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

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    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

    Vývoj standardů mobilních sítí

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    Import 21/10/2013This bachelor thesis deals primarily with a development of LTE technologies and its possibilities of deployment in the Czech Republic and abroad. The thesis is initially focused on the development of mobile network standards since the advent of 3rd generation networks in Release 99 up to the newest Release 12 where the main telecommunication technologies are continuously described along with their advantages. As the LTE represents next evolution step in a field of mobile data transmission, the comparison of LTE and HSPA+ physical layers is also included. Among other it describes information blocks from transport channel over the transmission path and regaining of user data. The development of LTE networks in the world deals with an actual progress of the deployment of this technology. In detail, there are described countries where the LTE is in a commercial service among with a comparison of used frequency bands. Addressing with issue of development and deployment of LTE in the Czech Republic is a content of the last part. With regard to the current network state of each provider, it is also focused on legislation, backbone networks and frequency planning which is closely related to the forthcoming auction of the Digital Dividend.Tato bakalářská práce pojednává především o vývoji LTE technologíí a jejich možnostech nasazení v České Republice a ve světě. Práce se nejprve zaměřuje na vývoj mobilních standardů od nástupu sítí třetí generace, Release 99, až po doposud nejnovější Release 12, kde jsou postupně probrány vrcholové telekomunikační technologie a jejich přednosti. V práci jsou dále popsány rozdíly fyzických vrstev mezi technologiemi HSPA+ a LTE, jelikož se jedná o další evoluční krok v oblasti datových přenosů. Popis obsahuje blokové srovnání od samotné inicializace transportního kanálu, po přenosovou cestu a opětovného získání užitečné informace. Vývoj LTE sítí ve světě pojednává o aktuálním stavu vývoje a rozšíření této technologie. Podrobně jsou zde popsány země, kde se LTE používá spolu se srovnáním použitých frekvenčních pásem. Poslední část řeší otázku vývoje a nasazení LTE v České Republice. S ohledem na aktuální stav sítí jednotlivých operátoru je sekce zaměřena také na legislativu, páteřní sítě a frekvenční plánování, s čímž souvisí také očekáváná aukce z digitální dividendy.440 - Katedra telekomunikační technikyvelmi dobř

    Towards Enabling Critical mMTC: A Review of URLLC within mMTC

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    Kanavien yhdistämistekniikan suorituskyvyn arviointi edistyneissä LTE-järjestelmissä

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    Carrier Aggregation (CA) is an essential technology component in LTE-Advanced (LTE-A). CA is capable of combining up to five Long Term Evolution (LTE) carriers to be used for multicarrier transmission in both downlink and uplink. CA provides increased throughputs, additional capacity and possibilities for load balancing. This thesis presents the key features of CA. Furthermore, the results from CA performance measurements are analyzed and presented. The measurements were conducted in live network to evaluate the end-user experience. The objective was to determine whether CA is capable of delivering the performance that could be theoretically expected. The performance was measured in LTE-A radio network using 2x20 MHz bandwidth with 2x2 MIMO configuration and Category 6 User Equipment (UE). Only downlink CA was measured, since uplink CA capable UEs were not commercially available. The performance was evaluated with stationary and mobility measurements. The results indicate that CA is capable of providing the expected performance gain. In good radio conditions the maximum downlink throughput is close to the 300 Mbit/s. Furthermore, CA performs well in poor radio conditions. The performance gain can be more than 100 %, if the additional carrier is on an unused band. In CA, a secondary component carrier is configured for the UE, in addition to the primary carrier. The operation is performed in connected state either after connection setup or radio handover. The delay in secondary carrier addition was measured to evaluate the impact on user experience. The results indicate that the secondary carrier addition after connection setup or handover is sufficiently fast, and do not have an impact to the user experience.Kanavien yhdistäminen (engl. Carrier Aggregation) on oleellinen tekniikka edistyneessä Long Term Evolution järjestelmässä. Sen avulla on mahdollista yhdistää enintään viisi LTE taajuutta käytettäväksi monikanavaiseen ala- ja ylälinkin lähetykseen. CA mahdollistaa aiempaa suuremmat siirtonopeudet, lisää verkon kapasiteettia sekä antaa mahdollisuuden kuormanjakoon eri taajuuksien välillä. Tässä työssä esitellään CA:n keskeiset ominaisuudet. Lisäksi CA:n suorituskykymittauksien tulokset on analysoitu ja esitelty. Mittaukset toteutettiin operaattorin tuotantoverkossa, jotta loppukäyttäjän saamaa kokemusta on mahdollista arvioida. Tavoitteena oli selvittää, pystyykö CA tarjoamaan sellaista suorituskykyä, jota voidaan teorian perusteella odottaa. Suorituskykyä mitattiin LTE-radioverkossa käyttäen 2x20 MHz kaistanleveyttä ja 2x2 MIMO:n kokoonpanoa sekä kategorian 6 päätelaitetta. Mittaukset suoritettiin vain alalinkissä, sillä ylälinkin CA-kykyisiä päätelaitteita ei ollut kaupallisesti saatavilla. Suorituskykyä on arvioitu sekä piste- että mobiliteettimittauksilla. Tulokset osoittavat, että CA pystyy tarjoamaan oletetun suorituskyvyn parannuksen. Hyvissä radio olosuhteissa maksimi datanopeus alalinkissä on lähes 300 Mbit/s. Lisäksi CA toimii hyvin myös huonoissa radio-olosuhteissa. Suorituskyvyn parannus voi olla enemmän kuin 100 %, jos lisätty toinen kanava on vähemmän käytetyllä taajuuskaistalla. CA:ssa toissijainen kanava konfiguroidaan päätelaitteelle ensisijaisen lisäksi. Operaatio suoritetaan yhteystilassa joko yhteyden muodostamisen tai solunvaihdon jälkeen. Toissijaisen kanavan lisäämisen aiheuttama viive mitattiin, jotta sen vaikutus käyttökokemukseen voitiin arvioida. Tulokset osoittavat, että toissijaisen kanavan lisääminen yhteyden muodostamisen tai solunvaihdon jälkeen on riittävän nopea operaatio, eikä sillä ole vaikutusta käyttökokemukseen

