Cellular Network Traces Towards 5G: Usage, Analysis and Generation

Deployment and demand traces are a crucial tool to study today's LTE systems, as well as their evolution toward 5G. In this paper, we use a set of real-world, crowdsourced traces, coming from the WeFi and OpenSignal apps, to investigate how present-day networks are deployed, and the load they serve. Given this information, we present a way to generate synthetic deployment and demand profiles, retaining the same features of their real-world counterparts. We further discuss a methodology using traces (both real-world and synthetic) to assess (i) to which extent the current deployment is adequate to the current and future demand, and (ii) the effectiveness of the existing strategies to improve network capacity. Applying our methodology to real-world traces, we find that present-day LTE deployments consist of multiple, entangled, medium- to large-sized cells. Furthermore, although today's LTE networks are overprovisioned when compared to the present traffic demand, they will need substantial capacity improvements in order to face the load increase forecasted between now and 2020

Cognitive pilot channel enabling spectrum awareness

This paper presents the Cognitive Pilot Channel (CPC) solution as a mechanism allowing the terminal to be aware of the communication means available at a given time and place in a flexible spectrum management scenario. The different aspects to be considered in the CPC deployment are highlighted, together with the different implementation options. As a result, a CPC dimensioning methodology is formulated, identifying the main parameters involved in the process and the corresponding design trade-offs.Postprint (published version

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

Spectrum Coexistence Mechanisms for Mobile Networks in Unlicensed Frequency Bands

Mobile network operators have historically experienced increasing traffic loads at a steady pace, which has always strained the available network capacity and claimed constantly for new methods to increase the network capacity. A key solution proposed to increase the available spectrum is the exploitation of the unlicensed spectrum in the 5 GHz bands, predominantly occupied by Wi-Fi technology. However, an uncontrolled deployment of mobile networks in unlicensed bands could potentially lead to a resource starvation prob lem for Wi-Fi networks and therefore degrade their performance significantly. To address this issue, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standardised the Long Term Evolution Unlicensed (LTE-U) and Licensed Assisted Access (LAA) technologies. The main philosophy of these technologies is to allow mobile operators to benefit from the vast amount of available spectrum in unlicensed bands without degrading the performance of Wi-Fi networks, thus enabling a fair coexistence. However, the proposed coexistence mechanisms have been proven to provide very limited guarantees of fairness, if any at all. This thesis proposes several improvements to the 3GPP coexistence mechanisms to en able a truly fair coexistence between mobile and Wi-Fi networks in unlicensed bands. In particular, various methods are proposed to adjust the transmission duty cycle in LTE-U and to adapt/select both the waiting and transmission times for LAA. The main novelty of this work is that the proposed methods exploit the knowledge of the existing Wi-Fi activity statistics to tune the operating parameters of the coexistence protocol (duty cycle, contention window size and its adaptation, transmission opportunity times, etc.), optimise the fairness of spectrum coexistence and the performance of mobile networks. This research shows that, by means of a smart exploitation of the knowledge of the Wi-Fi activity statistics, it is possible to guarantee a truly fair coexistence between mobile and Wi-Fi systems in unlicensed bands. Compared to the 3GPP coexistence mechanisms, the proposed methods can attain a significantly better throughput performance for the mobile network while guaranteeing a fair coexistence with the Wi-Fi network. In some cases, the proposed methods are able not only to avoid degradation to the Wi-Fi network but even improve its performance (compared to a coexistence scenario between Wi-Fi networks only) as a result of the smart coexistence mechanisms proposed in this thesis. The proposed methods are evaluated for the 4G LTE standard but are similarly applicable to other more recent mobile technologies such as the Fifth Generation New Radio in Unlicensed bands (5G NR-U)

Heterogeneous and opportunistic wireless networks

Recent years have witnessed the evolution of a large plethora of wireless technologies with different characteristics, as a response of the operators' and users' needs in terms of an efficient and ubiquitous delivery of advanced multimedia services. The wireless segment of network infrastructure has penetrated in our lives, and wireless connectivity has now reached a state where it is considered to be an indispensable service as electricity or water supply. Wireless data networks grow increasingly complex as a multiplicity of wireless information terminals with sophisticated capabilities get embedded in the infrastructure. © 2012 Springer Milan. All Right Reserved

VoLTE: Fundamentals and Investment under Uncertainty by analogy with the Real Options Theory – A real case application in Greek Telecommunications market

Με την εμφάνιση των Τηλεπικοινωνιών, η φωνή έσπασε όλα τα φυσικά όρια και έγινε πραγματικότητα η μετάδοσή της παγκοσμίως σε πραγματικό χρόνο. Σύντομα, οι υπηρεσίες φωνής μετατράπηκαν σε βασική δραστηριότητα για τους παρόχους και το έναυσμα για την ανάπτυξη των Σταθερών και Κινητών Τηλεπικοινωνιών. Η τελευταία λέξη της τεχνολογίας για την Κινητή μετάδοση φωνής είναι το Voice over LTE (VoLTE), το οποίο αποτελεί μια σημαντική δυνατότητα του δικτύου για τη ουσιαστική βελτίωση της απόδοσης της φωνής και της χωρητικότητας του ραδιοδικτύου με ταυτόχρονη μείωση στα λειτουργικά κόστη. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της αρχιτεκτονικής VoLTE και παρέχεται μία ανάλυση της τεχνολογίας VoLTE ως επενδυτική ευκαιρία. Στο πρώτο μέρος παρατίθεται μια ιστορική αναδρομή σχετικά με την εξέλιξη των συστημάτων φωνής των Κινητής Τηλεπικοινωνιών από την πρώτη γενιά έως σήμερα. Περιλαμβάνεται μια επισκόπηση της αρχιτεκτονικής VoLTE με ανάλυση των κύριων υποσυστημάτων και των βασικών τους στοιχείων με βάση τις τεχνικές προδιαγραφές. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι βασικές λειτουργίες μετάδοσης φωνής μέσω της τεχνολογίας VoLTE. Στο επόμενο μέρος περιγράφονται τα οφέλη και οι προκλήσεις που γεννιούνται από την ανάπτυξη της λύσης VoLTE, από τεχνικής άποψης αλλά και από πλευράς αγοράς. Για τον μετριασμό των κινδύνων, προτείνεται από τις χρηματοπιστωτικές αγορές η θεωρία των για την αξιολόγηση της επένδυσης, με βάση τη σύγχρονη βιβλιογραφία. Η ζήτηση της υπηρεσίας VoLTE μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας τη γεωμετρική κίνηση Brown και αναπτύσσεται μια μεθοδολογία βασισμένη στα πραγματικά δικαιώματα προαίρεσης μέσω του δυναμικού προγραμματισμού, για τον υπολογισμό των βέλτιστων επενδυτικών κανόνων και του κόστους ευκαιρίας. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ένα παράδειγμα πραγματικής περίπτωσης επένδυσης VoLTE στην ελληνική αγορά Κινητών Τηλεπικοινωνιών, χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη μεθοδολογία των πραγματικών δικαιωμάτων προαίρεσης. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με την παραδοσιακή προσέγγιση και αναλύονται με την χρήση προσομοιώσεων Monte Carlo. Συμπεράσματα και ενδιαφέροντα ευρήματα παρέχονται στο τελευταίο κεφάλαιο.With the emergence of Telecommunications, the voice broke all physical borders and could be transferred worldwide in real-time. Soon, voice services became a core business for the providers and the trigger for the development of Fixed and Mobile Telecommunications. The state of the art for mobile voice delivery is Voice over LTE (VoLTE), which is an important network capability to significantly improve the service performance and radio capacity while reducing operating costs. This study thesis presents the fundamental principles of VoLTE architecture and provides an analysis of the VoLTE solution as an investment opportunity. In the first part, a historical review is given regarding the evolution of the Cellular Mobile Telecommunication systems since their first generation. An overview of the VoLTE architecture is included with an analysis of the main subsystems and the core components based on the technical specifications. Moreover, the basic functionalities of the VoLTE technology are presented. The next part describes the benefits and challenges of deploying the VoLTE solution from technical and market perspectives. In order to mitigate the risks, the Real Options theory from the financial market is introduced for evaluating the VoLTE investment according to modern literature. The VoLTE demand is modelled using the Geometric Brownian Motion process and the dynamic programming is used to structure a Real Options-based framework for calculating optimal investment rules and opportunity cost. In the sixth chapter, a real case application of the proposed framework in the Greek Mobile Telecommunications market is presented. The results are compared with the traditional tools and analyzed by performing Monte Carlo simulations. Conclusions and interesting insights are provided in the last chapter