Optimization and Performance Analysis of High Speed Mobile Access Networks

The end-to-end performance evaluation of high speed broadband mobile access networks is the main focus of this work. Novel transport network adaptive flow control and enhanced congestion control algorithms are proposed, implemented, tested and validated using a comprehensive High speed packet Access (HSPA) system simulator. The simulation analysis confirms that the aforementioned algorithms are able to provide reliable and guaranteed services for both network operators and end users cost-effectively. Further, two novel analytical models one for congestion control and the other for the combined flow control and congestion control which are based on Markov chains are designed and developed to perform the aforementioned analysis efficiently compared to time consuming detailed system simulations. In addition, the effects of the Long Term Evolution (LTE) transport network (S1and X2 interfaces) on the end user performance are investigated and analysed by introducing a novel comprehensive MAC scheduling scheme and a novel transport service differentiation model

Packet scheduling in satellite LTE networks employing MIMO technology.

Doctor of Philosophy in Electronic Engineering. University of KwaZulu-Natal, Durban 2014.Rapid growth in the number of mobile users and ongoing demand for different types of telecommunication services from mobile networks, have driven the need for new technologies that provide high data rates and satisfy their respective Quality of Service (QoS) requirements, irrespective of their location. The satellite component will play a vital role in these new technologies, since the terrestrial component is not able to provide global coverage due to economic and technical limitations. This has led to the emergence of Satellite Long Term Evolution (LTE) networks which employ Multiple-In Multiple-Out (MIMO) technology. In order to achieve the set QoS targets, required data rates and fairness among various users with different traffic demands in the satellite LTE network, it is crucial to design an effective scheduling and a sub-channel allocation scheme that will provide an optimal balance of all these requirements. It is against this background that this study investigates packet scheduling in satellite LTE networks employing MIMO technology. One of the main foci of this study is to propose new cross-layer based packet scheduling schemes, tagged Queue Aware Fair (QAF) and Channel Based Queue Sensitive (CBQS) scheduling schemes. The proposed schemes are designed to improve both fairness and network throughput without compromising users’ QoS demands, as they provide a good trade-off between throughput, QoS demands and fairness. They also improve the performance of the network in comparison with other scheduling schemes. The comparison is determined through simulations. Due to the fact that recent schedulers provide a trade-off among major performance indices, a new performance index to evaluate the overall performance of each scheduler is derived. This index is tagged the Scheduling Performance Metric (SPM). The study also investigates the impact of the long propagation delay and different effective isotropic radiated powers on the performance of the satellite LTE network. The results show that both have a significant impact on network performance. In order to actualize an optimal scheduling scheme for the satellite LTE network, the scheduling problem is formulated as an optimization function and an optimal solution is obtained using Karush-Kuhn-Tucker multipliers. The obtained Near Optimal Scheduling Scheme (NOSS), whose aim is to maximize the network throughput without compromising users’ QoS demands and fairness, provides better throughput and spectral efficiency performance than other schedulers. The comparison is determined through simulations. Based on the new SPM, the proposed NOSS1 and NOSS2 outperform other schedulers. A stability analysis is also presented to determine whether or not the proposed scheduler will provide a stable network. A fluid limit technique is used for the stability analysis. Finally, a sub-channel allocation scheme is proposed, with the aim of providing a better sub-channel or Physical Resource Block (PRB) allocation method, tagged the Utility Auction Based (UAB) subchannel allocation scheme that will improve the system performance of the satellite LTE network. The results show that the proposed method performs better than the other scheme. The comparison is obtained through simulations

