Efficient spectrum reuse in cellular networks with stochastic optimization

[SPA]Aproximadamente cada diez a~nos, una nueva tecnolog a celular es desarrollada y puesta en el mercado. Sin embargo, lo operadores se ven obligados a mantener sus redes antiguas debido a que no todos los usuarios migran a nuevas redes a la vez. Por tanto, el espectro asociado a esas redes antiguas cada vez est a m as infrautilizado. Usando t ecnicas de radio cognitiva, el operador puede permitir a los usuarios de las redes m as nuevas a reutilizar ese espectro. Se propone un esquema de acceso semi-distribuido donde el operador gu a al usuario secundario difundiendo algunos par ametros operacionales de la estrategia de acceso. Este mecanismo aprende de forma din amica los par ametros optimos por medio del algoritmo Response Surface Methodology (RSM), que requiere muy poca se~nalizaci on. Los resultados muestras un notable aumento de la capacidad comparado con los cl asicos esquemas de uso de oportunidades temporales o espaciales.[ENG]As cellular network technology evolves, the operators deploy new generation networks while maintaining their legacy networks, since not all users upgrade their terminals at the same pace. Therefore, the spectrum associated to these legacy networks becomes gradually underused. By means of cognitive radio techniques, the operator can allow its new generation terminals to reuse this spectrum. We propose a semi-decentralized scheme in which the operator guides the secondary access by broadcasting some operational parameters of the access strategy. The mechanism dynamically learns the optimal parameters by means of a response surface methodology (RSM), implying a very small signaling overhead. Our results show a notable capacity improvement compared to the classical approaches of exploiting spatial or temporal opportunities.Escuela Técnica Superior de Ingeniería de TelecomunicaciónUniversidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de Cartagen

Cognitive Radio for Smart Grid with Security Considerations

In this paper, we investigate how Cognitive Radio as a means of communication can be utilized to serve a smart grid deployment end to end, from a home area network to power generation. We show how Cognitive Radio can be mapped to integrate the possible different communication networks within a smart grid large scale deployment. In addition, various applications in smart grid are defined and discussed showing how Cognitive Radio can be used to fulfill their communication requirements. Moreover, information security issues pertained to the use of Cognitive Radio in a smart grid environment at different levels and layers are discussed and mitigation techniques are suggested. Finally, the well-known Role-Based Access Control (RBAC) is integrated with the Cognitive Radio part of a smart grid communication network to protect against unauthorized access to customer’s data and to the network at large

