Smart Antenna Systems Model Simulation Design for 5G Wireless Network Systems

The most recent antenna array technologies such as smart antenna systems (SAS) and massive multiple input multiple output (MIMO) systems are giving a strong increasing impact relative to 5G wireless communication systems due to benefits that they could introduce in terms of performance improvements with respect to omnidirectional antennas. Although a considerable number of theoretical proposals already exist in this field, the most common used network simulators do not implement the latest wireless network standards and, consequently, they do not offer the possibility to emulate scenarios in which SAS or massive MIMO systems are employed. This aspect heavily affects the quality of the network performance analysis with regard to the next generation wireless communication systems. To overcome this issue, it is possible, for example, to extend the default features offered by one of the most used network simulators such as Omnet++ which provides a very complete suite of network protocols and patterns that can be adapted in order to support the latest antenna array systems. The main goal of the present chapter is to illustrate the improvements accomplished in this field allowing to enhance the basic functionalities of the Omnet++ simulator by implementing the most modern antenna array technologies

Supporting 5G Wireless Networks Through IEEE802.11ac Standard With New Massive MIMO Antenna System Module Design in Omnet++ Simulator

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Optimización de problemas de varios objetivos desde un enfoque de eficiencia energética aplicado a redes celulares heterogéneas 5G usando un marco de conmutación de celdas pequeñas

This Ph.D. dissertation addresses the Many-Objective Optimization Problem (MaOP) study to reduce the inter-cell interference and the power consumption for realistic Centralized, Collaborative, Cloud, and Clean Radio Access Networks (C-RANs). It uses the Cell Switch-Off (CSO) scheme to switch-off/on Remote Radio Units (RRUs) and the Coordinated Scheduling (CS) technique to allocate resource blocks smartly. The EF1-NSGA-III (It is a variation of the NSGA-III algorithm that uses the front 1 to find extreme points at the normalization procedure extended in this thesis) algorithm is employed to solve a proposed Many-Objective Optimization Problem (MaOP). It is composed of four objective functions, four constraints, and two decision variables. However, the above problem is redefined to have three objective functions to see the performance comparison between the NSGA-II and EF1-NSGA-III algorithms. The OpenAirInterface (OAI) platform is used to evaluate and validate the performance of an indoor coverage system because most of the user-end equipment of next-generation cellular networks will be in an indoor environment. It constitutes the fastest growing 5G open-source platform that implements 3GPP technology on general-purpose computers, fast Ethernet transport ports, and Commercial-Off-The-Shelf (COTS) software-defined radio hardware. This document is composed of five contributions. The first one is a survey about testbed, emulators, and simulators for 4G/5G cellular networks. The second one is the extension of the KanGAL's NSGA-II code to implement the EF1-NSGA-III, adaptive EF1-NSGA-III (A-EF1-NSGA-III), and efficient adaptive EF1-NSGA-III (A$^2$-EF1-NSGA-III). They support up to 10 objective functions, manage real, integer, and binary decision variables, and many constraints. The above algorithms outperform other works in terms of the Inverted Generational Distance (IGD) metric. The third contribution is the implementation of real-time emulation methodologies for C-RANs using a frequency