Design of static intercell interference coordination schemes for realistic lte-based cellular networks

Today, 3.5 and 4G systems including Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) support packet-based services and provide mobile broadband access for bandwidth-hungry applications. In this context of fast evolution, new and challenging technical issues must be e ectively addressed. The nal target is to achieve a signi cant step forward toward the improvement of the Quality of Experience (QoE). To that end, interference management has been recognized by the industry as a key enabler for cellular technologies based on OFDMA. Indeed, with a low frequency reuse factor, intercell interference (ICI) becomes a major concern since the Quality of Service (QoS) is not uniformly delivered across the network, it remarkably depends on user position. Hence, cell edge performance is an important issue in LTE and LTE-A. Intercell Interference Coordination (ICIC) encompasses strategies whose goal is to keep ICI at cell edges as low as possible. This alleviates the aforementioned situation. For this reason, the novelties presented in this Ph.D. thesis include not only developments of static ICIC mechanisms for data and control channels, but also e orts towards further improvements of the energy e ciency perspective. Based on a comprehensive review of the state of the art, a set of research opportunities were identi ed. To be precise, the need for exible performance evaluation methods and optimization frameworks for static ICIC strategies. These mechanisms are grouped in two families: the schemes that de ne constraints on the frequency domain and the ones that propose adjustments on the power levels. Thus, Soft- and Fractional Frequency Reuse (SFR and FFR, respectively) are identi ed as the base of the vast majority of static ICIC proposals. Consequently, during the rst part of this Ph.D. thesis, interesting insights into the operation of SFR and FFR were identi ed beyond well-known facts. These studies allow for the development of a novel statistical framework to evaluate the performance of these schemes in realistic deployments. As a result of the analysis, the poor performance of classic con gurations of SFR and FFR in real-world contexts is shown, and hence, the need for optimization is established. In addition, the importance of the interworking between static ICIC schemes and other network functionalities such as CSI feedback has also been identi ed. Therefore, novel CSI feedback schemes, suitable to operate in conjunction with SFR and FFR, have been developed. These mechanisms exploit the resource allocation pattern of these static ICIC techniques in order to improve the accuracy of the CSI feedback process. The second part is focused on the optimization of SFR and FFR. The use of multiobjective techniques is investigated as a tool to achieve e ective network-speci c optimization. The approach o ers interesting advantages. On the one hand, it allows for simultaneous optimization of several con icting criteria. On the other hand, the multiobjective nature results in outputs composed of several high quality (Pareto e cient) network con gurations, all of them featuring a near-optimal tradeo between the performance criteria. Multiobjective evolutionary algorithms allow employing complex mathematical structures without the need for relaxation, thus capturing accurately the system behavior in terms of ICI. The multiobjective optimization formulation of the problem aims at achieving e ective adjustment of the operational parameters of SFR and FFR both at cell level and network-wide. Moreover, the research was successfully extended to the control channels, both the PDCCH and ePDCCH. Finally, in an e ort to further improve the network energy e ciency (an aspect always considered throughout the thesis), the framework of Cell Switch O (CSO), having close connections with ICIC, is also introduced. By means of the proposed method, signi cant improvements with respect to traditional approaches, baseline con gurations, and previous proposals can be achieved. The gains are obtained in terms of energy consumption, network capacity, and cell edge performance.Actualmente los sistemas 3.5 y 4G tales como Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A) soportan servicios basados en paquetes y proporcionan acceso de banda ancha m ovil para aplicaciones que requieren elevadas tasas de transmisi on. En este contexto de r apida evoluci on, aparecen nuevos retos t ecnicos que deben ser resueltos