Mobility: a double-edged sword for HSPA networks

This paper presents an empirical study on the performance of mobile High Speed Packet Access (HSPA, a 3.5G cellular standard) networks in Hong Kong via extensive field tests. Our study, from the viewpoint of end users, covers virtually all possible mobile scenarios in urban areas, including subways, trains, off-shore ferries and city buses. We have confirmed that mobility has largely negative impacts on the performance of HSPA networks, as fast-changing wireless environment causes serious service deterioration or even interruption. Meanwhile our field experiment results have shown unexpected new findings and thereby exposed new features of the mobile HSPA networks, which contradict commonly held views. We surprisingly find out that mobility can improve fairness of bandwidth sharing among users and traffic flows. Also the triggering and final results of handoffs in mobile HSPA networks are unpredictable and often inappropriate, thus calling for fast reacting fallover mechanisms. We have conducted in-depth research to furnish detailed analysis and explanations to what we have observed. We conclude that mobility is a double-edged sword for HSPA networks. To the best of our knowledge, this is the first public report on a large scale empirical study on the performance of commercial mobile HSPA networks

Indoor Radio Measurement and Planning for UMTS/HSPDA with Antennas

Over the last decade, mobile communication networks have evolved tremendously with a key focus on providing high speed data services in addition to voice. The third generation of mobile networks in the form of Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) is already offering revolutionary mobile broadband experience to its users by deploying High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) as its packet-data technology. With data speeds up to 14.4 Mbps and ubiquitous mobility, HSDPA is anticipated to become a preferred broadband access medium for end-users via mobile phones, laptops etc. While majority of these end-users are located indoors most of the time, approximately 70-80% of the HSDPA traffic is estimated to originate from inside buildings. Thus for network operators, indoor coverage has become a necessity for technical and business reasons. Macro-cellular (outdoor) to indoor coverage is a natural inexpensive way of providing network coverage inside the buildings. However, it does not guarantee sufficient link quality required for optimal HSDPA operation. On the contrary, deploying a dedicated indoor system may be far too expensive from an operator\u27s point of view. In this thesis, the concept is laid for the understanding of indoor radio wave propagation in a campus building environment which could be used to plan and improve outdoor-to-indoor UMTS/HSDPA radio propagation performance. It will be shown that indoor range performance depends not only on the transmit power of an indoor antenna, but also on the product\u27s response to multipath and obstructions in the environment along the radio propagation path. An extensive measurement campaign will be executed in different indoor environments analogous to easy, medium and hard radio conditions. The effects of walls, ceilings, doors and other obstacles on measurement results would be observed. Chapter one gives a brief introduction to the evolution of UMTS and HSDPA. It goes on to talk about radio wave propagation and some important properties of antennas which must be considered when choosing an antenna for indoor radio propagation. The challenges of in-building network coverage and also the objectives of this thesis are also mentioned in this chapter. The evolution and standardization, network architecture, radio features and most importantly, the radio resource management features of UMTS/HSDPA are given in chapter two. In this chapter, the reason why Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) was specified and selected for 3G (UMTS) systems would be seen. The architecture of the radio access network, interfaces with the radio access network between base stations and radio network controllers (RNC), and the interface between the radio access network and the core network are also described in this chapter. The main features of HSDPA are mentioned at the end of the chapter. In chapter three the principles of the WCDMA air interface, including spreading, Rake reception, signal fading, power control and handovers are introduced. The different types and characteristics of the propagation environments and how they influence radio wave propagation are mentioned. UMTS transport, logical and physical channels are also mentioned, highlighting their significance and relationship in and with the network. Radio network planning for UMTS is discussed in chapter four. The outdoor planning process which includes dimensioning, detailed planning, optimization and monitoring is outlined. Indoor radio planning with distributed antenna systems (DAS), which is the idea and motivation behind this thesis work, is also discussed. The various antennas considered and the antenna that was selected for this thesis experiment was discussed in chapter five. The antenna radiation pattern, directivity, gain and input impedance were the properties of the antenna that were taken into consideration. The importance of the choice of the antenna for any particular type of indoor environment is also mentioned. In chapter six, the design and fabrication of the monopole antennas used for the experimental measurement is mentioned. The procedure for measurement and the equipment used are also discussed. The results gotten from the experiment are finally analyzed and discussed. In this chapter the effect of walls, floors, doors, ceilings and other obstacles on radio wave propagation will be seen. Finally, chapter seven concludes this thesis work and gives some directions for future work

