Mobile Networks

The growth in the use of mobile networks has come mainly with the third generation systems and voice traffic. With the current third generation and the arrival of the 4G, the number of mobile users in the world will exceed the number of landlines users. Audio and video streaming have had a significant increase, parallel to the requirements of bandwidth and quality of service demanded by those applications. Mobile networks require that the applications and protocols that have worked successfully in fixed networks can be used with the same level of quality in mobile scenarios. Until the third generation of mobile networks, the need to ensure reliable handovers was still an important issue. On the eve of a new generation of access networks (4G) and increased connectivity between networks of different characteristics commonly called hybrid (satellite, ad-hoc, sensors, wired, WIMAX, LAN, etc.), it is necessary to transfer mechanisms of mobility to future generations of networks. In order to achieve this, it is essential to carry out a comprehensive evaluation of the performance of current protocols and the diverse topologies to suit the new mobility conditions

Subcarrier and Power Allocation in WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) is one of the latest technologies for providing Broadband Wireless Access (BWA) in a metropolitan area. The use of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmissions has been proposed in WiMAX to mitigate the complications which are associated with frequency selective channels. In addition, the multiple access is achieved by using orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) scheme which has several advantages such as flexible resource allocation, relatively simple transceivers, and high spectrum efficient. In OFDMA the controllable resources are the subcarriers and the allocated power per subband. Moreover, adaptive subcarrier and power allocation techniques have been selected to exploit the natural multiuser diversity. This leads to an improvement of the performance by assigning the proper subcarriers to the user according to their channel quality and the power is allocated based on water-filling algorithm. One simple method is to allocate subcarriers and powers equally likely between all users. It is well known that this method reduces the spectral efficiency of the system, hence, it is not preferred unless in some applications. In order to handle the spectral efficiency problem, in this thesis we discuss three novel resources allocation algorithms for the downlink of a multiuser OFDM system and analyze the algorithm performances based on capacity and fairness measurement. Our intensive simulations validate the algorithm performances.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Energy efficiency in next generation wireless networks: methodologies, solutions and algorithms

Mobile Broadband Wireless Access (BWA) networks will offer in the forthcoming years multiple and differentiated services to users with high mobility requirements, connecting via portable or wearable devices which rely on the use of batteries by necessity. Since such devices consume a relatively large fraction of energy for transmitting/receiving data over-the-air, mechanisms are needed to reduce power consumption, in order to increase the lifetime of devices and hence improve user’s satisfaction. Next generation wireless network standards define power saving functions at the Medium Access Control (MAC) layer, which allow user terminals to switch off the radio transceiver during open traffic sessions for greatest energy consumption reduction. However, enabling power saving usually increases the transmission latency, which can negatively affect the Quality of Service (QoS) experienced by users. On the other hand, imposing stringent QoS requirements may limit the amount of energy that can be saved. The IEEE 802.16e standard defines the sleep mode is power saving mechanism with the purpose of reducing energy consumption. Three different operation classes are provided, each one to serve different class of traffic: class I, best effort traffic, class II real time traffic and class III multicast traffic. Several aspects of the sleep mode are left unspecified, as it is usually done in standards, allowing manufacturers to implement their own proprietary solutions, thus gaining a competitive advantage over the rivals. The work of this thesis is aimed at verifying, the effectiveness of the power saving mechanism proposed into IEEE 802.16e standard, focusing on the mutual interaction between power saving and QoS support. Two types of delay constrained applications with different requirements are considered, i.e., Web and Voice over IP (VoIP). The performance is assessed via detailed packet-level simulation, with respect to several system parameters. To capture the relative contribution of all the factors on the energy- and QoS-related metrics, part of the evaluation is carried out by means of 2k · r! analysis. Our study shows that the sleep mode can achieve significant power consumption reduction, however, when real time traffic is considered a wise configuration of the parameters is mandatory in order to avoid unacceptable degradation of the QoS. Finally, based on the guidelines drawn through the analysis, we extend our contribution beyond a simple evaluation, proposing a power saving aware scheduling framework aimed at reducing further the energy consumption. Our framework integrates with existing scheduling policies that can pursue their original goals, e.g. maximizing throughput or fairness, while improving the energy efficiency of the user terminals. Its effectiveness is assessed through an extensive packet level simulation campaign