e cientemente. El objetivo ultimo es conseguir un salto cualitativo importante en la experiencia de usuario (QoE). Con tal n, un factor clave que ha sido reconocido en las redes celulares basadas en Orthogonal Frequency- Division Multiple Access (OFDMA) es la gesti on de interferencias. De hecho, la utilizaci on de un factor de reuso bajo permite una elevada e ciencia espectral pero a costa de una distribuci on de la calidad de servicio (QoS) que no es uniforme en la red, depende de la posici on del usuario. Por lo tanto, el rendimiento en los l mites de la celda se ve muy penalizado y es un problema importante a resolver en LTE y LTE-A. La coordinaci on de interferencias entre celdas (ICIC, del ingl es Intercell Interfe- rence Coordination) engloba las estrategias cuyo objetivo es mantener la interferencia intercelular (ICI) lo m as baja posible en los bordes de celda. Esto permite aliviar la situaci on antes mencionada. La contribuci on presentada en esta tesis doctoral incluye el dise~no de nuevos mecanismos de ICIC est atica para los canales de datos y control, as como tambi en mejoras desde el punto de vista de e ciencia energ etica. A partir de una revisi on completa del estado del arte, se identi caron una serie de retos abiertos que requer an esfuerzos de investigaci on. En concreto, la necesidad de m etodos de evaluaci on exibles y marcos de optimizaci on de las estrategias de ICIC est aticas. Estos mecanismos se agrupan en dos familias: los esquemas que de nen restricciones sobre el dominio de la frecuencia y los que proponen ajustes en los niveles de potencia. Es decir, la base de la gran mayor a de propuestas ICIC est aticas son la reutilizaci on de frecuencias de tipo soft y fraccional (SFR y FFR, respectivamente). De este modo, durante la primera parte de esta tesis doctoral, se han estudiado los aspectos m as importantes del funcionamiento de SFR y FFR, haciendo especial enfasis en las conclusiones que van m as all a de las bien conocidas. Ello ha permitido introducir un nuevo marco estad stico para evaluar el funcionamiento de estos sistemas en condiciones de despliegue reales. Como resultado de estos an alisis, se muestra el pobre desempe~no de SFR y FFR en despliegues reales cuando funcionan con sus con guraciones cl asicas y se establece la necesidad de optimizaci on. Tambi en se pone de mani esto la importancia del funcionamiento conjunto entre esquemas ICIC est aticos y otras funcionalidades de la red radio, tales como la informaci on que env an los usuarios sobre el estado de su canal downlink (feedback del CSI, del ingl es Channel State Information). De este modo, se han propuesto diferentes esquemas de feedback apropiados para trabajar conjuntamente con SFR y FFR. Estos mecanismos explotan el patr on de asignaci on de recursos que se utiliza en ICIC est atico para mejorar la precisi on del proceso. La segunda parte se centra en la optimizaci on de SFR y FFR. Se ha investigado el uso de t ecnicas multiobjetivo como herramienta para lograr una optimizaci on e caz, que es espec ca para cada red. El enfoque ofrece ventajas interesantes, por un lado, se permite la optimizaci on simult anea de varios criterios contradictorios. Por otro lado, la naturaleza multiobjetivo implica obtener como resultado con guraciones de red de elevada calidad (Pareto e cientes), todas ellas con un equilibrio casi- optimo entre las diferentes m etricas de rendimiento. Los algoritmos evolucionarios multiobjetivo permiten la utilizaci on de estructuras matem aticas complejas sin necesidad de relajar el problema, de este modo capturan adecuadamente su comportamiento en t erminos de ICI. La formulaci on multiobjetivo consigue un ajuste efectivo de los par ametros operacionales de SFR y FFR, tanto a nivel de celda como a nivel de red. Adem as, la investigaci on se extiende con resultados satisfactorios a los canales de control, PDCCH y ePDCCH. Finalmente, en un esfuerzo por mejorar la e ciencia energ etica de la red (un aspecto siempre considerado a lo largo de la tesis), se introduce en el an alisis global el apagado inteligente de celdas, estrategia con estrechos v nculos con ICIC. A trav es del m etodo propuesto, se obtienen mejoras signi cativas con respecto a los enfoques tradicionales y propuestas previas. Las ganancias se obtienen en t erminos de consumo energ etico, capacidad de la red, y rendimiento en el l mite de las celdas.Actualment els sistemes 3.5 i 4G tals com Long Term Evolution (LTE) i LTE- Advanced (LTE-A) suporten serveis basats en paquets i proporcionen acc es de banda