Quality of service optimization of multimedia traffic in mobile networks

Mobile communication systems have continued to evolve beyond the currently deployed Third Generation (3G) systems with the main goal of providing higher capacity. Systems beyond 3G are expected to cater for a wide variety of services such as speech, data, image transmission, video, as well as multimedia services consisting of a combination of these. With the air interface being the bottleneck in mobile networks, recent enhancing technologies such as the High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), incorporate major changes to the radio access segment of 3G Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). HSDPA introduces new features such as fast link adaptation mechanisms, fast packet scheduling, and physical layer retransmissions in the base stations, necessitating buffering of data at the air interface which presents a bottleneck to end-to-end communication. Hence, in order to provide end-to-end Quality of Service (QoS) guarantees to multimedia services in wireless networks such as HSDPA, efficient buffer management schemes are required at the air interface. The main objective of this thesis is to propose and evaluate solutions that will address the QoS optimization of multimedia traffic at the radio link interface of HSDPA systems. In the thesis, a novel queuing system known as the Time-Space Priority (TSP) scheme is proposed for multimedia traffic QoS control. TSP provides customized preferential treatment to the constituent flows in the multimedia traffic to suit their diverse QoS requirements. With TSP queuing, the real-time component of the multimedia traffic, being delay sensitive and loss tolerant, is given transmission priority; while the non-real-time component, being loss sensitive and delay tolerant, enjoys space priority. Hence, based on the TSP queuing paradigm, new buffer managementalgorithms are designed for joint QoS control of the diverse components in a multimedia session of the same HSDPA user. In the thesis, a TSP based buffer management algorithm known as the Enhanced Time Space Priority (E-TSP) is proposed for HSDPA. E-TSP incorporates flow control mechanisms to mitigate congestion in the air interface buffer of a user with multimedia session comprising real-time and non-real-time flows. Thus, E-TSP is designed to provide efficient network and radio resource utilization to improve end-to-end multimedia traffic performance. In order to allow real-time optimization of the QoS control between the real-time and non-real-time flows of the HSDPA multimedia session, another TSP based buffer management algorithm known as the Dynamic Time Space Priority (D-TSP) is proposed. D-TSP incorporates dynamic priority switching between the real-time and non-real-time flows. D-TSP is designed to allow optimum QoS trade-off between the flows whilst still guaranteeing the stringent real-time component’s QoS requirements. The thesis presents results of extensive performance studies undertaken via analytical modelling and dynamic network-level HSDPA simulations demonstrating the effectiveness of the proposed TSP queuing system and the TSP based buffer management schemes

Performance study of video streaming in commercial UMTS network

This paper studies the performance of a real-time application in a live Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) network. In the study, special user equipment (UE) capable of collecting performance parameters such as throughput and bit error rate (BER) was used. Two scenarios are considered in this paper: typical scenario when soft handover (SHO) is enabled and an extreme scenario when a situation of cell edge is created by forcing the terminal to strictly connect to one cell. The experiment results show various aspects of practical implementations and protocols which are currently used in live UMTS network. In the typical scenario, when a code with a large spreading factor (SF) is in use, the required signal-to-noise ratio target (SIRT) is low. In the cell edge case, a code with high SF of 32 is used in a poor radio condition. There results are consistent with the relevant theory. © 2008 IEEE

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

A study of mobile VoIP performance in wireless broadband networks

Voice service is to date still the killer mobile service and the main source for operator revenue for years to come. Additionally, voice service will evolve from circuit switched technologies towards packet based Voice over IP (VoIP). However, using VoIP over wireless networks different from 3GPP cellular technologies makes it also a disruptive technology in the traditional telecommunication sector. The focus of this dissertation is on determining mobile VoIP performance in different wireless broadband systems with current state of the art networks, as well as the potential disruption to cellular operators when mobile VoIP is deployed over different access networks. The research method is based on an empirical model. The model and experiments are well documented and based on industry standards for voice quality evaluation. The evaluation provides results from both experiments in a controlled laboratory setup as well as from live scenarios. The research scope is first, evaluate each network technology independently; second, investigate vertical handover mobility cases; third, determine other aspects directly affecting end user experience (e.g., call setup delay and battery lifetime). The main contribution of this work is a systematic examination of mobile VoIP performance and end user experience. The research results point out the main challenges for achieving call toll quality, and how derive the required changes and technological performance roadmap for improved VoIP service. That is, investigate how the performance and usability of mobile VoIP can eventually be improved to be a suitable substitute for circuit switched voice. In addition, we evaluate the potential disruption to cellular operators that mobile VoIP brings when deployed over other access networks. This research extends the available knowledge from simulations and provides an insight into actual end user experience, as well as the challenges of using embedded clients in handheld devices. In addition, we find several issues that are not visible or accounted for in simulations in regard to network parameters, required retransmissions and decreased battery lifetime. The conclusion is that although the network performance of several wireless networks is good enough for near toll quality voice in static scenarios, there are still a number of problems which make it currently unfeasible to use as a primary voice service. Moreover, under mobility scenarios performance is degraded. Finally, there are other issues apart from network performance such as energy consumption, hardware limitations and lack of supporting business models (e.g., for WiFi mesh) that further limit the possibility of rolling out mobile VoIP services