Opportunistic communications in large uncoordinated networks

(English) The increase of wireless devices offering high data rate services limits the coexistence of wireless systems sharing the same resources in a given geographical area because of inter-system interference. Therefore, interference management plays a key role in permitting the coexistence of several heterogeneous communication services. However, classical interference management strategies require lateral information giving rise to the need for inter-system coordination and cooperation, which is not always practical. Opportunistic communications offer a potential solution to the problem of inter-system interference management. The basic principle of opportunistic communications is to efficiently and robustly exploit the resources available in a wireless network and adapt the transmitted signals to the state of the network to avoid inter-system interference. Therefore, opportunistic communications depend on inferring the available network resources that can be safely exploited without inducing interference in coexisting communication nodes. Once the available network resources are identified, the most prominent opportunistic communication techniques consist in designing scenario-adapted precoding/decoding strategies to exploit the so-called null space. Despite this, classical solutions in the literature suffer from two main drawbacks: the lack of robustness to detection errors and the need for intra-system cooperation. This thesis focuses on the design of a null space-based opportunistic communication scheme that addresses the drawbacks exhibited by existing methodologies under the assumption that opportunistic nodes do not cooperate. For this purpose, a generalized detection error model independent of the null-space identification mechanism is introduced that allows the design of solutions that exhibit minimal inter-system interference in the worst case. These solutions respond to a maximum signal-to-interference ratio (SIR) criterion, which is optimal under non-cooperative conditions. The proposed methodology allows the design of a family of orthonormal waveforms that perform a spreading of the modulated symbols within the detected null space, which is key to minimizing the induced interference density. The proposed solutions are invariant within the inferred null space, allowing the removal of the feedback link without giving up coherent waveform detection. In the absence of coordination, the waveform design relies solely on locally sensed network state information, inducing a mismatch between the null spaces identified by the transmitter and receiver that may worsen system performance. Although the proposed solution is robust to this mismatch, the design of enhanced receivers using active subspace detection schemes is also studied. When the total number of network resources increases arbitrarily, the proposed solutions tend to be linear combinations of complex exponentials, providing an interpretation in the frequency domain. This asymptotic behavior allows us to adapt the proposed solution to frequency-selective channels by means of a cyclic prefix and to study an efficient modulation similar to the time division multiplexing scheme but using circulant waveforms. Finally, the impact of the use of multiple antennas in opportunistic null space-based communications is studied. The performed analysis reveals that, in any case, the structure of the antenna clusters affects the opportunistic communication, since the proposed waveform mimics the behavior of a single-antenna transmitter. On the other hand, the number of sensors employed translates into an improvement in terms of SIR.(Català) El creixement incremental dels dispositius sense fils que requereixen serveis d'alta velocitat de dades limita la coexistència de sistemes sense fils que comparteixen els mateixos recursos en una àrea geogràfica donada a causa de la interferència entre sistemes. Conseqüentment, la gestió d'interferència juga un paper fonamental per a facilitar la coexistència de diversos serveis de comunicació heterogenis. No obstant això, les estratègies clàssiques de gestió d'interferència requereixen informació lateral originant la necessitat de coordinació i cooperació entre sistemes, que no sempre és pràctica. Les comunicacions oportunistes ofereixen una solució potencial al problema de la gestió de les interferències entre sistemes. El principi bàsic de les comunicacions oportunistes és explotar de manera eficient i robusta els recursos disponibles en una xarxa sense fils i adaptar els senyals transmesos a l'estat de la xarxa per evitar interferències entre sistemes. Per tant, les comunicacions oportunistes depenen de la inferència dels recursos de xarxa disponibles que poden ser explotats de manera segura sense induir interferència en els nodes de comunicació coexistents. Una vegada que s'han identificat els recursos de xarxa disponibles, les tècniques de comunicació oportunistes més prominents consisteixen en el disseny d'estratègies de precodificació/descodificació adaptades a l'escenari per explotar l'anomenat espai nul. Malgrat això, les solucions clàssiques en la literatura sofreixen dos inconvenients principals: la falta de robustesa als errors de detecció i la necessitat de cooperació intra-sistema. Aquesta tesi tracta el disseny d'un esquema de comunicació oportunista basat en l'espai nul que afronta els inconvenients exposats per les metodologies existents assumint que els nodes oportunistes no cooperen. Per a aquest propòsit, s'introdueix un model generalitzat d'error de detecció independent del mecanisme d'identificació de l'espai nul que permet el disseny de solucions que exhibeixen interferències mínimes entre sistemes en el cas pitjor. Aquestes solucions responen a un criteri de