ampla m obil per a aplicacions que requereixen elevades taxes de transmissi o. En aquest context de r apida evoluci o, apareixen nous reptes t ecnics que han de ser resolts e cientment. L'objectiu ultim es aconseguir un salt qualitatiu important en l'experi encia d'usuari (QoE). Amb tal , un factor clau que ha estat reconegut a les xarxes cel lulars basades en Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) es la gesti o d'interfer encies. De fet, la utilizaci o d'un factor de re us baix permet una elevada e ci encia espectral per o a costa d'una distribuci o de la qualitat de servei (QoS) que no es uniforme a la xarxa, dep en de la posici o de l'usuari. Per tant, el rendiment en els l mits de la cel la es veu molt penalitzat i es un problema important a resoldre en LTE i LTE-A. La coordinaci o d'interfer encies entre cel les (ICIC, de l'angl es Intercell Interfe- rence Coordination) engloba les estrat egies que tenen com a objectiu mantenir la interfer encia intercel lular (ICI) el m es baixa possible en les vores de la cel la. Aix o permet alleujar la situaci o abans esmentada. La contribuci o presentada en aquesta tesi doctoral inclou el disseny de nous mecanismes de ICIC est atica per als canals de dades i control, aix com tamb e millores des del punt de vista d'e ci encia energ etica. A partir d'una revisi o completa de l'estat de l'art, es van identi car una s erie de reptes oberts que requerien esfor cos de recerca. En concret, la necessitat de m etodes d'avaluaci o exibles i marcs d'optimitzaci o de les estrat egies de ICIC est atiques. Aquests mecanismes s'agrupen en dues fam lies: els esquemes que de neixen restriccions sobre el domini de la freq u encia i els que proposen ajustos en els nivells de pot encia. Es a dir, la base de la gran majoria de propostes ICIC est atiques s on la reutilitzaci o de freq u encies de tipus soft i fraccional (SFR i FFR, respectivament). D'aquesta manera, durant la primera part d'aquesta tesi doctoral, s'han estudiat els aspectes m es importants del funcionament de SFR i FFR, fent especial emfasi en les conclusions que van m es enll a de les ben conegudes. Aix o ha perm es introduir un nou marc estad stic per avaluar el funcionament d'aquests sistemes en condicions de desplegament reals. Com a resultat d'aquestes an alisis, es mostra el pobre acompliment de SFR i FFR en desplegaments reals quan funcionen amb les seves con guracions cl assiques i s'estableix la necessitat d'optimitzaci o. Tamb e es posa de manifest la import ancia del funcionament conjunt entre esquemes ICIC est atics i altres funcionalitats de la xarxa radio, tals com la informaci o que envien els usuaris sobre l'estat del seu canal downlink (feedback del CSI, de l'angl es Channel State Information). D'aquesta manera, s'han proposat diferents esquemes de feedback apropiats per treballar conjuntament amb SFR i FFR. Aquests mecanismes exploten el patr o d'assignaci o de recursos que s'utilitza en ICIC est atic per millorar la precisi o del proc es. La segona part se centra en l'optimitzaci o de SFR i FFR. S'ha investigat l' us de t ecniques multiobjectiu com a eina per aconseguir una optimitzaci o e ca c, que es espec ca per a cada xarxa. L'enfocament ofereix avantatges interessants, d'una banda, es permet l'optimitzaci o simult ania de diversos criteris contradictoris. D'altra banda, la naturalesa multiobjectiu implica obtenir com resultat con guracions de xarxa d'elevada qualitat (Pareto e cients), totes elles amb un equilibri gaireb e optim entre les diferents m etriques de rendiment. Els algorismes evolucionaris multiobjectiu permeten la utilitzaci o d'estructures matem atiques complexes sense necessitat de relaxar el problema, d'aquesta manera capturen adequadament el seu comportament en termes de ICI. La formulaci o multiobjectiu aconsegueix un ajust efectiu dels par ametres operacionals de SFR i FFR, tant a nivell de cel la com a nivell de xarxa. A m es, la recerca s'est en amb resultats satisfactoris als canals de control, PDCCH i ePDCCH. Finalment, en un esfor c per millorar l'e ci encia energ etica de la xarxa (un aspecte sempre considerat al llarg de la tesi), s'introdueix en l'an alisi global l'apagat intel ligent de cel les, estrat egia amb estrets vincles amb ICIC. Mitjan cant el m etode proposat, s'obtenen millores signi catives pel que fa als enfocaments tradicionals i propostes pr evies. Els guanys s'obtenen en termes de consum energ etic, capacitat de la xarxa, i rendiment en el l mit de les cel les

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission