular de red de código abierto, con la característica de ser multi-RAT y así, naturalmente, permite la evaluación de escenarios de convivencia entre diferentes tecnologías. Estos modelos, para los cuales lideré el desarrollo, son por citas académicas, los modelos de simulación de código abierto más utilizados para LTE y NR y han recibido fondos de la industria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) y agencias federales (NIST, LLNL) a lo largo de los años.Postprint (published version