Applications of Soft Computing in Mobile and Wireless Communications

Soft computing is a synergistic combination of artificial intelligence methodologies to model and solve real world problems that are either impossible or too difficult to model mathematically. Furthermore, the use of conventional modeling techniques demands rigor, precision and certainty, which carry computational cost. On the other hand, soft computing utilizes computation, reasoning and inference to reduce computational cost by exploiting tolerance for imprecision, uncertainty, partial truth and approximation. In addition to computational cost savings, soft computing is an excellent platform for autonomic computing, owing to its roots in artificial intelligence. Wireless communication networks are associated with much uncertainty and imprecision due to a number of stochastic processes such as escalating number of access points, constantly changing propagation channels, sudden variations in network load and random mobility of users. This reality has fuelled numerous applications of soft computing techniques in mobile and wireless communications. This paper reviews various applications of the core soft computing methodologies in mobile and wireless communications

Self-optimizing load balancing with backhaul-constrained radio access networks

Self-Organizing Network (SON) technology aims at autonomously deploying, optimizing and repairing the Radio Access Networks (RAN). SON algorithms typically use Key Performance Indicators (KPIs) from the RAN. It is shown that in certain cases, it is essential to take into account the impact of the backhaul state in the design of the SON algorithm. We revisit the Base Station (BS) load definition taking into account the backhaul state. We provide an analytical formula for the load along with a simple estimator for both elastic and guaranteed bit-rate (GBR) traffic. We incorporate the proposed load estimator in a self-optimized load balancing algorithm. Simulation results for a backhaul constrained heterogeneous network illustrate how the correct load definition can guarantee a proper operation of the SON algorithm.Comment: Wireless Communications Letters, IEEE, 201

Final report on the evaluation of RRM/CRRM algorithms

Deliverable public del projecte EVERESTThis deliverable provides a definition and a complete evaluation of the RRM/CRRM algorithms selected in D11 and D15, and evolved and refined on an iterative process. The evaluation will be carried out by means of simulations using the simulators provided at D07, and D14.Preprin

Controlled Matching Game for Resource Allocation and User Association in WLANs

In multi-rate IEEE 802.11 WLANs, the traditional user association based on the strongest received signal and the well known anomaly of the MAC protocol can lead to overloaded Access Points (APs), and poor or heterogeneous performance. Our goal is to propose an alternative game-theoretic approach for association. We model the joint resource allocation and user association as a matching game with complementarities and peer effects consisting of selfish players solely interested in their individual throughputs. Using recent game-theoretic results we first show that various resource sharing protocols actually fall in the scope of the set of stability-inducing resource allocation schemes. The game makes an extensive use of the Nash bargaining and some of its related properties that allow to control the incentives of the players. We show that the proposed mechanism can greatly improve the efficiency of 802.11 with heterogeneous nodes and reduce the negative impact of peer effects such as its MAC anomaly. The mechanism can be implemented as a virtual connectivity management layer to achieve efficient APs-user associations without modification of the MAC layer

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica