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    Radio resource allocation algorithms for multicast OFDM systems

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    Mención Internacional en el título de doctorVideo services have become highly demanded in mobile networks leading to an unprecedented traffic growth. It is expected that traffic from wireless and mobile devices will account for nearly 70 percent of total IP traffic by the year 2020, and the video services will account for nearly 75 percent of mobile data traffic by 2022. Multicast transmission is one of the key enablers towards a more spectral and energy efficient distribution of multimedia content in current and envisaged mobile networks. It is worth noting that multicast is a mechanism that efficiently delivers the same content to many users, not only focusing on video broadcasting, but also distributing many other media, such as software updates, weather forecast or breaking news. Although multicast services are available in Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) networks, new improvements are needed in some areas to handle the demands expected in the near future. Resource allocation techniques for multicast services are one of the main challenging issues, since it is required the development of novel schemes to meet the demands of their evolution towards the next generation. Most multicast techniques adopt rather conservative strategies that select a very robust modulation and coding scheme (MCS), whose characteristics are determined by the propagation conditions experienced by the worst user in the group in order to ensure that all users in a multicast group are able to correctly decode the received data. Obviously, this robustness comes at the prize of a low spectral efficiency. This thesis presents an exhaustive study of broadcast/multicast technology for current mobile networks, especially focusing on the scheduling and resource allocation (SRA) strategies to maximize the potential benefits that multicast transmissions imply on the spectral efficiency. Based on that issue, some contributions have been made to the state of the art in the radio resource management (RRM) for current and beyond mobile multicast services. • In the frame of LTE/LTE-A, the evolved multimedia broadcast and multicast service (eMBMS) shares the physical layer resources with the unicast transmission mode (at least up to Release 12). Consequently, the time allocation to multicast transmission is limited to a maximum of a 60 percent, and the remaining subframes (at least 40 percent) are reserved for unicast transmissions. With the aim of achieving the maximum aggregated data rate (ADR) among the multicast users, we have implemented several innovative SRA schemes that combine the allocation of multicast and unicast resources in the LTE/LTE-A frame, guaranteeing the prescribed quality of service (QoS) requirements for every user. • In the specific context of wideband communication systems, the selection of the multicast MCS has often relied on the use of wideband channel quality indicators (CQIs), providing rather imprecise information regarding the potential capacity of the multicast channel. Only recently has the per-subband CQI been used to improve the spectral efficiency of the system without compromising the link robustness. We have proposed novel subband CQI-based multicast SRA strategies that, relying on the selection of more spectrally efficient transmission modes, lead to increased data rates while still being able to fulfill prescribed QoS metrics. • Mobile broadcast/multicast video services require effective and low complexity SRA strategies. We have proposed an SRA strategy based on multicast subgrouping and the scalable video coding (SVC) technique for multicast video delivery. This scheme focuses on reducing the search space of solutions and optimizes the ADR. The results in terms of ADR, spectral efficiency, and fairness among multicast users, along with the low complexity of the algorithm, show that this new scheme is adequate for real systems. These contributions are intended to serve as a reference that motivate ongoing and future investigation in the challenging field of RRM for broadcast/ multicast services in next generation mobile networks.La demanda de servicios de vídeo en las redes móviles ha sufrido un incremento exponencial en los últimos años, lo que a su vez ha desembocado en un aumento sin precedentes del tráfico de datos. Se espera que antes del año 2020, el trafico debido a dispositivos móviles alcance cerca del 70 por ciento del