Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics

La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc. Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios. El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP). El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil. La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G. Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios. Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación

Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics

La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc. Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios. El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP). El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil. La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G. Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios. Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación

Inter-micro-operator interference protection in dynamic TDD system

Abstract. This thesis considers the problem of weighted sum-rate maximization (WSRM) for a system of micro-operators subject to inter-micro-operator interference constraints with dynamic time division duplexing. The WSRM problem is non-convex and non-deterministic polynomial hard. Furthermore, micro-operators require minimum coordination among themselves making the inter-micro-operator interference management very challenging. In this regard, we propose two decentralized precoder design algorithm based on over-the-air bi-directional signalling strategy. We first propose a precoder design algorithm by considering the equivalent weighted minimum mean-squared error minimization reformulation of the WSRM problem. Later we propose precoder design algorithm by considering the weighted sum mean-squared error reformulation. In both approaches, to reduce the huge signalling requirements in centralized design, we use alternating direction method of multipliers technique, wherein each downlink-operator base station and uplink-operator user determines only the relevant set of transmit precoders by exchanging minimal information among the coordinating base stations and user equipments. To minimize the coordination between the uplink-opeator users, we propose interference budget allocation scheme based on reference signal measurements from downlink-operator users. Numerical simulations are provided to compare the performance of proposed algorithms with and without the inter-micro-operator interference constraints

Modelling, Dimensioning and Optimization of 5G Communication Networks, Resources and Services

This reprint aims to collect state-of-the-art research contributions that address challenges in the emerging 5G networks design, dimensioning and optimization. Designing, dimensioning and optimization of communication networks resources and services have been an inseparable part of telecom network development. The latter must convey a large volume of traffic, providing service to traffic streams with highly differentiated requirements in terms of bit-rate and service time, required quality of service and quality of experience parameters. Such a communication infrastructure presents many important challenges, such as the study of necessary multi-layer cooperation, new protocols, performance evaluation of different network parts, low layer network design, network management and security issues, and new technologies in general, which will be discussed in this book

Dimensioning and optimizing mobile networks with performance management system

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia suorituskyvyn hallintajärjestelmän käyttöä mobiiliverkkojen mitoituksen ja optimoinnin apuna. Työssä käydään suurpiirteisesti läpi tärkeimmät radioteknologiat ja niiden vaatimukset, sekä erilaiset palvelut, joita ne mahdollistavat. Käsiteltäviä radioteknologioita ovat GSM, GRPS, EDGE, UMTS, HSPA ja pintaa raapaistaan myös seuraavan sukupolven radioteknologioiden ympäriltä. Lisäksi käydään läpi tärkeimmät liityntäverkon siirtoteknologit, eli TDM, ATM, Ethernet, IP ja MPLS, ja selvitetään, miten niissä voidaan välittää palvelunlaatua sekä mitä käyttö- ja kunnossapitomenetelmiä ne mahdollistavat. Itse suorituskyvyn hallinta liittyy olennaisena osana verkonhallintaprosessiin virheen hallinnan sekä muiden OAM-menetelmien ohella. Suorituskykykyselyiden tuloksena voidaan laskea erilaisia suorituskykyindikaattoreita, joita voidaan käyttää erilaisiin verkonhallinnan tarpeisiin. Työssä tutkitaan erityisesti, millaisia suorituskykymittauksia liityntäverkoissa kannattaisi tehdä ja etenkin missä verkon osissa niistä voisi olla hyötyä. Työssä käydään läpi myös erilaisten suorituskyvyn hallintajärjestelmien integraatiota, jota monitasoisissa usean valmistajan verkoissa usein saatetaan tarvita. Itse mitoitus- ja optimointiprosessin yhteydessä selvitetään nimenomaan suorituskyvyn hallintajärjestelmän käyttöä liityntäverkoissa. Samalla selvitetään, mitkä mitoitus- ja optimointiratkaisut saattaisivat sopia liityntäverkkoihin. Valitettavasti työssä esitetään erilaisia mitoitus- ja optimointimenetelmiä varsin suppeasti. Tähän on suurimpana syynä se, ettei operaattorien keskuudessa olla menetelmiä juurikaan käytetty. Näihin päiviin asti operaattoreille on riittänyt pelkästään kapasiteetin lisääminen, mutta uusien ja nopeampien radioteknologioiden myötä se ei tule enää riittämään. Toivottavasti tulevaisuudessa tulemmekin näkemään pitkälle kehittyneitä mitoitus- ja optimointiratkaisuja pitkälle kehittyneiden verkon- ja suorituskyvynhallintajärjestelmien ohella.The purpose of this master's thesis was to investigate the dimensioning and optimizing of the mobile networks with a performance management system. The thesis discusses at the general level the most important radio technologies, their requirements and different services they provide. The radio technologies studied are GSM, GPRS, EDGE, UTMS, HSPA, and the next generation technologies. Additionally, the most important access transport technologies have been discussed; including TDM, ATM, Ethernet, IP and MPLS, and their abilities to deliver quality of service and what operation and maintenance methods they provide. Performance management system is a major component in the network management process, along with fault management and other OAM methods. Various performance indicators can be calculated from the performance queries, and they can be used for the needs of network management. The thesis examines in particular, what kind of performance measurements should be done in the access networks, focusing on what network segments receive the most benefit from it. Also, the thesis studies the implementation of different performance management systems integration, as it is often needed in multi vendor hierarchical networks. The use of performance management systems in access networks is sorted with the dimensioning and optimizing process to discover, what kind of dimensioning and optimizing solutions would fit in the access networks. Unfortunately, there are relatively few solutions in the thesis, because operators have not yet implemented any such methods. To this date, simply adding more capacity has been enough for operators. However, combined with new and faster radio technologies it will no longer be sufficient anymore. Hopefully, in the future we will see highly sophisticated dimensioning and optimizing solutions built into performance management systems

Busy burst technology applied to OFDMA–TDD systems

The most significant bottleneck in wireless communication systems is an ever-increasing disproportion between the bandwidth demand and the available spectrum. A major challenge in the field of wireless communications is to maximise the spatial reuse of resources whilst avoiding detrimental co-channel interference (CCI). To this end, frequency planning and centralised coordination approaches are widely used in wireless networks. However, the networks for the next generation of wireless communications are often envisioned to be decentralised, randomly distributed in space, hierarchical and support heterogeneous traffic and service types. Fixed frequency allocation would not cater for the heterogeneous demands and centralised resource allocation would be cumbersome and require a lot of signalling. Decentralised radio resource allocation based on locally available information is considered the key. In this context, the busy burst (BB) signalling concept is identified as a potential mechanism for decentralised interference management in future generation networks. Interference aware allocation of time-frequency slots (chunks) is accomplished by letting receivers transmit a BB in a time-multiplexed mini-slot, upon successful reception of data. Exploiting channel reciprocity of the time division duplex (TDD) mode, the transmitters avoid reusing the chunks where the received BB power is above a pre-determined threshold so as to limit the CCI caused towards the reserved chunks to a threshold value. In this thesis, the performance of BB signalling mechanism in orthogonal frequency division multiple access - time division duplexing (OFDMA-TDD) systems is evaluated by means of system level simulations in networks operating in ad hoc and cellular scenarios. Comparisons are made against the state-of-the-art centralised CCI avoidance and mitigation methods, viz. frequency planning, fractional frequency reuse, and antenna array with switched grid of beams, as well as decentralised methods such as the carrier sense multiple access method that attempt to avoid CCI by avoiding transmission on chunks deemed busy. The results demonstrate that with an appropriate choice of threshold parameter, BB-based techniques outperform all of the above state-of-the-art methods. Moreover, it is demonstrated that by adjusting the BB-specific threshold parameter, the system throughput can be traded off for improving throughput for links with worse channel condition, both in the ad hoc and cellular scenario. Moreover, by utilising a variable BB power that allows a receiver to signal the maximum CCI it can tolerate, it is shown that a more favourable trade-off between total system throughput and link throughput can be made. Furthermore, by performing link adaptation, it is demonstrated that the spatial reuse and the energy efficiency can be traded off by adjusting the threshold parameter. Although the BB signalling mechanism is shown to be effective in avoiding detrimental CCI, it cannot mitigate CCI by itself. On the other hand, multiple antenna techniques such as adaptive beamforming or switched beam approaches allow CCI to be mitigated but suffer from hidden node problems. The final contribution of this thesis is that by combining the BB signalling mechanism with multiple antenna techniques, it is demonstrated that the hybrid approach enhances spatial reusability of resources whilst avoiding detrimental CCI. In summary, this thesis has demonstrated that BB provides a flexible radio resource mechanism that is suitable for future generation networks

Contention techniques for opportunistic communication in wireless mesh networks

Auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation und insbesondere auf den tieferen Netzwerkschichten sind gewaltige Fortschritte zu verzeichnen. Innovative Konzepte und Technologien auf der physikalischen Schicht (PHY) gehen dabei zeitnah in zelluläre Netze ein. Drahtlose Maschennetzwerke (WMNs) können mit diesem Innovationstempo nicht mithalten. Die Mehrnutzer-Kommunikation ist ein Grundpfeiler vieler angewandter PHY Technologien, die sich in WMNs nur ungenügend auf die etablierte Schichtenarchitektur abbilden lässt. Insbesondere ist das Problem des Scheduling in WMNs inhärent komplex. Erstaunlicherweise ist der Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung (CSMA) in WMNs asymptotisch optimal obwohl das Verfahren eine geringe Durchführungskomplexität aufweist. Daher stellt sich die Frage, in welcher Weise das dem CSMA zugrunde liegende Konzept des konkurrierenden Wettbewerbs (engl. Contention) für die Integration innovativer PHY Technologien verwendet werden kann. Opportunistische Kommunikation ist eine Technik, die die inhärenten Besonderheiten des drahtlosen Kanals ausnutzt. In der vorliegenden Dissertation werden CSMA-basierte Protokolle für die opportunistische Kommunikation in WMNs entwickelt und evaluiert. Es werden dabei opportunistisches Routing (OR) im zustandslosen Kanal und opportunistisches Scheduling (OS) im zustandsbehafteten Kanal betrachtet. Ziel ist es, den Durchsatz von elastischen Paketflüssen gerecht zu maximieren. Es werden Modelle für Überlastkontrolle, Routing und konkurrenzbasierte opportunistische Kommunikation vorgestellt. Am Beispiel von IEEE 802.11 wird illustriert, wie der schichtübergreifende Entwurf in einem Netzwerksimulator prototypisch implementiert werden kann. Auf Grundlage der Evaluationsresultate kann der Schluss gezogen werden, dass die opportunistische Kommunikation konkurrenzbasiert realisierbar ist. Darüber hinaus steigern die vorgestellten Protokolle den Durchsatz im Vergleich zu etablierten Lösungen wie etwa DCF, DSR, ExOR, RBAR und ETT.In the field of wireless communication, a tremendous progress can be observed especially at the lower layers. Innovative physical layer (PHY) concepts and technologies can be rapidly assimilated in cellular networks. Wireless mesh networks (WMNs), on the other hand, cannot keep up with the speed of innovation at the PHY due to their flat and decentralized architecture. Many innovative PHY technologies rely on multi-user communication, so that the established abstraction of the network stack does not work well for WMNs. The scheduling problem in WMNs is inherent complex. Surprisingly, carrier sense multiple access (CSMA) in WMNs is asymptotically utility-optimal even though it has a low computational complexity and does not involve message exchange. Hence, the question arises whether CSMA and the underlying concept of contention allows for the assimilation of advanced PHY technologies into WMNs. In this thesis, we design and evaluate contention protocols based on CSMA for opportunistic communication in WMNs. Opportunistic communication is a technique that relies on multi-user diversity in order to exploit the inherent characteristics of the wireless channel. In particular, we consider opportunistic routing (OR) and opportunistic scheduling (OS) in memoryless and slow fading channels, respectively. We present models for congestion control, routing and contention-based opportunistic communication in WMNs in order to maximize both throughput and fairness of elastic unicast traffic flows. At the instance of IEEE 802.11, we illustrate how the cross-layer algorithms can be implemented within a network simulator prototype. Our evaluation results lead to the conclusion that contention-based opportunistic communication is feasible. Furthermore, the proposed protocols increase both throughput and fairness in comparison to state-of-the-art approaches like DCF, DSR, ExOR, RBAR and ETT