A source-destination based dynamic pricing scheme to optimize resource utilization in heterogeneous wireless networks

Mobile wireless resources demand is rapidly growing due to the proliferation of bandwidth-hungry mobile devices and applications. This has resulted in congestion in mobile wireless networks (MWN) especially during the peak hours when user traffic can be as high as tenfold the average traffic. Mobile network operators (MNOs) have been trying to solve this problem in various ways. First, MNOs have tried to expand the network capacity but have still been unable to meet the peak hour demand. Focus has then shifted to economic and behavioral mechanisms. The widely used of these economic mechanisms is dynamic pricing which varies the MWN resources' price according to the congestion level in the MWN. This encourages users to shift their non-critical traffic from the busy hour, when the MWN is congested, to off-peak hours when the network is under-utilized. As a result, congestion of the MWN during the peak hours is reduced. At the same time, the MWN utilization during the off-peak hours is also increased. The current dynamic pricing schemes, however, only consider the congestion level in the call-originating cell and neglect the call-destination cell when computing the dynamic price. Due to this feature, we refer the current dynamic pricing schemes as source–based dynamic pricing (SDP) schemes in this work. The main problem with these schemes is that, when the majority of the users in a congested cell are callees, dynamic pricing is ineffective because callers and not callees pay for network services, and resources used by callers and callees are the same for symmetric services. For example, application of dynamic pricing does not deter a callee located in a congested cell from receiving a call, which originates from a caller located in an uncongested cell. Also, when the distribution of prospective callees is higher than that of callers in an underutilized cell, SDP schemes are ineffective as callees do not pay for a call and therefore low discounts do not entice them to increase utilization. In this distribution, dynamic pricing entices prospective callers to make calls but since their distribution is low, the MWN resource utilization does not increase by any significant margin. To address these problems, we have developed a source-destination based dynamic pricing (SDBDP) scheme, which considers congestion levels in both the call-originating and calldestination cells to compute the dynamic price to be paid by a caller. This SDBDP scheme is integrated with a load-based joint call admission control (JCAC) algorithm for admitting incoming service requests in to the least utilized radio access technology (RAT). The load-based JCAC algorithm achieves uniform traffic distribution in the heterogeneous wireless network (HWN). To test the SDBDP scheme, we have developed an analytical model based on M/M/m/m queuing model. New or handoff service requests, arriving when all the RATs in the HWN are fully utilized, lead to call blocking for new calls and call dropping for handoff calls. The call blocking probability, call dropping probability and percentage MWN utilization are used as the performance metrics in evaluating the SDBDP scheme. An exponential demand model is used to approximate the users' response to the presented dynamic price. The exponential demand model captures both the price elasticity of demand and the demand shift constant for different users. The matrix laboratory (MATLAB) tool has been used to carry out the numerical simulations. An evaluation scenario consisting of four groups of co-located cells each with three RATs is used. Both SDP and the developed SDBDP schemes have been subjected under the evaluation scenario. Simulation results show that the developed SDBDP scheme reduces both the new call blocking and handoff call dropping probabilities during the peak hours, for all callercallee distributions. On the other hand, the current SDP scheme only reduces new call blocking and handoff call dropping probabilities only under some caller –callee distributions (When the callers were the majority in the HWN). Also, the SDBDP scheme increases the percentage MWN utilization during the off-peak for all the caller-callee distributions in the HWN. On the other hand, the SDP scheme is found to increase the percentage MWN utilization only when the distribution of callers is higher than that of callees in the HWN. From analyzing the simulations results, we conclude that the SDBDP scheme achieves better congestion control and MWN resource utilization than the existing SDP schemes, under arbitrary caller-callee distribution

Through the clouds : urban analytics for smart cities

Data has been collected since mankind, but in the recent years the technical innovations enable us to collect exponentially growing amounts of data through the use of sensors, smart devices and other sources. In her lecture Nanda will explore the role of Big Data in urban environments. She will give an introduction to the world of Big Data and Smart Cities, and an assessment of the role that data analytics plays in the current state of the digital transformation in our cities. Examples are given in the field of energy and mobility

Behaviour based anomaly detection system for smartphones using machine learning algorithm