tráfico IP total, mientras que se prevé que los servicios de vídeo sean prácticamente el 75 por ciento del tráfico de datos en las redes móviles hacia el 2022. Las transmisiones multicast son una de las tecnologías clave para conseguir una distribución más eficiente, tanto espectral como energéticamente, del contenido multimedia en las redes móviles actuales y futuras. Merece la pena reseñar que el multicast es un mecanismo de entrega del mismo contenido a muchos usuarios, que no se enfoca exclusivamente en la distribución de vídeo, sino que también permite la distribución de otros muchos contenidos, como actualizaciones software, información meteorológica o noticias de última hora. A pesar de que los servicios multicast ya se encuentran disponibles en las redes Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A), la mejora en algunos ámbitos resulta necesaria para manejar las demandas que se prevén a corto plazo. Las técnicas de asignación de recursos para los servicios multicast suponen uno de los mayores desafíos, ya que es necesario el desarrollo de nuevos esquemas que nos permitan acometer las exigencias que supone su evolución hacia la próxima generación. La mayor parte de las técnicas multicast adoptan estrategias conservadoras, seleccionando esquemas de modulación y codificación (MCS) impuestos por las condiciones de propagación que experimenta el usuario del grupo con peor canal, para así asegurar que todos los usuarios pertenecientes al grupo multicast sean capaces de decodificar correctamente los datos recibidos. Como resulta obvio, la utilización de esquemas tan robustos conlleva el precio de sufrir una baja eficiencia espectral. Esta tesis presenta un exhaustivo estudio de la tecnología broadcast/ multicast para las redes móviles actuales, que se centra especialmente en las estrategias de asignación de recursos (SRA), cuyo objetivo es maximizar los beneficios que la utilización de transmisiones multicast potencialmente implica en términos de eficiencia espectral. A partir de dicho estudio, hemos realizado varias contribuciones al estado del arte en el ámbito de la gestión de recursos radio (RRM) para los servicios multicast, aplicables en las redes móviles actuales y futuras. • En el marco de LTE/LTE-A, el eMBMS comparte los recursos de la capa física con las transmisiones unicast (al menos hasta la revisión 12). Por lo tanto, la disponibilidad temporal de las transmisiones multicast está limitada a un máximo del 60 por ciento, reservándose las subtramas restantes (al menos el 40 por ciento) para las transmisiones unicast. Con el objetivo de alcanzar la máxima tasa total de datos (ADR) entre los usuarios multicast, hemos implementado varios esquemas innovadores de SRA que combinan la asignación de los recursos multicast y unicast de la trama LTE/LTE-A, garantizando los requisitos de QoS a cada usuario. • En los sistemas de comunicaciones de banda ancha, la selección del MCS para transmisiones multicast se basa habitualmente en la utilización de CQIs de banda ancha, lo que proporciona información bastante imprecisa acerca de la capacidad potencial del canal multicast. Recientemente se ha empezado a utilizar el CQI por subbanda para mejorar la eficiencia espectral del sistema sin comprometer la robustez de los enlaces. Hemos propuesto nuevas estrategias para SRA multicast basadas en el CQI por subbanda que, basándose en la selección de los modos de transmisión con mayor eficiencia espectral, conducen a mejores tasas de datos, a la vez que permiten cumplir los requisitos de QoS. • Los servicios móviles de vídeo broadcast/multicast precisan estrategias eficientes de SRA con baja complejidad. Hemos propuesto una estrategia de SRA basada en subgrupos multicast y la técnica de codificación de vídeo escalable (SVC) para la difusión de vídeo multicast, la cual se centra en reducir el espacio de búsqueda de soluciones y optimizar el ADR. Los resultados obtenidos en términos de ADR, eficiencia espectral y equidad entre los usuarios multicast, junto con la baja complejidad del algoritmo, ponen de manifiesto que el esquema propuesto es adecuado para su implantación en sistemas reales. Estas contribuciones pretenden servir de referencia que motive la investigación actual y futura en el interesante ámbito de RRM para los servicios broadcast/multicast en las redes móviles de próxima generación.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Atilio Manuel Da Silva Gameiro.- Secretario: Víctor Pedro Gil Jiménez.- Vocal: María de Diego Antó

    Device-to-device communications for 5G Radio Access Networks

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    Nowadays it is very popular to share video clips and images to one’s social network in the proximity. Direct device-to-device (D2D) communication is one of the means to respond to this requirement. D2D offers users improved end-to-end latency times, and additionally can provide higher data rates. At the same time the overall cellular network congestion decreases. D2D is also known as Proximity Services (ProSe). LTE is missing direct D2D communication. Currently D2D for 5G is standardised in the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Releases 12, and in parallel Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society (METIS) project has D2D as one of its research topics. Multiple articles have been published about D2D communication. This thesis is a literature based thesis following D2D communication in 5G literature. The scope is to describe similarities and differences found in Technical Reports and Technical Specifications of the 3GPP Release 12, in deliverables written in METIS project and in some selected D2D related publications about D2D communications. 3GPP Release 12 concentrates on ProSe at least for public safety. ProSe communication out-of-coverage is only for public safety purposes. METIS provides multiple solutions for diverse D2D topics, for example, device discovery, radio resource management, mobility management and relaying. METIS provides solutions for D2D communication not yet mature enough for development and implementation but which might be realized in the future.Nykyisin on suosittua lähettää lyhyitä videoita tai kuvia läheisyydessä oleville ystäville. Laitteiden välinen suora kommunikointi eli D2D-viestintä tuo ratkaisun tähän vaatimukseen. D2D-viestinnän ansiosta viive lyhenee ja lisäksi siirtonopeudet kasvavat. Samaan aikaan koko verkon kuormitus vähenee. Suora kahden laitteen välinen kommunikointi puuttuu LTE:stä. Tällä hetkellä 3GPP Release 12 standardisoi suoraa kahden laitteen välistä kommunikointia. Samanaikaisesti Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society (METIS) –projektin yhtenä tutkimuskohteenaan on kahden laitteen välinen suora kommunikointi, Lisäksi on lukuisia julkaisuja liittyen D2D-viestintään. Tämä diplomityö perustuu kirjallisuuteen. Sen tavoitteena on selvittää, miten kahden laitteen välistä suoraa kommunikointia on kuvattu 3GPP Release 12:ta teknisissä spesifikaatioissa, METIS-projektin julkaisuissa sekä muutamassa valitussa tieteellisessä julkaisussa. Tavoitteena on selvittää D2D-viestinnän yhtäläisyyksiä sekä poikkeamia. 3PGG Release 12 standardointi keskittyy D2D-viestinnän käyttöön ainakin julkisessa pelastustyössä. D2D-viestinnän tulee ainakin julkisessa pelastustyössä toimia myös siellä missä matkapuhelinverkko ei toimi tai sitä ei ole olemassa. METIS tarjoaa useita ratkaisuja D2D-viestinnän eri osa-alueille, esimerkiksi laitteiden tunnistamiseen, resurssien hallintaan, liikkuvuuden hallintaa ja viestien edelleen lähettämiseen. METIS-projekti on tuottanut D2D-viestinnän ratkaisuja, joiden toteuttaminen on järkevää ja mahdollista vasta tulevaisuudessa

    Spectrum Sharing, Latency, and Security in 5G Networks with Application to IoT and Smart Grid

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    The surge of mobile devices, such as smartphones, and tables, demands additional capacity. On the other hand, Internet-of-Things (IoT) and smart grid, which connects numerous sensors, devices, and machines require ubiquitous connectivity and data security. Additionally, some use cases, such as automated manufacturing process, automated transportation, and smart grid, require latency as low as 1 ms, and reliability as high as 99.99\%. To enhance throughput and support massive connectivity, sharing of the unlicensed spectrum (3.5 GHz, 5GHz, and mmWave) is a potential solution. On the other hand, to address the latency, drastic changes in the network architecture is required. The fifth generation (5G) cellular networks will embrace the spectrum sharing and network architecture modifications to address the throughput enhancement, massive connectivity, and low latency. To utilize the unlicensed spectrum, we propose a fixed duty cycle based coexistence of LTE and WiFi, in which the duty cycle of LTE transmission can be adjusted based on the amount of data. In the second approach, a multi-arm bandit learning based coexistence of LTE and WiFi has been developed. The duty cycle of transmission and downlink power are adapted through the exploration and exploitation. This approach improves the aggregated capacity by 