màxima relació de senyal a interferència (SIR), que és òptim en condicions de no cooperació. La metodologia proposada permet dissenyar una família de formes d'ona ortonormals que realitzen un spreading dels símbols modulats dins de l'espai nul detectat, que és clau per minimitzar la densitat d’interferència induïda. Les solucions proposades són invariants dins de l'espai nul inferit, permetent suprimir l'enllaç de retroalimentació i, tot i així, realitzar una detecció coherent de forma d'ona. Sota l’absència de coordinació, el disseny de la forma d'ona es basa únicament en la informació de l'estat de la xarxa detectada localment, induint un desajust entre els espais nuls identificats pel transmissor i receptor que pot empitjorar el rendiment del sistema. Tot i que la solució proposada és robusta a aquest desajust, també s'estudia el disseny de receptors millorats fent ús de tècniques de detecció de subespai actiu. Quan el nombre total de recursos de xarxa augmenta arbitràriament, les solucions proposades tendeixen a ser combinacions lineals d'exponencials complexes, proporcionant una interpretació en el domini freqüencial. Aquest comportament asimptòtic permet adaptar la solució proposada a entorns selectius en freqüència fent ús d'un prefix cíclic i estudiar una modulació eficient derivada de l'esquema de multiplexat per divisió de temps emprant formes d'ona circulant. Finalment, s’estudia l'impacte de l'ús de múltiples antenes en comunicacions oportunistes basades en l'espai nul. L'anàlisi realitzada permet concloure que, en cap cas, l'estructura de les agrupacions d'antenes tenen un impacte sobre la comunicació oportunista, ja que la forma d'ona proposada imita el comportament d'un transmissor mono-antena. D'altra banda, el nombre de sensors emprat es tradueix en una millora en termes de SIR.(Español) El incremento de los dispositivos inalámbricos que ofrecen servicios de alta velocidad de datos limita la coexistencia de sistemas inalámbricos que comparten los mismos recursos en un área geográfica dada a causa de la interferencia inter-sistema. Por tanto, la gestión de interferencia juega un papel fundamental para facilitar la coexistencia de varios servicios de comunicación heterogéneos. Sin embargo, las estrategias clásicas de gestión de interferencia requieren información lateral originando la necesidad de coordinación y cooperación entre sistemas, que no siempre es práctica. Las comunicaciones oportunistas ofrecen una solución potencial al problema de la gestión de las interferencias entre sistemas. El principio básico de las comunicaciones oportunistas es explotar de manera eficiente y robusta los recursos disponibles en una red inalámbricas y adaptar las señales transmitidas al estado de la red para evitar interferencias entre sistemas. Por lo tanto, las comunicaciones oportunistas dependen de la inferencia de los recursos de red disponibles que pueden ser explotados de manera segura sin inducir interferencia en los nodos de comunicación coexistentes. Una vez identificados los recursos disponibles, las técnicas de comunicación oportunistas más prominentes consisten en el diseño de estrategias de precodificación/descodificación adaptadas al escenario para explotar el llamado espacio nulo. A pesar de esto, las soluciones clásicas en la literatura sufren dos inconvenientes principales: la falta de robustez a los errores de detección y la necesidad de cooperación intra-sistema. Esta tesis propone diseñar un esquema de comunicación oportunista basado en el espacio nulo que afronta los inconvenientes expuestos por las metodologías existentes asumiendo que los nodos oportunistas no cooperan. Para este propósito, se introduce un modelo generalizado de error de detección independiente del mecanismo de identificación del espacio nulo que permite el diseño de soluciones que exhiben interferencias mínimas entre sistemas en el caso peor. Estas soluciones responden a un criterio de máxima relación de señal a interferencia (SIR), que es óptimo en condiciones de no cooperación. La metodología propuesta permite diseñar una familia de formas de onda ortonormales que realizan un spreading de los símbolos modulados dentro del espacio nulo detectado, que es clave para minimizar la densidad de interferencia inducida. Las soluciones propuestas son invariantes dentro del espacio nulo inferido, permitiendo suprimir el enlace de retroalimentación sin renunciar a la detección coherente de forma de onda. En ausencia de coordinación, el diseño de la forma de onda se basa únicamente en la información del estado de la red detectada localmente, induciendo un desajuste entre los espacios nulos identificados por el transmisor y receptor que puede empeorar el rendimiento del sistema. A pesar de que la solución propuesta es robusta a este desajuste, también se estudia el diseño de receptores mejorados usando técnicas de detección de subespacio activo. Cuando el número total de recursos de red aumenta arbitrariamente, las soluciones propuestas tienden a ser combinaciones lineales de exponenciales complejas, proporcionando una interpretación en el dominio frecuencial. Este comportamiento asintótico permite adaptar la solución propuesta a canales selectivos en frecuencia mediante un prefijo cíclico y estudiar una modulación eficiente derivada del esquema de multiplexado por división de tiempo empleando formas de onda circulante. Finalmente, se estudia el impacto del uso de múltiples antenas en comunicaciones oportunistas basadas en el espacio nulo. El análisis realizado revela que la estructura de las agrupaciones de antenas no afecta la comunicación oportunista, ya que la forma de onda propuesta imita el comportamiento de un transmisor mono-antena. Por otro lado, el número de sensores empleado se traduce en una mejora en términos de SIR.Postprint (published version