domain representation in OAI. It improves the average computation time 10-fold compared to the time domain without using Radio Frequency hardware and avoids their uncertainties. The fourth one is the implementation of the Coordination Scheduling (CS) technique as a proof-of-concept to validate the advantages of frequency domain methodologies and to allocate resource blocks dynamically among RRUs. Finally, a many-objective optimization problem is defined and solved with evolutionary algorithms where diversity is managed based on crowded-distance and reference points to reduce the power consumption for C-RANs. The solutions obtained are considered to control the scheduling task at the Radio Cloud Center (RCC) and to switch RRUs.Este disertación aborda el estudio del problema de optimización de varios objetivos (MaOP) para reducir la interferencia entre células y el consumo de energía para redes de acceso de radio en tiempo real, colaborativas, en la nube y limpias (C-RAN). Utiliza el esquema de conmutacion de celdas (CSO) para apagar / encender unidades de radio remotas (RRU) y la técnica de programación coordinada (CS) para asignar bloques de recursos de manera inteligente. El algoritmo EF1-NSGA-III (es una variación del algoritmo NSGA-III que usa el primer frente de pareto para encontrar puntos extremos en el procedimiento de normalización extendido en esta tesis) se utiliza para resolver un problema de optimización de varios objetivos (MaOP) propuesto. Se compone de cuatro funciones objetivos, cuatro restricciones y dos variables de decisión. Sin embargo, el problema anterior se redefine para tener tres funciones objetivas para ver la comparación de rendimiento entre los algoritmos NSGA-II y EF1-NSGA-III. La plataforma OpenAirInterface (OAI) se utiliza para evaluar y validar el rendimiento de un sistema de cobertura en interiores porque la mayoría del equipos móviles de las redes celulares de próxima generación estarán en un entorno interior. Ella constituye la plataforma de código abierto 5G de más rápido crecimiento que implementa la tecnología 3GPP en computadoras de uso general, puertos de transporte Ethernet rápidos y hardware de radio definido por software comercial (COTS). Este documento se compone de cinco contribuciones. La primera es una estudio sobre banco de pruebas, emuladores y simuladores para redes celulares 4G / 5G. El segundo es la extensión del código NSGA-II de KanGAL para implementar EF1-NSGA-III, EF1-NSGA-III adaptativo (A-EF1-NSGA-III) y EF1-NSGA-III adaptativo eficiente (A $^ 2$ -EF1-NSGA-III). Admiten hasta 10 funciones objetivas, gestionan variables de decisión reales, enteras y binarias, y muchas restricciones. Los algoritmos anteriores superan a otros trabajos en términos de la métrica de distancia generacional invertida (IGD). La tercera contribución es la implementación de metodologías de emulación en tiempo real para C-RAN utilizando una representación de dominio de frecuencia en OAI. Mejora el tiempo de cálculo promedio 10 veces en comparación con el dominio del tiempo sin usar hardware de radiofrecuencia y evita sus incertidumbres. El cuarto es la implementación de la técnica de Programación de Coordinación (CS) como prueba de concepto para validar las ventajas de las metodologías de dominio de frecuencia y asignar bloques de recursos dinámicamente entre las RRU. Finalmente, un problema de optimización de muchos objetivos se define y resuelve con algoritmos evolutivos en los que la diversidad se gestiona en función de la distancia de crouding y los puntos de referencia para reducir el consumo de energía de las C-RAN. Las soluciones obtenidas controlan la tarea de programación en Radio Cloud Center (RCC) y conmutan las RRU.Proyecto personal: Redes celulares de próxima generaciónDoctorad