Green Cellular Networks: A Survey, Some Research Issues and Challenges

Energy efficiency in cellular networks is a growing concern for cellular operators to not only maintain profitability, but also to reduce the overall environment effects. This emerging trend of achieving energy efficiency in cellular networks is motivating the standardization authorities and network operators to continuously explore future technologies in order to bring improvements in the entire network infrastructure. In this article, we present a brief survey of methods to improve the power efficiency of cellular networks, explore some research issues and challenges and suggest some techniques to enable an energy efficient or "green" cellular network. Since base stations consume a maximum portion of the total energy used in a cellular system, we will first provide a comprehensive survey on techniques to obtain energy savings in base stations. Next, we discuss how heterogeneous network deployment based on micro, pico and femto-cells can be used to achieve this goal. Since cognitive radio and cooperative relaying are undisputed future technologies in this regard, we propose a research vision to make these technologies more energy efficient. Lastly, we explore some broader perspectives in realizing a "green" cellular network technologyComment: 16 pages, 5 figures, 2 table

Resource allocation for delay constrained wireless communications

The ultimate goal of future generation wireless communications is to provide ubiquitous seamless connections between mobile terminals such as mobile phones and computers so that users can enjoy high-quality services at anytime anywhere without wires. The feature to provide a wide range of delay constrained applications with diverse quality of service (QoS) requirements, such as delay and data rate requirements, will require QoS-driven wireless resource allocation mechanisms to efficiently allocate wireless resources, such as transmission power, time slots and spectrum, for accommodating heterogeneous mobile data. In addition, multiple-input-multiple-output (MIMO) antenna technique, which uses multiple antennas at the transmitter and receiver, can improve the transmission data rate significantly and is of particular interests for future high speed wireless communications. In the thesis, we develop smart energy efficient scheduling algorithms for delay constrained communications for single user and multi-user single-input-single-output (SISO) and MIMO transmission systems. Specifically, the algorithms are designed to minimize the total transmission power while satisfying individual user’s QoS constraints, such as rate, delay and rate or delay violation. Statistical channel information (SCI) and instantaneous channel state information (CSI) at the transmitter side are considered respectively, and the proposed design can be applied for either uplink or downlink. We propose to jointly deal with scheduling of the users that access to the channel for each frame time (or available spectrum) and how much power is allocated when accessing to the channel. In addition, the algorithms are applied with modifications for uplink scheduling in IEEE 802.16 Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX). The success of the proposed research will significantly improve the ways to design wireless resource allocation for delay constrained communications

Design and evaluation of echocardiograms codification and transmission for Teleradiology systems