In this research, we propose a novel, platform independent behaviour-based anomaly detection system for smartphones. The fundamental premise of this system is that every smartphone user has unique usage patterns. By modelling these patterns into a profile we can uniquely identify users. To evaluate this hypothesis, we conducted an experiment in which a data collection application was developed to accumulate real-life dataset consisting of application usage statistics, various system metrics and contextual information from smartphones. Descriptive statistical analysis was performed on our dataset to identify patterns of dissimilarity in smartphone usage of the participants of our experiment. Following this analysis, a Machine Learning algorithm was applied on the dataset to create a baseline usage profile for each participant. These profiles were compared to monitor deviations from baseline in a series of tests that we conducted, to determine the profiling accuracy. In the first test, seven day smartphone usage data consisting of eight features and an observation interval of one hour was used and an accuracy range of 73.41% to 100% was achieved. In this test, 8 out 10 user profiles were more than 95% accurate. The second test, utilised the entire dataset and achieved average accuracy of 44.50% to 95.48%. Not only these results are very promising in differentiating participants based on their usage, the implications of this research are far reaching as our system can also be extended to provide transparent, continuous user authentication on smartphones or work as a risk scoring engine for other Intrusion Detection System

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

Improved planning and resource management in next generation green mobile communication networks

In upcoming years, mobile communication networks will experience a disruptive reinventing process through the deployment of post 5th Generation (5G) mobile networks. Profound impacts are expected on network planning processes, maintenance and operations, on mobile services, subscribers with major changes in their data consumption and generation behaviours, as well as on devices itself, with a myriad of different equipment communicating over such networks. Post 5G will be characterized by a profound transformation of several aspects: processes, technology, economic, social, but also environmental aspects, with energy efficiency and carbon neutrality playing an important role. It will represent a network of networks: where different types of access networks will coexist, an increasing diversity of devices of different nature, massive cloud computing utilization and subscribers with unprecedented data-consuming behaviours. All at greater throughput and quality of service, as unseen in previous generations. The present research work uses 5G new radio (NR) latest release as baseline for developing the research activities, with future networks post 5G NR in focus. Two approaches were followed: i) method re-engineering, to propose new mechanisms and overcome existing or predictably existing limitations and ii) concept design and innovation, to propose and present innovative methods or mechanisms to enhance and improve the design, planning, operation, maintenance and optimization of 5G networks. Four main research areas were addressed, focusing on optimization and enhancement of 5G NR future networks, the usage of edge virtualized functions, subscriber’s behavior towards the generation of data and a carbon sequestering model aiming to achieve carbon neutrality. Several contributions have been made and demonstrated, either through models of methodologies that will, on each of the research areas, provide significant improvements and enhancements from the planning phase to the operational phase, always focusing on optimizing resource management. All the contributions are retro compatible with 5G NR and can also be applied to what starts being foreseen as future mobile networks. From the subscriber’s perspective and the ultimate goal of providing the best quality of experience possible, still considering the mobile network operator’s (MNO) perspective, the different proposed or developed approaches resulted in optimization methods for the numerous problems identified throughout the work. Overall, all of such contributed individually but aggregately as a whole to improve and enhance globally future mobile networks. Therefore, an answer to the main question was provided: how to further optimize a next-generation network - developed with optimization in mind - making it even more efficient while, simultaneously, becoming neutral concerning carbon emissions. The developed model for MNOs which aimed to achieve carbon neutrality through CO2 sequestration together with the subscriber’s behaviour model - topics still not deeply focused nowadays – are two of the main contributions of this thesis and of utmost importance for post-5G networks.Nos próximos anos espera-se que as redes de comunicações móveis se reinventem para lá da 5ª Geração (5G), com impactos profundos ao nível da forma como são planeadas, mantidas e operacionalizadas, ao nível do comportamento dos subscritores de serviços móveis, e através de uma miríade de dispositivos a comunicar através das mesmas. Estas redes serão profundamente transformadoras em termos tecnológicos, económicos, sociais, mas também ambientais, sendo a eficiência energética e a neutralidade carbónica aspetos que sofrem uma profunda melhoria. Paradoxalmente, numa rede em que coexistirão diferentes tipos de redes de acesso, mais dispositivos, utilização massiva de sistema de computação em nuvem, e subscritores com comportamentos de consumo de serviços inéditos nas gerações anteriores. O trabalho desenvolvido utiliza como base a release mais recente das redes 5G NR (New Radio), sendo o principal focus as redes pós-5G. Foi adotada uma abordagem de "reengenharia de métodos” (com o objetivo de propor mecanismos para resolver limitações existentes ou previsíveis) e de “inovação e design de conceitos”, em que são apresentadas técnicas e metodologias inovadoras, com o principal objetivo de contribuir para um desenho e operação otimizadas desta geração de redes celulares. Quatro grandes áreas de investigação foram endereçadas, contribuindo individualmente para um todo: melhorias e otimização generalizada de redes pós-5G, a utilização de virtualização de funções de rede, a análise comportamental dos subscritores no respeitante à geração e consumo de tráfego e finalmente, um modelo de sequestro de carbono com o objetivo de compensar as emissões produzidas por esse tipo de redes que se prevê ser massiva, almejando atingir a neutralidade carbónica. Como resultado deste trabalho, foram feitas e demonstradas várias contribuições, através de modelos ou metodologias, representando em cada área de investigação melhorias e otimizações, que, todas contribuindo para o mesmo objetivo, tiveram em consideração a retro compatibilidade e aplicabilidade ao que se prevê que sejam as futuras redes pós 5G. Focando sempre na perspetiva do subscritor da melhor experiência possível, mas também no lado do operador de serviço móvel – que pretende otimizar as suas redes, reduzir custos e maximizar o nível de qualidade de serviço prestado - as diferentes abordagens que foram desenvolvidas ou propostas, tiveram como resultado a resolução ou otimização dos diferentes problemas identificados, contribuindo de forma agregada para a melhoria do sistema no seu todo, respondendo à questão principal de como otimizar ainda mais uma rede desenvolvida para ser extremamente eficiente, tornando-a, simultaneamente, neutra em termos de emissões de carbono. Das principais contribuições deste trabalho relevam-se precisamente o modelo de compensação das emissões de CO2, com vista à neutralidade carbónica e um modelo de análise comportamental dos subscritores, dois temas ainda pouco explorados e extremamente importantes em contexto de redes futuras pós-5G