Cellular and Wi-Fi technologies evolution: from complementarity to competition

This PhD thesis has the characteristic to span over a long time because while working on it, I was working as a research engineer at CTTC with highly demanding development duties. This has delayed the deposit more than I would have liked. On the other hand, this has given me the privilege of witnessing and studying how wireless technologies have been evolving over a decade from 4G to 5G and beyond. When I started my PhD thesis, IEEE and 3GPP were defining the two main wireless technologies at the time, Wi-Fi and LTE, for covering two substantially complementary market targets. Wi-Fi was designed to operate mostly indoor, in unlicensed spectrum, and was aimed to be a simple and cheap technology. Its primary technology for coexistence was based on the assumption that the spectrum on which it was operating was for free, and so it was designed with interference avoidance through the famous CSMA/CA protocol. On the other hand, 3GPP was designing technologies for licensed spectrum, a costly kind of spectrum. As a result, LTE was designed to take the best advantage of it while providing the best QoE in mainly outdoor scenarios. The PhD thesis starts in this context and evolves with these two technologies. In the first chapters, the thesis studies radio resource management solutions for standalone operation of Wi-Fi in unlicensed and LTE in licensed spectrum. We anticipated the now fundamental machine learning trend by working on machine learning-based radio resource management solutions to improve LTE and Wi-Fi operation in their respective spectrum. We pay particular attention to small cell deployments aimed at improving the spectrum efficiency in licensed spectrum, reproducing small range scenarios typical of Wi-Fi settings. IEEE and 3GPP followed evolving the technologies over the years: Wi-Fi has grown into a much more complex and sophisticated technology, incorporating the key features of cellular technologies, like HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling and spatial reuse. On the other hand, since Release 13, cellular networks have also been designed for unlicensed spectrum. As a result, the two last chapters of this thesis focus on coexistence scenarios, in which LTE needs to be designed to coexist with Wi-Fi fairly, and NR, the radio access for 5G, with Wi-Fi in 5 GHz and WiGig in 60 GHz. Unlike LTE, which was adapted to operate in unlicensed spectrum, NR-U is natively designed with this feature, including its capability to operate in unlicensed in a complete standalone fashion, a fundamental new milestone for cellular. In this context, our focus of analysis changes. We consider that these two technological families are no longer targeting complementarity but are now competing, and we claim that this will be the trend for the years to come. To enable the research in these multi-RAT scenarios, another fundamental result of this PhD thesis, besides the scientific contributions, is the release of high fidelity models for LTE and NR and their coexistence with Wi-Fi and WiGig to the ns-3 open-source community. ns-3 is a popular open-source network simulator, with the characteristic to be multi-RAT and so naturally allows the evaluation of coexistence scenarios between different technologies. These models, for which I led the development, are by academic citations, the most used open-source simulation models for LTE and NR and havereceived fundings from industry (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) and federal agencies (NIST, LLNL) over the years.Aquesta tesi doctoral té la característica d’allargar-se durant un llarg període de temps ja que mentre treballava en ella, treballava com a enginyera investigadora a CTTC amb tasques de desenvolupament molt exigents. Això ha endarrerit el dipositar-la més del que m’hagués agradat. D’altra banda, això m’ha donat el privilegi de ser testimoni i estudiar com han evolucionat les tecnologies sense fils durant més d’una dècada des del 4G fins al 5G i més enllà. Quan vaig començar la tesi doctoral, IEEE i 3GPP estaven definint les dues tecnologies sense fils principals en aquell moment, Wi-Fi i LTE, que cobreixen dos objectius de mercat substancialment complementaris. Wi-Fi va ser dissenyat per funcionar principalment en interiors, en espectre sense llicència, i pretenia ser una tecnologia senzilla i barata. La seva tecnologia primària per a la convivència es basava en el supòsit que l’espectre en el que estava operant era de franc, i, per tant, es va dissenyar simplement evitant interferències a través del famós protocol CSMA/CA. D’altra banda, 3GPP estava dissenyant tecnologies per a espectres amb llicència, un tipus d’espectre costós. Com a resultat, LTE està dissenyat per treure’n el màxim profit alhora que proporciona el millor QoE en escenaris principalment a l’aire lliure. La tesi doctoral comença amb aquest context i evoluciona amb aquestes dues tecnologies. En els primers capítols, estudiem solucions de gestió de recursos de radio per a operacions en espectre de Wi-Fi sense llicència i LTE amb llicència. Hem anticipat l’actual tendència fonamental d’aprenentatge automàtic treballant solucions de gestió de recursos de radio basades en l’aprenentatge automàtic per millorar l’LTE i Wi-Fi en el seu espectre respectiu. Prestem especial atenció als desplegaments de cèl·lules petites destinades a millorar la eficiència d’espectre llicenciat, reproduint escenaris de petit abast típics de la configuració Wi-Fi. IEEE i 3GPP van seguir evolucionant les tecnologies al llarg dels anys: El Wi-Fi s’ha convertit en una tecnologia molt més