Spatio-Temporal processing for Optimum Uplink-Downlink WCDMA Systems

The capacity of a cellular system is limited by two different phenomena, namely multipath fading and multiple access interference (MAl). A Two Dimensional (2-D) receiver combats both of these by processing the signal both in the spatial and temporal domain. An ideal 2-D receiver would perform joint space-time processing, but at the price of high computational complexity. In this research we investigate computationally simpler technique termed as a Beamfom1er-Rake. In a Beamformer-Rake, the output of a beamfom1er is fed into a succeeding temporal processor to take advantage of both the beamformer and Rake receiver. Wireless service providers throughout the world are working to introduce the third generation (3G) and beyond (3G) cellular service that will provide higher data rates and better spectral efficiency. Wideband COMA (WCDMA) has been widely accepted as one of the air interfaces for 3G. A Beamformer-Rake receiver can be an effective solution to provide the receivers enhanced capabilities needed to achieve the required performance of a WCDMA system. We consider three different Pilot Symbol Assisted (PSA) beamforming techniques, Direct Matrix Inversion (DMI), Least-Mean Square (LMS) and Recursive Least Square (RLS) adaptive algorithms. Geometrically Based Single Bounce (GBSB) statistical Circular channel model is considered, which is more suitable for array processing, and conductive to RAKE combining. The performances of the Beam former-Rake receiver are evaluated in this channel model as a function of the number of antenna elements and RAKE fingers, in which are evaluated for the uplink WCDMA system. It is shown that, the Beamformer-Rake receiver outperforms the conventional RAKE receiver and the conventional beamformer by a significant margin. Also, we optimize and develop a mathematical formulation for the output Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) of a Beam former-Rake receiver. In this research, also, we develop, simulate and evaluate the SINR and Signal to Noise Ratio (Et!Nol performances of an adaptive beamforming technique in the WCDMA system for downlink. The performance is then compared with an omnidirectional antenna system. Simulation shows that the best perfom1ance can be achieved when all the mobiles with same Angle-of-Arrival (AOA) and different distance from base station are formed in one beam

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

Spatio-Temporal processing for Optimum Uplink-Downlink WCDMA Systems

The capacity of a cellular system is limited by two different phenomena, namely multipath fading and multiple access interference (MAl). A Two Dimensional (2-D) receiver combats both of these by processing the signal both in the spatial and temporal domain. An ideal 2-D receiver would perform joint space-time processing, but at the price of high computational complexity. In this research we investigate computationally simpler technique termed as a Beamfom1er-Rake. In a Beamformer-Rake, the output of a beamfom1er is fed into a succeeding temporal processor to take advantage of both the beamformer and Rake receiver. Wireless service providers throughout the world are working to introduce the third generation (3G) and beyond (3G) cellular service that will provide higher data rates and better spectral efficiency. Wideband COMA (WCDMA) has been widely accepted as one of the air interfaces for 3G. A Beamformer-Rake receiver can be an effective solution to provide the receivers enhanced capabilities needed to achieve the required performance of a WCDMA system. We consider three different Pilot Symbol Assisted (PSA) beamforming techniques, Direct Matrix Inversion (DMI), Least-Mean Square (LMS) and Recursive Least Square (RLS) adaptive algorithms. Geometrically Based Single Bounce (GBSB) statistical Circular channel model is considered, which is more suitable for array processing, and conductive to RAKE combining. The performances of the Beam former-Rake receiver are evaluated in this channel model as a function of the number of antenna elements and RAKE fingers, in which are evaluated for the uplink WCDMA system. It is shown that, the Beamformer-Rake receiver outperforms the conventional RAKE receiver and the conventional beamformer by a significant margin. Also, we optimize and develop a mathematical formulation for the output Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) of a Beam former-Rake receiver. In this research, also, we develop, simulate and evaluate the SINR and Signal to Noise Ratio (Et!Nol performances of an adaptive beamforming technique in the WCDMA system for downlink. The performance is then compared with an omnidirectional antenna system. Simulation shows that the best perfom1ance can be achieved when all the mobiles with same Angle-of-Arrival (AOA) and different distance from base station are formed in one beam

QoS management in UMTS terrestrial radio access FDD networks

This work investigates the role and importance of some of the key aspects of QoS planning, provisioning, monitoring and optimisation (QoS Management) for UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA) FDD networks within the framework of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Firstly, the differences between Quality of end user Experience (QoE) and Quality of Service (QoS) are explained. This is followed by a review of 3GPP requirements for QoS concept and architecture. Then all models and the main assumptions in this dissertation are presented. Based on these, original QoS mechanisms in the radio access network domain, means and methods for QoS provisioning, planning, monitoring and "optimisation" are discussed. Simulation results showed substantial spectral efficiency gains provided by service (or user) differentiation in UTRAN by means of priorities and differentiated parameter settings. When appropriately configured, the proposed QoS mechanisms can greatly reduce the need for bandwidth. Performance results proved also the proposed virtual time simulator to be an appropriate tool for service driven WCDMA radio interface dimensioning and detailed radio network planning. It is also shown that measuring QoS performance by a proper classification of counters (and or gauges), based on a particular subset of radio access bearer attributes, is a promising technique for assessing performances of service applications through WCDMA networks. With this new method there is no need to trace upper layer protocols at different interfaces or dumping data in mobile terminals. The proposed metrics allow operators to measure the bandwidth required for robust statistical reliability, to assess and exploit statistical sharing of resources, to configure QoS functions effectively, and to monitor QoE. The application of the proposed technique is not limited to the WCDMA Radio Network Subsystem (RNS), yet it can be deployed in any radio access and packet core network supporting mapping of performance indicators onto a particular subset of QoS attributes. Finally, in order to maximise the performance of the available services in UTRAN, at a given QoE, simulation results showed clear needs for the network administrator to adapt the parameter settings to diverse input application traffic conditions and the proposed genetic approach to be an appropriate solution space search algorithm for this purpose.reviewe