Las enfermedades cardiovasculares son la mayor causa de muerte en el mundo. Aunque la mayoría de muertes por cardiopatías se puede evitar, si las medidas preventivas no son las adecuadas el paciente puede fallecer. Es por esto, que el seguimiento y diagnóstico de pacientes con cardiopatías es muy importante. Numerosos son las pruebas médicas para el diagnostico y seguimiento de enfermedades cardiovasculares, siendo los ecocardiogramas una de las técnicas más ampliamente utilizada. Un ecocardiograma consiste en la adquisición de imágenes del corazón mediante ultrasonidos. Presenta varias ventajas con respecto otras pruebas de imagen: no es invasiva, no produce radiación ionizante y es barata. Por otra parte, los sistemas de telemedicina han crecido rápidamente ya que ofrecen beneficios de acceso a los servicios médicos, una reducción del coste y una mejora de la calidad de los servicios. La telemedicina proporciona servicios médicos a distancia. Estos servicios son de especial ayuda en casos de emergencia médica y para áreas aisladas donde los hospitales y centros de salud están alejados. Los sistemas de tele-cardiología pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de pruebas. En esta Tesis nos hemos centrado en los sistemas de tele-ecocardiografia, ya que los ecocardiogramas son ampliamente usados y presentan el mayor reto al ser la prueba médica con mayor flujo de datos. Los mayores retos en los sistemas de tele-ecocardiografia son la compresión y la transmisión garantizando que el mismo diagnóstico es posible tanto en el ecocardiograma original como en el reproducido tras la compresión y transmisión. Los ecocardiogramas deben ser comprimidos tanto para su almacenamiento como para su transmisión ya que estos presentan un enorme flujo de datos que desbordaría el espacio de almacenamiento y no se podría transmitir eficientemente por las redes actuales. Sin embargo, la compresión produce pérdidas que pueden llevar a un diagnostico erróneo de los ecocardiogramas comprimidos. En el caso de que las pruebas ecocardiograficas quieran ser guardadas, una compresión clínica puede ser aplicada previa al almacenamiento. Esta compresión clínica consiste en guardar las partes del ecocardiograma que son importantes para el diagnóstico, es decir, ciertas imágenes y pequeños vídeos del corazón en movimiento que contienen de 1 a 3 ciclos cardiacos. Esta compresión clínica no puede ser aplicada en el caso de transmisión en tiempo real, ya que es el cardiólogo especialista quien debe realizar la compresión clínica y éste se encuentra en recepción, visualizando el echocardiograma transmitido. En cuanto a la transmisión, las redes sin cables presentan un mayor reto que las redes cableadas. Las redes sin cables tienen un ancho de banda limitado, son propensas a errores y son variantes en tiempo lo que puede resultar problemático cuando el ecocardiograma quiere ser transmitido en tiempo real. Además, las redes sin cables han experimentado un gran desarrollo gracias a que permiten un mejor acceso y movilidad, por lo que pueden ofrecer un mayor servicio que las redes cableadas. Dos tipos de sistemas se pueden distinguir acorde a los retos que presenta cada uno de ellos: los sistemas de almacenamiento y reenvió y los sistemas de tiempo real. Los sistemas de almacenamiento y reenvió consisten en la adquisición, almacenamiento y el posterior envió del ecocardiograma sin requerimientos temporales. Una compresión clínica puede ser llevada a cabo previa al almacenamiento. Además de la compresión clínica, una compresión con pérdidas es recomendada para reducir el espacio de almacenamiento y el tiempo de envío, pero sin perder l ainformación diagnóstica de la prueba. En cuanto a la transmisión, al no haber requerimientos temporales, la transmisión no presenta ninguna dificultad. Cualquier protocolo de transmisión fiable puede ser usado para no perder calidad en la imagen debido a la transmisión. Por lo tanto, para estos sistemas sólo nos hemos centrado en la codificación de los ecocardiogramas. Los sistemas de tiempo real consisten en la transmisión del ecocardiograma al mismo tiempo que éste es adquirido. Dado que el envío de video clínico es una de las aplicaciones con mayor demanda de ancho de banda, la compresión para la transmisión es requerida, pero manteniendo la calidad diagnóstica de la imagen. La transmisión en canales sin cables puede ser afectada por errores que distorsionan la calidad del ecocardiograma reconstruido en recepción. Por lo tanto, métodos de control de errores son requeridos para minimizar los errores de transmisión y el retardo introducido. Sin embargo, aunque el ecocardiograma sea visualizado con errores debido a la transmisión, esto no implica que el diagnóstico no sea posible. Dados los retos previamente descritos, las siguientes soluciones para la evaluación clínica, compresión y transmisión han sido propuestas: - Para garantizar que el ecocardiograma es visualizado sin perder información diagnóstica 2 tests han sido diseñados. El primer test define recomendaciones para la compresión