Dynamic bandwidth scheduling and burst construction algorithm for downlink in (4G) mobile WiMAX networks

Advanced wireless systems, also called fourth generation (4G) wireless systems, such as Mobile Worldwide interoperability for Microwave Access (WiMAX), are developed to provide broadband wireless access in true sense. Therefore, it becomes mandatory for such kind of systems to provide Quality of Service (QoS) support for wide range of applications. In such types of systems, wireless base stations are responsible for distributing proper amount of bandwidth among different mobile users, thus satisfying a user’s QoS requirements. The task of distributing proper amount of bandwidth rests upon a scheduling algorithm, typically executed at the base station. 2G and 3G wireless systems are able to provide only voice, low data rate, and delay insensitive services, such as Web browsing. This is due to the lack of development in digital modulation and multiple access schemes, which are two major aspects of physical layer of these systems. Digital modulation is used to combat with location-dependent channel errors which get introduced in the data transmitted by base station on a wireless channel to a mobile station. Hence, different locations of every mobile station in a cell coverage area require different modulation and coding schemes for error-free transmission. Link adaptation is a technique that makes the use of variable modulation and coding schemes possible, according to varying location of mobile stations. This technique is used by 4G systems to achieve error free transmissions. 2G and 3G systems are not capable of achieving error-free transmissions in many cases due to significantly fewer or no choice of modulation and coding schemes for different locations of mobile stations. In such cases, most of the time, wireless channel is either error-prone or error-free for mobile station. Scheduling algorithms developed for 2G and 3G systems focussed on providing long term average rate requirements of users, which are satisfied at the expense of zero transmission for mobile users experiencing bad or error prone channel. This approach was adopted to achieve efficient use of wireless channel capacity. This was the best approach adopted by majority of scheduling algorithms because delay sensitive applications were not supported in such systems and hence bounded delay was not a matter of concern. Hence, the majority of the algorithms focussed on providing long term average rate requirements while maximizing cell throughput. This helped in making efficient use of wireless channel capacity at the expense of zero transmission for mobile users experiencing bad channel and compromising delay performance. These approaches, however, will not be suitable for 4G systems as such systems support wide range of applications ranging from delay-insensitive to highly delay-sensitive. Hence in this thesis, a dynamic bandwidth scheduling algorithm called Leaky Bucket Token Bank (LBTB) is proposed. This algorithm exploits some advanced features of 4G systems, like link adaptation and multiple access scheme, to achieve long term average rate requirements for delay-insensitive applications and bounded delay for delay-sensitive applications. Advanced features of 4G systems also bring more challenges. One such challenge is Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), a multiple access scheme deployed in 4G systems. In OFDMA, scheduled data for different mobile stations is packed into bursts and mapped to a two dimensional structure of time and frequency, called OFDMA frame. It has been observed that the way bursts are mapped to OFDMA frame affects the wakeup time of mobile stations receiving data and therefore causes power consumption. Wakeup time is the time duration in OFDMA frame for which the mobile station becomes active. Since OFDMA frame is a limited and precious radio resource, the efficient use of such radio resource is necessary. Efficient use requires that the wastage of such radio resource be minimized. Hence in this thesis, a burst construction algorithm called Burst Construction for Fairness in Power (BCFP) is also proposed. The algorithm attempts to achieve fairness in power consumption of different mobile stations by affecting their wakeup time. It also attempts to minimize wastage of radio resources. For comparing the performance of joint proposed algorithms (LBTB+BCFP), the proposed burst construction algorithm (BCFP) is joined to the two other existing scheduling algorithms namely: Token Bank Fair Queuing (TBFQ) and Adaptive Token Bank Fair Queuing (ATBFQ). TBFQ is an algorithm developed for 3G wireless networks whereas, ATBFQ is an extension to the TBFQ and is developed for 4G wireless networks. Therefore, the performance of the proposed algorithms jointly together (LBTB+BCFP) is compared with the joint TBFQ and proposed burst construction algorithm (TBFQ+BCFP), as well as joint ATBFQ and proposed burst construction algorithm (ATBFQ+BCFP). We compare the performance in terms of average queuing delay, average cell throughput, packet loss, fairness among different mobile users, fairness in average wakeup times (average power consumption), and fraction of radio resources wasted. The performance of proposed burst construction algorithm (BCFP) is also compared with Round Robin algorithm in terms of fairness in average power consumption as well as fraction of radio resources wasted, for varying number of users

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