Contribución a la mejora del control de flujo en redes de acceso inalámbrico

[SPA] Esta tesis se enmarca en el estudio de la red de transporte de las redes de acceso radio (Radio Access Networks, RANs), también denominado Backhaul. En particular esta tesis aborda los problemas asociados a la congestión en el Backhaul mediante una aproximación basada en teoría de control y la optimización matemática. Los problemas causados por la congestión en el Backhaul son de distinta naturaleza dependiendo de la tecnología RAN a la que da soporte. En esta tesis elaboramos un recorrido histórico por la evolución de las tecnologías RAN durante las dos últimas décadas, en el que nos centramos en las funcionalidades que dependen del Backhaul, y en las diferentes y en general, más exigentes, demandas que éstas imponen en la infraestructura de Backhaul. Iniciamos nuestro recorrido en las redes 3G (Universal Mobile Telecommunication System, UMTS), proseguimos con 3.5G (High Speed Data Access, HSDA) y finalizamos con 4G (Long Term Evolution, LTE). Describimos el impacto que la congestión del Backhaul tiene en cada una de ellas y se proponen mecanismos de control para contrarrestar sus efectos negativos. Los objetivos de esta tesis son los siguientes: 1. Proponer y evaluar mecanismos de control que mejoren el rendimiento de la sincronización de canal de transporte en FP en situaciones de congestión del backhaul. El marco tecnológico de este objetivo son las redes 3G (UMTS). 2. Proponer y evaluar mecanismos de control de flujo que consideren conjuntamente el interfaz radio y en el backhaul. El marco tecnológico de este objetivo es 3.5G (HSPA). 3. Proponer y evaluar un scheduling radio que considere conjuntamente los recursos del interfaz radio y del backhaul. El marco tecnológico de este objetivo es 4G (LTE). 4. Proponer y evaluar mecanismos de asignación coordinada de recursos en el interfaz radio y el backhaul. El marco tecnológico de este objetivo es 4G (LTE). 5. Abordar los objetivos anteriores dentro de la compatibilidad con las especificaciones técnicas de los protocolos implicados. Con respecto al último objetivo, consideramos que no resulta realista plantear algoritmos que impliquen un cambio en sistemas ya estandarizados y de amplio despliegue. Sin embargo, las especificaciones del 3GPP no tienen vocación de definir el funcionamiento de todos los algoritmos involucrados ya que su objetivo último es determinar claramente las interfaces para facilitar la interconexión entre dispositivos y equipos de distintos fabricantes y operadores. Los mecanismos que internamente emplean muchos protocolos para realizar ciertas tareas, en particular algoritmos de gestión de recursos o scheduling, se dejan abiertos a la implementación de los fabricantes, de forma que estos pueden diferenciarse tecnológicamente unos de otros en un entorno de competencia. Esto permite que nuevos mecanismos como los propuestos en este trabajo tengan cabida en los sistemas considerados. El objetivo principal de la Sincronización de Canal de Transporte en redes UMTS es que las tramas enviadas por la RNC lleguen a tiempo a los Nodos B para su transmisión a través del interfaz radio. Para ello, el 3GPP especifica un algoritmo conocido como Timing Adjustment que se encarga de controlar el retraso que experimentan las tramas en el interfaz Iub sumando o restando una cantidad constante. Este algoritmo reacciona con demasiada lentitud ante variaciones abruptas del retardo del interfaz Iub y, además, se puede volver inestable en escenarios de alta demora. Son situaciones que pueden estar propiciadas, entre otros motivos, por la congestión en el backhaul. Aplicando teoría de control en tiempo discreto, proponemos un nuevo mecanismo que garantiza la estabilidad en cualquier situación y mejora el rendimiento del algoritmo clásico. Las medidas de rendimiento se realizan mediante un simulador de la red UTRAN (UMTS RAN) teniendo en cuenta condiciones reales de tráfico en el interfaz Iub. Con la incorporación de HSPA en las redes UMTS la función de scheduling se ha desplazado desde la RNC hasta el Nodo B, generando la necesidad de unos buffers en el Nodo B. A su vez, esta nueva distribución de la capacidad de almacenamiento entre la RNC y el Nodo B requiere de un mecanismo de control de flujo que regule la transferencia de datos entre ambos. En esta tesis realizamos un detallado estudio analítico de este control de flujo abordándolo como un problema de optimización cuadrática. Partiendo de este análisis desarramos un nuevo algoritmo de control de flujo que consigue minimizar el retardo extremo a extremo gracias a que incorpora como parámetro la ocupación de los buffers de la RNC (además de la ocupación en el backhaul en el algoritmo de gestión de recursos radio, o scheduling. Para ello consideramos un escenario sencillo compuesto por una sola celda y una infraestructura backhaul consistente en un enlace punto-a-punto de capacidad C. Mostramos que cuando el backhaul es el cuello de botella, el rendimiento del scheduler radio con consideraciones de backhaul es claramente superior al scheduler convencional. Haciendo uso de técnicas de optimización de la utilidad de la red (NUM), abordamos de forma conjunta la gestión de recursos radio y del backhaul. Empleando descomposición dual, proponemos un mecanismo distribuido y de baja carga computacional que permite generar decisiones de asignación de recursos en el backhaul y en el interfaz radio, de forma coordinada y subtrama a subtrama. Finalmente, incorporamos en nuestro algoritmo el control _optimo de colas tandem, mejorando aun más el rendimiento respecto a los schedulers no coordinados. el Nodo B), algo que no se había considerado en algoritmos anteriores. Se trata, por tanto, de un control de flujo consciente del backhaul (backhaul-aware). Desde la implantación de LTE (4G), las tasas máximas de transmisión alcanzables en el interfaz radio se han disparado con respecto a las anteriores generaciones de sistemas móviles. Por primera vez operadores, fabricantes y comunidad académica coinciden en la necesidad de optimizar el uso los recursos del backhaul además de los recursos radio. En esta tesis estudiamos el impacto que tiene el backhaul en el algoritmo de gestión de recursos radio, o scheduling. Para ello consideramos un escenario sencillo compuesto por una sola celda y una infreastructura backhaul consistente en un enlace punto-a-punto de capacidad C. Mostramos que cuando el backhaul es el cuello de botella, el rendimiento del scheduler radio con consideraciones de backhaul es claramente superior al scheduler convencional. Haciendo uso de t_ecnicas de optimización de la utilidad de la red (NUM), abordamos de forma conjunta la gestión de recursos radio y del backhaul. Empleando descomposición dual, proponemos un mecanismo distribuido y de baja carga computacional que permite generar decisiones de asignación de recursos en el backhaul y en el interfaz radio, de forma coordinada y subtrama a subtrama. Finalmente, incorporamos en nuestro algoritmo el control _optimo de colas tandem, mejorando aun más el rendimiento respecto a los schedulers no coordinados.[ENG] The framework of this thesis is the backhaul of radio access networks (RANs). We refer to backhaul as the infrastructure connecting the base stations of a cellular networks to either the radio network controller (RNCs) nodes or the core network nodes. In particular, this thesis addresses the issues associated to the congestion of the backhaul and the control algorithms that manage the resources of this infrastructure. The potential problems caused in the RAN by the backhaul congestion are of different nature depending on the RAN technology. We will provide a historical overview of the evolution of the RAN technologies over the last two decades, focusing on the functionalities relying on the backhaul, and how each generation imposes different and somewhat more stringent demands on the backhaul infrastructure. Along this work we focus chronologically on a specific RAN generation, starting with 3G, in particular Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), then 3.5, High Speed Data Access (HSPA) and 4G Long Term Evolution (LTE). On each one, we study the impact of backhaul congestion on the RAN performance and propose a strategy to optimally control and manage the resources of the system. The objectives of this thesis can be formulated as follows: 1. To develop and evaluate effective control schemes to improve the performance of the transport channel synchronization functionality under backhaul congestion. The technological framework of this first objective is 3G (UMTS). 2. To develop and evaluate own control mechanisms that jointly consider the radio interface and the backhaul. The technological framework of this second objective is 3.5G (HSPA). 3. To study the impact of backhaul congestion on downlink scheduling over the radio interface. The technological framework of this second objective is 3.5G (HSPA). 4. To develop and evaluate mechanisms for coordinate resource allocation at both the radio interface and the backhaul. 5. To address previous objective with proposals that are compliant with the technical specifications of the involved protocols. With regard to this last objective, we consider that it is not fully realistic to come up with algorithms implying changes in systems that are already standardized and widely deployed. However, 3GPP standards do not pretend to define every algorithm involved, since the 3GPP's main objective is to clearly specify the interfaces to allow the interoperability between operators and deferent vendors' devices. The internal mechanisms contained in deferent layers of the protocol stack to accomplish each task are generally left open to operator or vendor choice. Especially resource management functions (such as scheduling or congestion control). This approach leverages innovation and research within the industry and the academia, and allows that mechanisms as the ones presented in this thesis be feasible within existing standardized cellular networks. The main objective of transport channel synchronization in UMTS is to make sure that the frames sent by the RNC arrive on time to the Nodes B (NBs) to be transmitted over the radio interface. For this task, the 3GPP specifies an algorithm known as timing adjustment (TA) that controls the delay suffered by the frames over the interface (Iub) connecting each NB with its corresponding RNC. The TA can add or subtract a certain quantity to the transmission delay. We show that the typical mechanism reacts too slowly in situations where the Iub delay increases abruptly, e.g. under transient congestion of the Iub. Besides, this classic algorithm shows potential instability issues in scenarios of very high delay. We address this problem using the tools of discrete-time control theory, which allows us to propose a new scheme that assures stability under any circumstances and improves the classical mechanism. The performance evaluation is carried out by means of simulation and considering realistic traffic scenarios for the Iub. With the introduction of HSPA (3.5G) in UMTS, the scheduling function was moved from the RNC to the Node B, imposing the inclusion of new data buffers at the NBs. Additionally, this redistribution of the data storage function between the RNCs and the NBs created the need of a flow control mechanism regulating the data transfers on the Iub. We model and analyze this mechanism as a quadratic optimization problem, and exploit this approach to propose a new flow control scheme that minimizes the end-to-end delay over the RAN by considering no only the situation of the NB buffer, but also of the RNC buffers. Our approach is a backhaul-aware optimal flow control system for RAN. Finally, in LTE (4G) systems, the peak transmission rates achievable by a user over the radio interface have boosted compared to previous generations. For the first time operators, vendors and the academic community agree on the need to optimize the backhaul resources, not only the radio resources. In fact, our point is that backhaul congestion impacts the performance of radio resource allocation and this function should be redesigned taking into consideration the capacity limitation of the backhaul. We use network utility maximization (NUM) techniques to address the problem of joint radio-backhaul scheduling. We use a dual decomposition approach to propose a low-complexity, distributed mechanism, that can make resource allocation decisions in a subframe basis. Finally, we incorporate the optimal control policy for tande queues in our mechanism, improving even more the performance compared to non-coordinated schedulers.Universidad Politécnica de Cartagen

Traffic and mobility management in large-scale networks of small cells

The growth in user demand for higher mobile data rates is driving Mobile Network Operators (MNOs) and network infrastructure vendors towards the adoption of innovative solutions in areas that span from physical layer techniques (e.g., carrier aggregation, massive MIMO, etc.) to the Radio Access Network and the Evolved Packet Core, amongst other. In terms of network capacity, out of a millionfold increase since 1957, the use of wider spectrum (25x increase), the division of spectrum into smaller resources (5x), and the introduction of advanced modulation and coding schemes (5x) have played a less significant role than the improvements in system capacity due to cell size reduction (1600x). This justifies the academic and industrial interest in short-range, low-power cellular base stations, such as small cells. The shift from traditional macrocell-based deployments towards heterogeneous cellular networks raises the need for new architectural and procedural frameworks capable of providing a seamless integration of massive deployments of small cells into the existing cellular network infrastructure. This is particularly challenging for large-scale, all-wireless networks of small cells (NoS), where connectivity amongst base stations is provided via a wireless multi-hop backhaul. Networks of small cells are a cost-effective solution for improving network coverage and capacity in high user-density scenarios, such as transportation hubs, sports venues, convention centres, dense urban areas, shopping malls, corporate premises, university campuses, theme parks, etc. This Ph.D. Thesis provides an answer to the following research question: What is the architectural and procedural framework needed to support efficient traffic and mobility management mechanisms in massive deployments of all-wireless 3GPP Long-Term Evolution networks of small cells? In order to do so, we address three key research challenges in NoS. First, we present a 3GPP network architecture capable of supporting large-scale, all-wireless NoS deployments in the Evolved Packet System. This involves delegating core network functions onto new functional entities in the network of small cells, as well as adapting Transport Network Layer functionalities to the characteristics of a NoS in order to support key cellular services. Secondly, we address the issue of local location management, i.e., determining the approximate location of a mobile terminal in the NoS upon arrival of an incoming connection from the core network. This entails the design, implementation, and evaluation of efficient paging and Tracking Area Update mechanisms that can keep track of mobile terminals in the complex scenario of an all-wireless NoS whilst mitigating the impact on signalling traffic throughout the local NoS domain and towards the core network. Finally, we deal with the issue of traffic management in large-scale networks of small cells. On the one hand, we propose new 3GPP network procedures to support direct unicast communication between LTE terminals camped on the same NoS with minimal involvement from functional entities in the Evolved Packet Core. On the other hand, we define a set of extensions to the standard 3GPP Multicast/Broadcast Multimedia Service (MBMS) in order to improve the quality of experience of multicast/broadcast traffic services in high user-density scenarios.El crecimiento de la demanda de tasas de transmisión más altas está empujando a los operadores de redes móviles y a los fabricantes de equipos de red a la adopción de soluciones innovadoras en áreas que se extienden desde técnicas avanzadas de capa física (agregación de portadoras, esquemas MIMO masivos, etc.) hasta la red de acceso radio y troncal, entre otras. Desde 1957 la capacidad de las redes celulares se ha multiplicado por un millón. La utilización de mayor espectro radioeléctrico (incremento en factor 25), la división de dicho espectro en recursos más pequeños (factor 5) y la introducción de esquemas avanzados de modulación y codificación (factor 5) han desempeñado un papel menos significativo que las mejoras en la capacidad del sistema debidas a la reducción del tamaño de las celdas (factor 1600). Este hecho justifica el interés del mundo académico y de la industria en estaciones base de corto alcance y baja potencia, conocidas comúnmente como small cells. La transición de despliegues tradicionales de redes celulares basados en macroceldas hacia redes heterogéneas pone de manifiesto la necesidad de adoptar esquemas arquitecturales y de procedimientos capaces de proporcionar una integración transparente de despliegues masivos de small cells en la actual infraestructura de red celular. Este aspecto es particularmente complejo en el caso de despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells (NoS, en sus siglas en inglés), donde la conectividad entre estaciones base se proporciona a través de una conexión troncal inalámbrica multi-salto. En general, las redes de small cells son una solución eficiente para mejorar la cobertura y la capacidad de la red celular en entornos de alta densidad de usuarios, como núcleos de transporte, sedes de eventos deportivos, palacios de congresos, áreas urbanas densas, centros comerciales, edificios corporativos, campus universitarios, parques temáticos, etc. El objetivo de esta Tesis de Doctorado es proporcionar una respuesta a la siguiente pregunta de investigación: ¿Cuál es el esquema arquitectural y de procedimientos de red necesario para soportar mecanismos eficientes de gestión de tráfico y movilidad en despliegues masivos de redes inalámbricas de small cells LTE? Para responder a esta pregunta nos centramos en tres desafíos clave en NoS. En primer lugar, presentamos una arquitectura de red 3GPP capaz de soportar despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells en el Evolved Packet System, esto es, el sistema global de comunicaciones celulares LTE. Esto implica delegar funciones de red troncal en nuevas entidades funcionales desplegadas en la red de small cells, así como adaptar funcionalidades de la red de transporte a las características de una NoS para soportar servicios celulares clave. En segundo lugar, nos centramos en el problema de la gestión de movilidad local, es decir, determinar la localización aproximada de un terminal móvil en la NoS a la llegada de una solicitud de conexión desde la red troncal. Esto incluye el diseño, la implementación y la evaluación de mecanismos eficientes de paging y Tracking Area Update capaces de monitorizar terminales móviles en el complejo escenario de redes de small cells inalámbricas que, a la vez, mitiguen el impacto sobre el tráfico de señalización en el dominio local de la NoS y hacia la red troncal. Finalmente, estudiamos el problema de gestión de tráfico en despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells. Por un lado, proponemos nuevos procedimientos de red 3GPP para soportar comunicaciones unicast directas entre terminales LTE registrados en la misma NoS con mínima intervención por parte de entidades funcionales en la red troncal. Por otro lado, definimos un conjunto de extensiones para mejorar la calidad de la experiencia del servicio estándar 3GPP de transmisión multicast/broadcast de tráfico multimedia (MBMS, en sus siglas en inglés) en entornos de alta densidad de usuarios