    D2.2 Draft Overall 5G RAN Design

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    This deliverable provides the consolidated preliminary view of the METIS-II partners on the 5 th generation (5G) radio access network (RAN) design at a mid-point of the project. The overall 5G RAN is envisaged to operate over a wide range of spectrum bands comprising of heterogeneous spectrum usage scenarios. More precisely, the 5G air interface (AI) is expected to be composed of multiple so-called AI variants (AIVs), which include evolved legacy technology such as Long Term Evolution Advanced (LTE-A) as well as novel AIVs, which may be tailored to particular services or frequency bands.Arnold, P.; Bayer, N.; Belschner, J.; Rosowski, T.; Zimmermann, G.; Ericson, M.; Da Silva, IL.... (2016). D2.2 Draft Overall 5G RAN Design. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.17831.1424

    Platform for quality of experience evaluation in real time applications over LTE networks

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    Dissertação apresentado à Escola Superior de Tecnologia do Instituto Politécnico de Castelo Branco para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Desenvolvimento de Software e Sistemas InterativosAtualmente existem vário simuladores para várias tecnologias de redes sem fios (LTE, UMTS, Wi-Fi ...). Quase todos eles simulam valores para diferentes utilizadores como por exemplo de taxas de transferência (Mbit/s), a potência recebida, a SNR, entre outros valores, dependendo do tipo de simulação. A maioria dos resultados apresentados pelos simuladores correspondem apenas a números, como valores de taxa de transferência ou BER. Então, é difícil entender o impacto desses valores numa comunicação real. Pretende-se com este projeto dar a utilizador por exemplo 2 Mbits/s de taxa de transferência (uplink/downlink), um valor BER de 1x10−6 ou uma potência recebida em torno 1NW obtidos num cenário de simulação e em tempo real e para um cenário real o utilizador experienciar as condições de comunicação e interatividade com as mesmas aplicações utilizadas na realidade. O desenvolvimento da plataforma proposta neste projeto tem como objetivo verificar e avaliar em tempo real a QoS e a QoE obtida para um utilizador simulado naquele momento e para o cenário simulado. Isso permite que os utilizadores experienciem a interatividade com aplicações para diferentes cenários de simulação. Esta plataforma tem como objetivo converter os valores numéricos obtidos apenas por ferramentas de simulação, para uma experiência em tempo real para um determinado cenário simulado. Inicialmente, a rede pretendida a simular é LTE, mas outros protocolos e tipos de rede poderão ser utilizados e testados nesta plataforma, desde que sejam baseados no protocolo IP, tal como o LTE.Abstract: There are many simulators for various wireless technologies (LTE, UMTS, WI-FI …). Almost all of them have different values for users as bitrate, received power, SNR, among other values depending on the simulation type. Most of the simulators results are just numbers like bitrate or BER values. So is difficult to understand the impact of those values in a real communication. It is intended with this project to give a user for instance 2Mbits/s bitrate, a BER value of 1x10−6 or a received power around 1NW in a simulation scenario and he could in real time and real scenario experience the communication conditions and interactivity with applications. The development of the platform proposed in this project aims to verify in real time the QoS and QoE which simulated user experiences in that moment on the simulated scenario. This allows users to experience the interactivity with applications for different simulation scenarios. This platform aims to convert the values merely numerical, obtained by simulation tools, to a real-time experience for the scenario simulated. Initially the target network is LTE, but other network protocols will be allowed to use ant test, since that they are IP based protocols like LTE
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