33\%, along with cell edge and energy efficiency enhancement. We also investigate the performance of LTE and ZigBee coexistence using smart grid as a scenario. In case of low latency, we summarize the existing works into three domains in the context of 5G networks: core, radio and caching networks. Along with this, fundamental constraints for achieving low latency are identified followed by a general overview of exemplary 5G networks. Besides that, a loop-free, low latency and local-decision based routing protocol is derived in the context of smart grid. This approach ensures low latency and reliable data communication for stationary devices. To address data security in wireless communication, we introduce a geo-location based data encryption, along with node authentication by k-nearest neighbor algorithm. In the second approach, node authentication by the support vector machine, along with public-private key management, is proposed. Both approaches ensure data security without increasing the packet overhead compared to the existing approaches

    Radio resource management for V2X in cellular systems

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    The thesis focuses on the provision of cellular vehicle-to-everything (V2X) communications, which have attracted great interest for 5G due to the potential of improving traffic safety and enabling new services related to intelligent transportation systems. These types of services have strict requirements on reliability, access availability, and end-to-end (E2E) latency. V2X requires advanced network management techniques that must be developed based on the characteristics of the networks and traffic requirements. The integration of the Sidelink (SL), which enables the direct communication between vehicles (i.e., vehicle-to-vehicle (V2V)) without passing through the base station into cellular networks is a promising solution for enhancing the performance of V2X in cellular systems. In this thesis, we addressed some of the challenges arising from the integration of V2V communication in cellular systems and validated the potential of this technology by providing appropriate resource management solutions. Our main contributions have been in the context of radio access network slicing, mode selection, and radio resource allocation mechanisms. With regard to the first research direction that focuses on the RAN slicing management, a novel strategy based on offline Q-learning and softmax decision-making has been proposed as an enhanced solution to determine the adequate split of resources between a slice for eMBB communications and a slice for V2X. Then, starting from the outcome of the off-line Q-learning algorithm, a low-complexity heuristic strategy has been proposed to achieve further improvements in the use of resources. The proposed solution has been compared against proportional and fixed reference schemes. The extensive performance assessment have revealed the ability of the proposed algorithms to improve network performance compared to the reference schemes, especially in terms of resource utilization, throughput, latency and outage probability. Regarding the second research direction that focuses on the mode selection, two different mode selection solutions referred to as MSSB and MS-RBRS strategies have been proposed for V2V communication over a cellular network. The MSSB strategy decides when it is appropriate to use one or the other mode, i.e. sidelink or cellular, for the involved vehicles, taking into account the quality of the links between V2V users, the available resources, and the network traffic load situation. Moreover, the MS-RBRS strategy not only selects the appropriate mode of operation but also decides efficiently the amount of resources needed by V2V links in each mode and allows reusing RBs between different SL users while guaranteeing the minimum signal to interference requirements. The conducted simulations have revealed that the MS-RBRS and MSSB strategies are beneficial in terms of throughput, radio resource utilization, outage probability and latency under different offered loads comparing to the reference scheme. Last, we have focused on the resource allocation problem including jointly mode selection and radio resource scheduling. For the mode selection, a novel mode selection has been presented to decide when it is appropriate to select sidelink mode and use a distributed approach for radio resource allocation or cellular mode and use a centralized radio resource allocation. It takes into account three aspects: the quality of the links between V2V