de los ecocardiogramas. Consiste en dos fases para un ahorro en el tiempo de realización, pero sin perder por ello exactitud en el proceso de evaluación. Gracias a este test el ecocardiograma puede ser comprimido al máximo sin perder calidad diagnóstica y utilizando así más eficientemente los recursos. El segundo test define recomendaciones para la visualización del ecocardiograma. Este test define rangos de tiempo en los que el ecocardiograma puede ser visualizado con inferior calidad a la establecida en el primer test. Gracias a este test se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida de calidad diagnóstica cuando se introducen errores en la visualización, sin la necesidad de realizar una evaluación para cada video transmitido o diferentes condiciones de canal. Además, esta metodología puede ser aplicada para la evaluación de otras técnicas de diagnóstico por imagen. - Para la compresión de ecocardiogramas dos métodos de compresión han sido diseñados, uno para el almacenamiento y otro para la transmisión. Diferentes propuestas son diseñadas, ya que los ecocardiogramas para los dos propósitos tienen características diferentes. Para ambos propósitos un método de compresión en la que las facilidades que incorporan los dispositivos de segmentar la imagen y en la que las características de visualización de los ecocardiogramas han sido tenidas en cuenta ha sido diseñado. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de almacenarlo un formato de almacenamiento fácilmente integrable con DICOM basado en regiones y en el que el tipo de datos y la importancia clínica de cada región es tenido en cuenta ha sido diseñado. DICOM es el formato para el almacenamiento y transmisión de imágenes más ampliamente utilizado actualmente. El formato de compresión propuesto supone un ahorra de hasta el 75 % del espacio de almacenamiento con respecto a la compresión con JPEG 2000, actualmente soportado por DICOM, sin perder calidad diagnostica de la imagen. Los ratios de compresión para el formato propuesto dependen de la distribución de la imagen, pero para una base de datos de 105 ecocardiogramas correspondientes a 4 ecógrafos los ratios obtenidos están comprendidos entre 19 y 41. Para la compresión del ecocardiograma con el propósito de la transmisión en tiempo real un método de compresión basado en regiones en el que el tipo de dato y el modo de visualización han sido tenidos en cuenta se ha diseñado. Dos modos de visualización son distinguidos para la compresión de la región con mayor importancia clínica (ultrasonido), los modos de barrido y los modos 2-D. La evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de compresión fue llevada a cabo por 3 cardiologos, 9 ecocardiogramas correspondientes a diferentes pacientes y 3 diferentes ecógrafos. Los ratios de transmisión recomendados fueron de 200 kbps para los modos 2-D y de 40 kbps para los modos de barrido. Si se comparan estos resultados con previas soluciones en la literatura un ahorro mínimo de entre 5 % y el 78 % es obtenido dependiendo del modo. - Para la transmisión en tiempo real de ecocardiogramas un protocolo extremo a extremo basada en el método de compresión por regiones ha sido diseñado. Este protocolo llamado ETP de las siglas en inglés Echocardiogram Transmssion Protocol está diseñado para la compresión y transmisión de las regiones por separado, pudiendo así ofrecer diferentes ratios de compresión y protección de errores para las diferentes regiones de acuerdo a su importancia diagnostica. Por lo tanto, con ETP el ratio de transmisión mínimo recomendado para el método de compresión propuesto puede ser utilizado, usando así eficientemente el ancho de banda y siendo menos sensible a los errores introducidos por la red. ETP puede ser usado en cualquier red, sin embargo, en el caso de que la red introduzca errores se ha diseñado un método de corrección de errores llamado SECM, de las siglas en inglés State Error Control Method. SECM se adapta a las condiciones de canal usando más protección cuando las condiciones empeoran y usando así el ancho de banda eficientemente. Además, la evaluación clínica diseñada para las recomendaciones de visualización ha sido llevada a cabo con la base de datos de la evaluación previa. De esta forma se puede saber si el ecocardiograma es visualizado sin pérdida diagnostica aunque se produzcan errores de transmisión. En esta tesis, por lo tanto, se ha ofrecido una solución para la transmisión en tiempo real y el almacenamiento de ecocardiogramas preservando la información diagnóstica y usando eficientemente los recursos (disco de almacenamiento y ratio de transmisión). Especial soporte se da para la transmisión en redes sin cables, dando soluciones a las limitaciones que estas introducen. Además, las soluciones propuestas han sido probadas y comparadas con otras técnicas con una red de acceso móvil WiMAX, demostrando que el ancho de banda es eficientemente utilizado y que el ecocardiograma es correctamente visualizado de acuerdo con las recomendaciones de visualización dadas por la evaluación clínica

이동통신 네트워크에서의 QoS 패킷 스케줄러 설계 및 고정 릴레이 관련 주파수 재사용 관리 기법 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 전기·컴퓨터공학부, 2017. 8. 박세웅.The main interest of this paper is to understand a basic approach to provide more efficient method to allocate radio resources in the mobile communication systems, especially in which radio resources could be allocated by both frequency and time division multiple access. So, we consider OFDMA system and the ideas described in this paper could be easily applied to the current and next generation mobile communication systems. This paper studies two basic research themesa QoS packet scheduler design and fixed relay resource management policies based on frequency reuse in mobile networks. This paper considers novel scheduler structures that are executable in the environments of multiple traffic classes and multiple frequency channels. To design a scheduler structure for multiple traffic classes, we first propose a scheduler selection rule that uses the priority of traffic class and the urgency level of each packet. Then we relax the barrier of traffic class priority when a high priority packet has some room in waiting time. This gives us a chance to exploit multiuser diversity, thereby giving more flexibility in scheduling. Our considered scheduler can achieve higher throughput compared to the simple extension of conventional modified largest weighted delay first (MLWDF) scheduler while maintaining the delay performance for QoS class traffic. We also design a scheduler structure for multiple frequency channels that chooses a good channel for each user whenever possible to exploit frequency diversity. The simulation results show that our proposed scheduler increases the total system throughput by up to 50% without degrading the delay performance. This paper also introduces radio resource management schemes based on frequency reuse for fixed relay stations in mobile cellular networks. Mobile stations in the cell boundary experience poor spectral efficiency due to the path loss and interference from adjacent cells. Therefore, satisfying QoS requirements of each MS at the cell boundary has been an important issue. To resolve this spectral efficiency problem at the cell boundary, deploying fixed relay stations has been actively considered. In this paper, we consider radio resource management policies based on frequency reuse for fixed relays that include path selection rules, frequency reuse pattern matching, and frame transmission pattern matching among cells. We evaluate performance of each policy by varying parameter values such as relay stations position and frequency reuse factor. Through Monte Carlo simulations and mathematical analysis, we suggest some optimal parameter values for each policy and discuss some implementation issues that need to be considered in practical deployment of relay stations. We also surveyed further works that many researchers have been studied to tackle the similar problems of QoS scheduling and resource management for relay with our proposed work. We expect that there would be more future works by priority-based approach and energy-aware approach for QoS scheduling. Also current trends such as the rising interest in IoT system, discussion of densification of cells and D2D communications in 5G systems make us expect that the researches in these topics related with relays would be popular in the future. We also think that there are many interesting problems regarding QoS support and resource management still waiting to be tackled, especially combined with recent key topics in mobile communication systems such as 5G standardization, AI and NFV/SDN.Chapter 1 Introduction 1 1.1 QoS Packet Scheduler 4 1.2 Fixed Relay Frequency Reuse Policies 6 Chapter 2 Scheduler Design for Multiple Traffic Classes in OFDMA Networks 10 2.1 Proposed Schedulers 10 2.1.1 Scheduler Structures 12 2.1.2 MLWDF scheduler for Multiple Traffic Classes 13 2.1.3 Joint Scheduler 13 2.2 System Model 18 2.3 Performance Evaluation 19 2.3.1 Schedulers for Multiple Traffic Classes 20 2.3.2 Impact of Scheduler Selection Rule 25 2.3.3 Frame Based Schedulers 27 2.3.4 Impact of Partial Feedback 30 2.3.5 Adaptive Threshold Version Schedulers 33 2.4 Conclusion 36 Chapter 3 Frequency Reuse Policies for Fixed Relays in Cellular Networks 40 3.1 System Model 40 3.1.1 Frame Transmission and Frequency Reuse Patterns among RSs 42 3.1.2 Positioning of RSs and Channel Capacity 44 3.1.3 Area Spectral Efficiency 45 3.2 Radio Resource Management Policies Based on Frequency Reuse 46 3.2.1 Path Selection Rule 46 3.2.2 Frequency Reuse and Frame Transmission Pattern Matchings among Cells 52 3.3 Monte Carlo Simulation and Results 53 3.4 Consideration of Practical Issues 80 3.5 Conclusion 81 Chapter 4 Surveys of Further Works 83 4.1 Further Works on QoS Schedulers 83 4.1.1 WiMAX Schedulers 85 4.1.2 LTE Schedulers 92 4.2 Further Works on Radio Resource Management in Relay Systems 98 4.3 Future Challenges 100 Chapter 5 Conclusion 104 Bibliography 107 초록 127Docto