Towards UAV Assisted 5G Public Safety Network

Ensuring ubiquitous mission-critical public safety communications (PSC) to all the first responders in the public safety network is crucial at an emergency site. The first responders heavily rely on mission-critical PSC to save lives, property, and national infrastructure during a natural or human-made emergency. The recent advancements in LTE/LTE-Advanced/5G mobile technologies supported by unmanned aerial vehicles (UAV) have great potential to revolutionize PSC. However, limited spectrum allocation for LTE-based PSC demands improved channel capacity and spectral efficiency. An additional challenge in designing an LTE-based PSC network is achieving at least 95% coverage of the geographical area and human population with broadband rates. The coverage requirement and efficient spectrum use in the PSC network can be realized through the dense deployment of small cells (both terrestrial and aerial). However, there are several challenges with the dense deployment of small cells in an air-ground heterogeneous network (AG-HetNet). The main challenges which are addressed in this research work are integrating UAVs as both aerial user and aerial base-stations, mitigating inter-cell interference, capacity and coverage enhancements, and optimizing deployment locations of aerial base-stations. First, LTE signals were investigated using NS-3 simulation and software-defined radio experiment to gain knowledge on the quality of service experienced by the user equipment (UE). Using this understanding, a two-tier LTE-Advanced AG-HetNet with macro base-stations and unmanned aerial base-stations (UABS) is designed, while considering time-domain inter-cell interference coordination techniques. We maximize the capacity of this AG-HetNet in case of a damaged PSC infrastructure by jointly optimizing the inter-cell interference parameters and UABS locations using a meta-heuristic genetic algorithm (GA) and the brute-force technique. Finally, considering the latest specifications in 3GPP, a more realistic three-tier LTE-Advanced AG-HetNet is proposed with macro base-stations, pico base-stations, and ground UEs as terrestrial nodes and UABS and aerial UEs as aerial nodes. Using meta-heuristic techniques such as GA and elitist harmony search algorithm based on the GA, the critical network elements such as energy efficiency, inter-cell interference parameters, and UABS locations are all jointly optimized to maximize the capacity and coverage of the AG-HetNet

Energy Efficient Small Cell Planning For High Capacity Wireless Networks

This thesis presents a new strategy to densify Small Cells (i.e., add more low powered base stations within macro networks) and enhance the coverage and capacity of Heterogeneous Networks. This is accomplished by designing Micro Cell for outdoor applications, Pico and Femtocell for indoor applications. It is shown that, there exists a free space propagation medium in all propagation environments due to Fresnel zones, and the path loss slope within this zone is similar to free space propagation medium. This forms the basis of our development of the present work. The salient feature of the proposed work has two main considerations (a) The cell radius of Small Cells must be within the first Fresnel zone break point, and (b) The minimum inter-cell distance must be greater than twice of Small Cell radius. The proposed network is simulated in real a radio network simulator called ATOLL. The simulation results showed that densify Small Cells not only enhanced the capacity and coverage of Heterogeneous Networks but also improved the carrier to interference ratio significantly. Since the proposed work allows UE (user equipment) to have Line of Sight (LOS) communication with the serving cell, and UE can have higher uplink (UL) signal to interference plus noise ratio (SINR) that will further allow UE to reduce its transmission power, which will consequently lead to a longer battery life for the UE and reduce the interference in the system