users, the available resources, and the latency. As for the radio resource allocation, the proposed approach includes a distributed radio resource allocation for sidelink mode and a centralized radio resource allocation for cellular mode. The proposed strategy supports dynamic assignments by allowing transmission over mini-slots. A simulation-based analysis has shown that the proposed strategies improved the network performance in terms of latency of V2V services, packet success rate and resource utilization under different network loads.La tesis se centra en la provisión de comunicaciones para vehículos sistemas celulares (V2X: Vehicle to Everything), que han atraído un gran interés en el contexto de 5G debido a su potencial de mejorar la seguridad del tráfico y habilitar nuevos servicios relacionados con los sistemas inteligentes de transporte. Estos tipos de servicios tienen requisitos estrictos en términos fiabilidad, disponibilidad de acceso y latencia de extremo a extremo (E2E). Para ello, V2X requiere técnicas avanzadas de gestión de red que deben desarrollarse en función de las características de las redes y los requisitos de tráfico. La integración del Sidelink (SL), que permite la comunicación directa entre vehículos (es decir, vehículo a vehículo (V2V)) sin pasar por la estación base de las redes celulares, es una solución prometedora para mejorar el rendimiento de V2X en el sistema celular. En esta tesis, abordamos algunos de los desafíos derivados de la integración de la comunicación V2V en los sistemas celulares y validamos el potencial de esta tecnología al proporcionar soluciones de gestión de recursos adecuadas. Nuestras principales contribuciones han sido en el contexto del denominado "slicing" de redes de acceso radio, la selección de modo y los mecanismos de asignación de recursos radio. Respecto a la primera dirección de investigación que se centra en la gestión del RAN slicing, se ha propuesto una estrategia novedosa basada en Q-learning y toma de decisiones softmax como una solución para determinar la división adecuada de recursos entre un slice para comunicaciones eMBB y un slice para V2X. Luego, a partir del resultado del algoritmo de Q-learning, se ha propuesto una estrategia heurística de baja complejidad para lograr mejoras adicionales en el uso de los recursos. La solución propuesta se ha comparado con esquemas de referencia proporcionales y fijos. La evaluación ha revelado la capacidad de los algoritmos propuestos para mejorar el rendimiento de la red en comparación con los esquemas de referencia, especialmente en términos de utilización de recursos, rendimiento, y latencia . Con respecto a la segunda dirección de investigación que se centra en la selección de modo, se han propuesto dos soluciones de diferentes llamadas estrategias MSSB y MS-RBRS para la comunicación V2V a través de una red celular. La estrategia MSSB decide cuándo es apropiado usar el modo SL o el modo celular, para los vehículos involucrados, teniendo en cuenta la calidad de los enlaces entre los usuarios de V2V, los recursos disponibles y la situación de carga de tráfico de la red. Además, la estrategia MS-RBRS no solo selecciona el modo de operación apropiado, sino que también decide eficientemente la cantidad de recursos que los enlaces V2V necesitan en cada modo, y permite que los RB se reutilicen entre diferentes usuarios de SL al tiempo que garantiza requisitos mínimos de señal a interferencia. Se ha presentado un análisis basado en simulación para evaluar el desempeño de las estrategias propuestas. Finalmente, nos hemos centrado en el problema conjunto de la selección de modo y la asignación de recursos de radio. Para la selección de modo, se ha presentado una nueva estrategia para decidir cuándo es apropiado seleccionar el modo SL y usar un enfoque distribuido para la asignación de recursos de radio o el modo celular y usar la asignación de recursos de radio centralizada. Tiene en cuenta tres aspectos: la calidad de los enlaces entre los usuarios de V2V, los recursos disponibles y la latencia. En términos de asignación de recursos de radio, el enfoque propuesto incluye una asignación de recursos de radio distribuida para el modo SL y una asignación de recursos de radio centralizada para el modo celular. La estrategia propuesta admite asignaciones dinámicas al permitir la transmisión a través de mini-slots. Los resultados muestran las mejoras en términos de latencia, tasa de recepción y la utilización de recursos bajo diferentes cargas de red.Postprint (published version
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