Optimal dynamic pricing strategies for mobile communication networks.

Techniques from engineering, economics and control theory are used in this thesis to investigate the effectiveness of dynamic pricing for demand control and capacity optimisation in cellular mobile networks. The scope is extended to include pricing strategies that can provide a certain target revenue for the network operator. Algorithms for the application of dynamic pricing in voice and data networks are suggested. Mathematical models are developed to predict the effect of dynamic pricing on the network operator's market share and the overall user demand, including the effect of variable tariffs on user mobility. The question of setting the optimal tariff for a given system load is addressed and three dynamic price setting methods suggested. The first, competition driven ad hoc pricing, is used to identify the most sensitive parameters in the model, namely the revenue generated and the level of call blocking in the network. Two further tariffs (linear revenue attainment and optimal revenue attainment) are then developed for controlling the system and ensuring optimal behaviour. The tariffs are tested using a seven-cell cellular model developed with OPNET TM. Simulation results show that the performance of the competition driven ad hoc and linear revenue attainment linear pricing strategies is varied and they lead to either a significant reduction in the revenue of the network operator or the welfare of users. The optimal revenue attainment price setting strategy, on the other hand, is shown to be an effective tool for generating the desired revenue, while decreasing the average price in the network and increasing the number of successful calls. In addition, it is suggested that the optimal dynamic pricing strategy could potentially increase a network operator's market share by up to 10% compared to traditional pricing policies, thus offering a viable pricing alternative

Proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC 1990)

Presented here are the proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC), held June 17-20, 1990 in Ottawa, Canada. Topics covered include future mobile satellite communications concepts, aeronautical applications, modulation and coding, propagation and experimental systems, mobile terminal equipment, network architecture and control, regulatory and policy considerations, vehicle antennas, and speech compression