Overview of UMTS network evolution through radio and transmission feature validation

This project is based on several UMTS network feature validation with the aim to provide an end-to-end in-depth knowledge overview gained in parallel in the areas of radio network mobility processes (cell camping and inter-system handover), Quality of Service improvement for HSPA data users and transport network evolution towards the All-IP era.Hardware and software validation is a key step in the relationship between the mobile network operator and the vendor. Through this verification process, while executing that functionality or testing a specific hardware, the difference between the actual result and expected result can be better understood and, in turn, this in-depth knowledge acquisition is translated into a tailored usage of the product in the operator’s live network. As a result, validation helps in building a better product as per the customer’s requirement and helps satisfying their needs, which positively impacts in the future evolution of the vendor product roadmap implementation process for a specific customer. This project is based on several Universal Mobile Telecommunication Services (UMTS) network feature validation with the aim to provide an end-to-end in-depth knowledge overview gained in parallel in the areas of radio network mobility processes (cell camping and inter-system handover), Quality of Service improvement for High Speed Downlink Packet Access (HSPA) data users and transport network evolution towards the All-IP era.Las campañas de validación hardware y software son un paso clave en las relaciones comerciales establecidas entre un operador de telecomunicaciones y su proveedor de equipos de red. Durante los procesos de certificación, mientras se ejecuta una funcionalidad software o se valida un determinado hardware, se obtiene un conocimiento profundo de la diferencia entre el resultado obtenido y el esperado, repercutiendo directamente en un uso a medida de dicha funcionalidad o hardware en la propia red del cliente. Como consecuencia de lo anterior, podemos aseverar que los procesos de validación permiten en gran medida al proveedor adaptarse mejor a los requerimientos del cliente, ayudando a satisfacer realmente sus necesidades. Esto implica directamente un impacto positivo en la futura evolución del portfolio que el fabricante ofrece a un determinado cliente. Este proyecto está basado en la validación de diferentes funcionalidades de red UMTS, cuyo objetivo es proporcionar un conocimiento global de distintos aspectos que conforman el funcionamiento de una red de telecomunicaciones 3G, como son los procesos de movilidad de acceso radio (acampado de red y handover inter-sistema), las mejoras en la calidad de servicio para usuarios de datos HSPA y la convergencia de la red de transporte hacia la era IP.Els processos de validació hardware i software són un punt clau en les relacions comercials establertes entre un operador de telecomunicaciones i el proveïdor d'equipament de la xarxa. En el transcurs dels processos de certificació, a la mateixa vegada que s'executa una funcionalitat software o es valida un determinat hardware, s'obtenen grans coneixements respecte la diferència entre el resultat obtingut i l'esperat, que són d'aplicació directa a l'hora d'establir un ús adpatat a la xarxa del client. En conseqüència, podem asseverar que les campanyes de validació permeten en gran mesura al proveïdor adaptar-se millor als requeriments del client, ajudant a satisfer realment les seves necessitats. Això implica directament un impacte positiu en la futura evol.lució del portfoli que el fabricant ofereix a un determinat client. Aquest projecte es basa en la presentació d'un procès de validació de diferents funcionalitats relacionades amb la xarxa UMTS, amb l'objectiu de proporcionar un coneixement global de la varietat d'aspectes que conformen el funcionament d'una xarxa de telecomunicacions 3G, com són els processos de mobilitat en accès radio (acampat de l'usuari i handover inter-sistema), millores en la qualitat de servei per a usuaris de dades HSPA i la convergència de la xarxa de transport cap a l'era IP