complexa i sofisticada, incorporant les característiques clau de les tecnologies cel·lulars, com ara HARQ i la reutilització espacial. D’altra banda, des de la versió 13, també s’han dissenyat xarxes cel·lulars per a espectre sense llicència. Com a resultat, els dos darrers capítols d’aquesta tesi es centren en aquests escenaris de convivència, on s’ha de dissenyar LTE per conviure amb la Wi-Fi de manera justa, i NR, l’accés a la radio per a 5G amb Wi-Fi a 5 GHz i WiGig a 60 GHz. A diferència de LTE, que es va adaptar per funcionar en espectre sense llicència, NR-U està dissenyat de forma nativa amb aquesta característica, inclosa la seva capacitat per operar sense llicència de forma autònoma completa, una nova fita fonamental per al mòbil. En aquest context, el nostre focus d’anàlisi canvia. Considerem que aquestes dues famílies de tecnologia ja no estan orientades cap a la complementarietat, sinó que ara competeixen, i afirmem que aquesta serà el tendència per als propers anys. Per permetre la investigació en aquests escenaris multi-RAT, un altre resultat fonamental d’aquesta tesi doctoral, a més de les aportacions científiques, és l’alliberament de models d’alta fidelitat per a LTE i NR i la seva coexistència amb Wi-Fi a la comunitat de codi obert ns-3. ns-3 és un popular simulador de xarxa de codi obert, amb la característica de ser multi-RAT i, per tant, permet l’avaluació de manera natural d’escenaris de convivència entre diferents tecnologies. Aquests models, pels quals he liderat el desenvolupament, són per cites acadèmiques, els models de simulació de codi obert més utilitzats per a LTE i NR i que han rebut finançament de la indústria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) i agències federals (NIST, LLNL) al llarg dels anys.Esta tesis doctoral tiene la característica de extenderse durante mucho tiempo porque mientras trabajaba en ella, trabajaba como ingeniera de investigación en CTTC con tareas de desarrollo muy exigentes. Esto ha retrasado el depósito más de lo que me hubiera gustado. Por otro lado, gracias a ello, he tenido el privilegio de presenciar y estudiar como las tecnologías inalámbricas han evolucionado durante una década, de 4G a 5G y más allá. Cuando comencé mi tesis doctoral, IEEE y 3GPP estaban definiendo las dos principales tecnologías inalámbricas en ese momento, Wi-Fi y LTE, cumpliendo dos objetivos de mercado sustancialmente complementarios. Wi-Fi fue diseñado para funcionar principalmente en interiores, en un espectro sin licencia, y estaba destinado a ser una tecnología simple y barata. Su tecnología primaria para la convivencia se basaba en el supuesto en que el espectro en el que estaba operando era gratis, y así fue diseñado simplemente evitando interferencias a través del famoso protocolo CSMA/CA. Por otro lado, 3GPP estaba diseñando tecnologías para espectro con licencia, un tipo de espectro costoso. Como resultado, LTE está diseñado para aprovechar el espectro al máximo proporcionando al mismo tiempo el mejor QoE en escenarios principalmente al aire libre. La tesis doctoral parte de este contexto y evoluciona con estas dos tecnologías. En los primeros capítulos, estudiamos las soluciones de gestión de recursos de radio para operación en espectro Wi-Fi sin licencia y LTE con licencia. Anticipamos la tendencia ahora fundamental de aprendizaje automático trabajando en soluciones de gestión de recursos de radio para mejorar LTE y funcionamiento deWi-Fi en su respectivo espectro. Prestamos especial atención a las implementaciones de células pequeñas destinadas a mejorar la eficiencia de espectro licenciado, reproduciendo los típicos escenarios de rango pequeño de la configuración Wi-Fi. IEEE y 3GPP siguieron evolucionando las tecnologías a lo largo de los años: Wi-Fi se ha convertido en una tecnología mucho más compleja y sofisticada, incorporando las características clave de las tecnologías celulares, como HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling y la reutilización espacial. Por otro lado, desde la Release 13, también se han diseñado redes celulares para espectro sin licencia. Como resultado, los dos últimos capítulos de esta tesis se centran en estos escenarios de convivencia, donde LTE debe diseñarse para coexistir con Wi-Fi de manera justa, y NR, el acceso por radio para 5G con Wi-Fi en 5 GHz y WiGig en 60 GHz. A diferencia de LTE, que se adaptó para operar en espectro sin licencia, NR-U está diseñado de forma nativa con esta función, incluyendo su capacidad para operar sin licencia de forma completamente independiente, un nuevo hito fundamental para los celulares. En este contexto, cambia nuestro enfoque de análisis. Consideramos que estas dos familias tecnológicas ya no tienen como objetivo la complementariedad, sino que ahora están compitiendo, y afirmamos que esta será la tendencia para los próximos años. Para permitir la investigación en estos escenarios de múltiples RAT, otro resultado fundamental de esta tesis doctoral, además de los aportes científicos, es el lanzamiento de modelos de alta fidelidad para LTE y NR y su coexistencia con Wi-Fi y WiGig a la comunidad de código abierto de ns-3. ns-3 es un simulador popular de red de código abierto, con la característica de ser multi-RAT y así, naturalmente, permite la evaluación de escenarios de convivencia entre diferentes tecnologías. Estos modelos, para los cuales lideré el desarrollo, son por citas académicas, los modelos de simulación de código abierto más utilizados para LTE y NR y han recibido fondos de la industria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) y agencias federales (NIST, LLNL) a lo largo de los años.Postprint (published version

Networks, Communication, and Computing Vol. 2

Networks, communications, and computing have become ubiquitous and inseparable parts of everyday life. This book is based on a Special Issue of the Algorithms journal, and it is devoted to the exploration of the many-faceted relationship of networks, communications, and computing. The included papers explore the current state-of-the-art research in these areas, with a particular interest in the interactions among the fields

Journal of Telecommunications and Information Technology, 2018, nr 1

kwartalni

Cooperative Radio Communications for Green Smart Environments

The demand for mobile connectivity is continuously increasing, and by 2020 Mobile and Wireless Communications will serve not only very dense populations of mobile phones and nomadic computers, but also the expected multiplicity of devices and sensors located in machines, vehicles, health systems and city infrastructures. Future Mobile Networks are then faced with many new scenarios and use cases, which will load the networks with different data traffic patterns, in new or shared spectrum bands, creating new specific requirements. This book addresses both the techniques to model, analyse and optimise the radio links and transmission systems in such scenarios, together with the most advanced radio access, resource management and mobile networking technologies. This text summarises the work performed by more than 500 researchers from more than 120 institutions in Europe, America and Asia, from both academia and industries, within the framework of the COST IC1004 Action on "Cooperative Radio Communications for Green and Smart Environments". The book will have appeal to graduates and researchers in the Radio Communications area, and also to engineers working in the Wireless industry. Topics discussed in this book include: • Radio waves propagation phenomena in diverse urban, indoor, vehicular and body environments• Measurements, characterization, and modelling of radio channels beyond 4G networks• Key issues in Vehicle (V2X) communication• Wireless Body Area Networks, including specific Radio Channel Models for WBANs• Energy efficiency and resource management enhancements in Radio Access Networks• Definitions and models for the virtualised and cloud RAN architectures• Advances on feasible indoor localization and tracking techniques• Recent findings and innovations in antenna systems for communications• Physical Layer Network Coding for next generation wireless systems• Methods and techniques for MIMO Over the Air (OTA) testin

On the Support of Massive Machine-to-Machine Traffic in Heterogeneous Networks and Fifth-Generation Cellular Networks

The widespread availability of many emerging services enabled by the Internet of Things (IoT) paradigm passes through the capability to provide long-range connectivity to a massive number of things, overcoming the well-known issues of ad-hoc, short-range networks. This scenario entails a lot of challenges, ranging from the concerns about the radio access network efficiency to the threats about the security of IoT networks. In this thesis, we will focus on wireless communication standards for long-range IoT as well as on fundamental research outcomes about IoT networks. After investigating how Machine-Type Communication (MTC) is supported nowadays, we will provide innovative solutions that i) satisfy the requirements in terms of scalability and latency, ii) employ a combination of licensed and license-free frequency bands, and iii) assure energy-efficiency and security

Open Platforms for Connected Vehicles

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Cooperative Radio Communications for Green Smart Environments

The demand for mobile connectivity is continuously increasing, and by 2020 Mobile and Wireless Communications will serve not only very dense populations of mobile phones and nomadic computers, but also the expected multiplicity of devices and sensors located in machines, vehicles, health systems and city infrastructures. Future Mobile Networks are then faced with many new scenarios and use cases, which will load the networks with different data traffic patterns, in new or shared spectrum bands, creating new specific requirements. This book addresses both the techniques to model, analyse and optimise the radio links and transmission systems in such scenarios, together with the most advanced radio access, resource management and mobile networking technologies. This text summarises the work performed by more than 500 researchers from more than 120 institutions in Europe, America and Asia, from both academia and industries, within the framework of the COST IC1004 Action on "Cooperative Radio Communications for Green and Smart Environments". The book will have appeal to graduates and researchers in the Radio Communications area, and also to engineers working in the Wireless industry. Topics discussed in this book include: • Radio waves propagation phenomena in diverse urban, indoor, vehicular and body environments• Measurements, characterization, and modelling of radio channels beyond 4G networks• Key issues in Vehicle (V2X) communication• Wireless Body Area Networks, including specific Radio Channel Models for WBANs• Energy efficiency and resource management enhancements in Radio Access Networks• Definitions and models for the virtualised and cloud RAN architectures• Advances on feasible indoor localization and tracking techniques• Recent findings and innovations in antenna systems for communications• Physical Layer Network Coding for next generation wireless systems• Methods and techniques for MIMO Over the Air (OTA) testin