Municipal support of wireless access network rollout: a game theoretic approach

A

Dimensioning mobile WiMAX in the access and core network : a case study

Existing broadband wireless technologies such as evolving 3G and WiFi have enjoyed widespread adoption but are far from offering the flexibility in deployment and high data rates. Mobile WiMAX, an emerging broadband wireless technology promises to bring a new experience to mobile broadband services by offering users high data rates and efficient network access techniques. This thesis work provides a technical description of mobile WiMAX and compares its technical capabilities with the existing technologies such as WiFi and 3G. The work continues further on dimensioning mobile WiMAX in the access and core network. In the access network, we determine the number of base stations required to cover a given metropolitan area, explore their configurations, and perform frequency selection. In the core network we dimension the interfaces, and nodes involved. From the study we will show that WiMAX provides the operator with the antenna configurations options of high capacities, large cell coverage area, and a wide selection of QoS classes. The study will also show that the data density requirements of customers, resulting from the capacity analysis are fulfilled by properly dimensioning the elements in the access and core network

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

Contribution to resource management in cellular access networks with limited backhaul capacity

La interfaz radio de los sistemas de comunicaciones móviles es normalmente considerada como la única limitación de capacidad en la red de acceso radio. Sin embargo, a medida que se van desplegando nuevas y más eficientes interfaces radio, y de que el tráfico de datos y multimedia va en aumento, existe la creciente preocupación de que la infraestructura de transporte (backhaul) de la red celular pueda convertirse en el cuello de botella en algunos escenarios. En este contexto, la tesis se centra en el desarrollo de técnicas de gestión de recursos que consideran de manera conjunta la gestión de recursos en la interfaz radio y el backhaul. Esto conduce a un nuevo paradigma donde los recursos del backhaul se consideran no sólo en la etapa de dimensionamiento, sino que además son incluidos en la problemática de gestión de recursos. Sobre esta base, el primer objetivo de la tesis consiste en evaluar los requerimientos de capacidad en las redes de acceso radio que usan IP como tecnología de transporte, de acuerdo a las recientes tendencias de la arquitectura de red. En particular, se analiza el impacto que tiene una solución de transporte basada en IP sobre la capacidad de transporte necesaria para satisfacer los requisitos de calidad de servicio en la red de acceso. La evaluación se realiza en el contexto de la red de acceso radio de UMTS, donde se proporciona una caracterización detallada de la interfaz Iub. El análisis de requerimientos de capacidad se lleva a cabo para dos diferentes escenarios: canales dedicados y canales de alta velocidad. Posteriormente, con el objetivo de aprovechar totalmente los recursos disponibles en el acceso radio y el backhaul, esta tesis propone un marco de gestión conjunta de recursos donde la idea principal consiste en incorporar las métricas de la red de transporte dentro del problema de gestión de recursos. A fin de evaluar los beneficios del marco de gestión de recursos propuesto, esta tesis se centra en la evaluación del problema de asignación de base, como estrategia para distribuir el tráfico entre las estaciones base en función de los niveles de carga tanto en la interfaz radio como en el backhaul. Este problema se analiza inicialmente considerando una red de acceso radio genérica, mediante la definición de un modelo analítico basado en cadenas de Markov. Dicho modelo permite calcular la ganancia de capacidad que puede alcanzar la estrategia de asignación de base propuesta. Posteriormente, el análisis de la estrategia propuesta se extiende considerando tecnologías específicas de acceso radio. En particular, en el contexto de redes WCDMA se desarrolla un algoritmo de asignación de base basado en simulatedannealing cuyo objetivo es maximizar una función de utilidad que refleja el grado de satisfacción de las asignaciones respecto los recursos radio y transporte. Finalmente, esta tesis aborda el diseño y evaluación de un algoritmo de asignación de base para los futuros sistemas de banda ancha basados en OFDMA. En este caso, el problema de asignación de base se modela como un problema de optimización mediante el uso de un marco de funciones de utilidad y funciones de coste de recursos. El problema planteado, que considera que existen restricciones de recursos tanto en la interfaz radio como en el backhaul, es mapeado a un problema de optimización conocido como Multiple-Choice Multidimensional Knapsack Problem (MMKP). Posteriormente, se desarrolla un algoritmo de asignación de base heurístico, el cual es evaluado y comparado con esquemas de asignación basados exclusivamente en criterios radio. El algoritmo concebido se basa en el uso de los multiplicadores de Lagrange y está diseñado para aprovechar de manera simultánea el balanceo de carga en la intefaz radio y el backhaul.Postprint (published version

Dimensioning of LTE Network.

Long Term Evolution (LTE) is 3GPP enhancement to the current cellular system in use. The purpose of developing this system is to keep 3GPP systems competent enough for decades to come. LTE is designed to have wider channels up to 20MHz, with low latency and packet optimized radio access technology. The peak data rate envisaged for LTE is 100 Mbps in downlink and 50 Mbps in the uplink. With OFDM as the radio access technology, LTE has very promising features, like bandwidth scalability and both FDD and TDD duplexing methods. This thesis is related to the dimensioning of LTE radio access networks and the development of tool for dimensioning purpose. Different steps of the dimensioning process are listed and explained. Methods and models for coverage and capacity planning are developed for dimensioning of LTE radio access networks. Special emphasis is laid on radio link budget along with detailed coverage and capacity. The results are fabricated in an easy-to-use tool for dimensioning. The tool is made in Excel to serve the ease of working. Particular importance is given to clarity in the design of dimensioning tool, achieved by dividing the tool into clearly defined sections. Inputs and outputs are placed on separate sheets. The dimensioning tool calculates the number of cells needed to cover a given area with the user-provided parameters. Excel based tool covers all the basic aspects of the dimensioning process for LTE Access Networks

Future Mobile Communications: LTE Optimization and Mobile Network Virtualization

Providing QoS while optimizing the LTE network in a cost efficient manner is very challenging. Thus, radio scheduling is one of the most important functions in mobile broadband networks. The design of a mobile network radio scheduler holds several objectives that need to be satisfied, for example: the scheduler needs to maximize the radio performance by efficiently distributing the limited radio resources, since the operator's revenue depends on it. In addition, the scheduler has to guarantee the user's demands in terms of their Quality of Service (QoS). Thus, the design of an effective scheduler is rather a complex task. In this thesis, the author proposes the design of a radio scheduler that is optimized towards QoS guarantees and system performance optimization. The proposed scheduler is called Optimized Service Aware Scheduler (OSA). The OSA scheduler is tested and analyzed in several scenarios, and is compared against other well-known schedulers. A novel wireless network virtualization framework is also proposed in this thesis. The framework targets the concepts of wireless virtualization applied within the 3GPP Long Term Evolution (LTE) system. LTE represents one of the new mobile communication systems that is just entering the market. Therefore, LTE was chosen as a case study to demonstrate the proposed wireless virtualization framework. The framework is implemented in the LTE network simulator and analyzed, highlighting the many advantages and potential gain that the virtualization process can achieve. Two potential gain scenarios that can result from using network virtualization in LTE systems are analyzed: Multiplexing gain coming from spectrum sharing, and multi-user diversity gain. Several LTE radio analytical models, based on Continuous Time Markov Chains (CTMC) are designed and developed in this thesis. These models target the modeling of three different time domain radio schedulers: Maximum Throughput (MaxT), Blind Equal Throughput (BET), and Optimized Service Aware Scheduler (OSA). The models are used to obtain faster results (i.e., in a very short time period in the order of seconds to minutes), compared to the simulation results that can take considerably longer periods, such as hours or sometimes even days. The model results are also compared against the simulation results, and it is shown that it provides a good match. Thus, it can be used for fast radio dimensioning purposes. Overall, the concepts, investigations, and the analytical models presented in this thesis can help mobile network operators to optimize their radio network and provide the necessary means to support services QoS differentiations and guarantees. In addition, the network virtualization concepts provides an excellent tool that can enable the operators to share their resources and reduce their cost, as well as provides good chances for smaller operators to enter the market

Dimensioning and optimizing mobile networks with performance management system

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia suorituskyvyn hallintajärjestelmän käyttöä mobiiliverkkojen mitoituksen ja optimoinnin apuna. Työssä käydään suurpiirteisesti läpi tärkeimmät radioteknologiat ja niiden vaatimukset, sekä erilaiset palvelut, joita ne mahdollistavat. Käsiteltäviä radioteknologioita ovat GSM, GRPS, EDGE, UMTS, HSPA ja pintaa raapaistaan myös seuraavan sukupolven radioteknologioiden ympäriltä. Lisäksi käydään läpi tärkeimmät liityntäverkon siirtoteknologit, eli TDM, ATM, Ethernet, IP ja MPLS, ja selvitetään, miten niissä voidaan välittää palvelunlaatua sekä mitä käyttö- ja kunnossapitomenetelmiä ne mahdollistavat. Itse suorituskyvyn hallinta liittyy olennaisena osana verkonhallintaprosessiin virheen hallinnan sekä muiden OAM-menetelmien ohella. Suorituskykykyselyiden tuloksena voidaan laskea erilaisia suorituskykyindikaattoreita, joita voidaan käyttää erilaisiin verkonhallinnan tarpeisiin. Työssä tutkitaan erityisesti, millaisia suorituskykymittauksia liityntäverkoissa kannattaisi tehdä ja etenkin missä verkon osissa niistä voisi olla hyötyä. Työssä käydään läpi myös erilaisten suorituskyvyn hallintajärjestelmien integraatiota, jota monitasoisissa usean valmistajan verkoissa usein saatetaan tarvita. Itse mitoitus- ja optimointiprosessin yhteydessä selvitetään nimenomaan suorituskyvyn hallintajärjestelmän käyttöä liityntäverkoissa. Samalla selvitetään, mitkä mitoitus- ja optimointiratkaisut saattaisivat sopia liityntäverkkoihin. Valitettavasti työssä esitetään erilaisia mitoitus- ja optimointimenetelmiä varsin suppeasti. Tähän on suurimpana syynä se, ettei operaattorien keskuudessa olla menetelmiä juurikaan käytetty. Näihin päiviin asti operaattoreille on riittänyt pelkästään kapasiteetin lisääminen, mutta uusien ja nopeampien radioteknologioiden myötä se ei tule enää riittämään. Toivottavasti tulevaisuudessa tulemmekin näkemään pitkälle kehittyneitä mitoitus- ja optimointiratkaisuja pitkälle kehittyneiden verkon- ja suorituskyvynhallintajärjestelmien ohella.The purpose of this master's thesis was to investigate the dimensioning and optimizing of the mobile networks with a performance management system. The thesis discusses at the general level the most important radio technologies, their requirements and different services they provide. The radio technologies studied are GSM, GPRS, EDGE, UTMS, HSPA, and the next generation technologies. Additionally, the most important access transport technologies have been discussed; including TDM, ATM, Ethernet, IP and MPLS, and their abilities to deliver quality of service and what operation and maintenance methods they provide. Performance management system is a major component in the network management process, along with fault management and other OAM methods. Various performance indicators can be calculated from the performance queries, and they can be used for the needs of network management. The thesis examines in particular, what kind of performance measurements should be done in the access networks, focusing on what network segments receive the most benefit from it. Also, the thesis studies the implementation of different performance management systems integration, as it is often needed in multi vendor hierarchical networks. The use of performance management systems in access networks is sorted with the dimensioning and optimizing process to discover, what kind of dimensioning and optimizing solutions would fit in the access networks. Unfortunately, there are relatively few solutions in the thesis, because operators have not yet implemented any such methods. To this date, simply adding more capacity has been enough for operators. However, combined with new and faster radio technologies it will no longer be sufficient anymore. Hopefully, in the future we will see highly sophisticated dimensioning and optimizing solutions built into performance management systems