A Survey of Anticipatory Mobile Networking: Context-Based Classification, Prediction Methodologies, and Optimization Techniques

A growing trend for information technology is to not just react to changes, but anticipate them as much as possible. This paradigm made modern solutions, such as recommendation systems, a ubiquitous presence in today's digital transactions. Anticipatory networking extends the idea to communication technologies by studying patterns and periodicity in human behavior and network dynamics to optimize network performance. This survey collects and analyzes recent papers leveraging context information to forecast the evolution of network conditions and, in turn, to improve network performance. In particular, we identify the main prediction and optimization tools adopted in this body of work and link them with objectives and constraints of the typical applications and scenarios. Finally, we consider open challenges and research directions to make anticipatory networking part of next generation networks

Cognitive Radio Systems

Cognitive radio is a hot research area for future wireless communications in the recent years. In order to increase the spectrum utilization, cognitive radio makes it possible for unlicensed users to access the spectrum unoccupied by licensed users. Cognitive radio let the equipments more intelligent to communicate with each other in a spectrum-aware manner and provide a new approach for the co-existence of multiple wireless systems. The goal of this book is to provide highlights of the current research topics in the field of cognitive radio systems. The book consists of 17 chapters, addressing various problems in cognitive radio systems

Advanced Wireless LAN

The past two decades have witnessed starling advances in wireless LAN technologies that were stimulated by its increasing popularity in the home due to ease of installation, and in commercial complexes offering wireless access to their customers. This book presents some of the latest development status of wireless LAN, covering the topics on physical layer, MAC layer, QoS and systems. It provides an opportunity for both practitioners and researchers to explore the problems that arise in the rapidly developed technologies in wireless LAN

Context-based Resource Management and Slicing for SDN-enabled 5G Smart, Connected Environments

Τα συστήματα κινητής επικοινωνίας πέμπτης γενιάς (5G) τα οποία αναμένονται τα αμέσως επόμενα χρόνια, θα αντιμετωπίσουν πρωτοφανείς απαιτήσεις όσον αφορά τον όγκο και το ρυθμό μεταδόσης δεδομένων, τις καθυστερήσεις του δικτύου, καθώς και τον αριθμό των συνδεδεμένων συσκευών. Τα μελλοντικά δικτυακά οικοσυστήματα θα περιλαμβάνουν μια πληθώρα τεχνολογιών ασύρματης επικοινωνίας (είτε τεχνολογιών 3GPP, είτε μη-3GPP) όπως το Wi-Fi, το 3G, το 4G ή LTE, το Bluetooth, κτλ. Τα σενάρια ανάπτυξης του 5G προβλέπουν έναν πολυεπίπεδο συνδυασμό μακρο- και μικρο-κυψελών, όπου πολυλειτουργικές συσκευές –οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν ποικιλία διαφορετικών εφαρμογών και υπηρεσιών- εξυπηρετούνται από διαφορετικές τεχνολογίες. Οι περιορισμοί που υπήρξαν στα παλιότερα συστήματα κινητών επικοινωνιών πρέπει να εξαλειφθούν, ανοίγοντας το δρόμο για ένα νέο κύμα υπηρεσιών και συνολική εμπειρία χρήστη. Ως εκ τούτου, η διαχείριση των ασύρματων πόρων μέσω της χαρτογράφησης και διανομής τους στις κινητές συσκευές, μέσω της πλέον κατάλληλης τεχνολογίας πρόσβασης, η οποία εξυπηρετεί τις ανάγκες των συγκεκριμένων υπηρεσιών/εφαρμογών αποκτά πρωταρχική σημασία. Οι κύριοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων δικτύου πρόσβασης δηλαδή η επιλογή κυψέλης (cell selection/reselection), η παράδοση υπηρεσίας από τη μία κυψέλη στην άλλη (handover), καθώς και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών (call/service admission control), είναι αυτοί που τελικώς θα μπορέσουν να προσφέρουν στους χρήστες εξαιρετικά υψηλή ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service - QoS) και εμπειρίας (Quality of Experience - QoE) προς τις πολύ απαιτητικές περιπτώσεις χρήσης του 5G. Αυτό θα γίνει εφικτό μέσω της βελτιστοποίησης του συσχετισμού-χαρτογράφησης μεταξύ των διαφορετικών (τελικών) κινητών συσκευών και των συνυπαρχόντων ασύρματων δικτύων πρόσβασης. Επιπλέον της οπτικής του χρήστη, οι Πάροχοι Δικτύων Κινητής θα είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν τη μέγιστη αποδοτικότητα και χρήση των –ήδη δυσεύρετων- ασύρματων πόρων. Ευφυείς βελτιστοποιήσεις και αποδοτικές λύσεις όσον αφορά το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας πρέπει επίσης να εισαχθούν στα δίκτυα 5ης γενιάς με σκοπό να προάγουν ένα συνεκτικό, στοχευμένο στο χρήστη και πολυδιάστατο οικοσύστημα πληροφοριών. Η παρούσα διατριβή αυτή εστιάζει στη Διαχείριση Ασύρματων Δικτυακών Πόρων (ΔΑΔΠ - RRM) από την οπτική των κύριων διαδικασιών που σχετίζονται με την επιλογή ασύρματης τεχνολογίας πρόσβασης και στρώματος κυψέλης (μικρο-, μάκρο κυψέλη, κτλ.), δηλαδή η επιλογή κυψέλης, η παράδοση υπηρεσίας και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών. Έπειτα, η διατριβή προχωρά ένα βήμα παραπέρα, με σκοπό να συνδέσει τη ΔΑΔΠ με μία από τις πιο πρόσφατες προσεγγίσεις διαχείρισης δικτυακών πόρων, δηλαδή τον «τεμαχισμό δικτύου» (network slicing), όπως αυτή εισάγεται σε περιβάλλοντα που χρησιμοποιούν τη μέθοδος της Δικτύωσης Βασισμένης στο Λογισμικό (Software Defined Networking), η οποία δημιουργεί μικρότερα, εικονικά τμήματα του δικτύου, προσαρμοσμένα και βελτιστοποιημένα για συκεκριμένες υπηρεσίες και αντίστοιχες απαιτήσεις. Σαν πρώτο βήμα, πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση για τις υπάρχουσες λύσεις – όπως αυτές προδιαγράφονται στα πρότυπα της 3GPP, στη βιβλιογραφία, καθώς και τις σχετικές πατέντες-. Η διατριβή αυτή αρχικά εντοπίζει τους δεσμούς μεταξύ των προσπαθειών της ερευνητικής κοινότητας, των υλοποιήσεων της βιομηχανίας, καθώς και των δράσεων προτυποποίησης, σε μια προσπάθεια να επισημανθούν ρεαλιστικές λύσεις εφαρμογής, να προσδιοριστούν οι κύριοι στόχοι, τα πλεονεκτήματα, αλλά και οι ελλείψεις αυτών των προσπαθειών. Όπως θα δειχθεί, οι υπάρχουσες λύσεις προσπαθούν να εξισορροπήσουν σε ένα σημείο μεταξύ της βέλτιστης λύσης και μιας απλής υλοποίησης. Έτσι, οι λύσεις που έχουν προταθεί είτε είναι απλοποιημένες σε τέτοιο βαθμό που απομακρύνονται από μια ρεαλιστική πρόταση, και επιτυγχάνουν υπο-βέλτιστες λύσεις ή από την άλλη παρέχουν πολύ σημαντικές βελτιώσεις, αλλά η πολυπλοκότητά τους και η επιβάρυνση που επιβάλλουν στο δίκτυο (όσον αφορά για παράδειγμα κόστος σηματοδοσίας, ή επεξεργαστικής ισχύος) τις καθιστούν ελκυστικές για μια πραγματική ανάπτυξη. Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή εισαγωγή ένα σύνολο μηχανισμών επίγνωσης πλαισίου για τη διαχείριση δικτυακών πόρων, που αποτελείται από τρεις επιμέρους μηχανισμούς με διακριτό ρόλο: Δύο από τους μηχανισμούς χρησιμοποιούν πληροφορία πλαισίου με σκοπό τη βελτίωση τη διαχείριση πόρων και και τη χαρτογράφηση μεταξύ ροών δεδομένων κινητών συσκευών και κυψέλης/τεχνολογίας δικτύου. Ο τρίτος μηχανισμός δρα με έναν ενισχυτικό ρόλο στους δύο προηγούμενους, μέσω μιας προ-επεξεργασίας που πραγματοποιεί πάνω σε πληροφορία πλαισίου, με σκοπό τον περιορισμό του κόστους της επιπλέον σηματοδοσίας που απαιτείται για την μεταφορά της πληροφορίας πλαισίου μεταξύ των διαφόρων ενδιαφερόμενων δικτυακών οντοτήτων. Εκτός από τους τρεις μηχανισμούς αυτούς, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μελέτες σε σχέση με αρχιτεκτονικά ζητήματα και πτυχές, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και χαρτογράφηση των προτεινόμενων μηχανισμών στα συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G -όπως αυτά εισήχθησαν στα τελευταίο κείμενα προτυποποίησης της 3GPP-. Η πρώτη κύρια συμβολή της παρούσας διατριβής είναι το COmpAsS, ένας μηχανισμός επιλογής Τεχνολογίας Ασύρματης Πρόσβασης πολλαπλών κριτηρίων, με γνώμονα το περιβάλλον, το κύριο μέρος του οποίου λειτουργεί στην πλευρά του Εξοπλισμού Χρήστη (UE), ελαχιστοποιώντας με αυτό τον τρόπο τις επιβαρύνσεις σηματοδότησης στη διεπαφή αέρα και το φορτίο υπολογισμού στους σταθμούς βάσης. Ο μηχανισμός COmpAsS εκτελεί παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, υιοθετώντας την Ασαφή Λογική (Fuzzy Logic -FL) ως μία από τις βασικές προσεγγίσεις αντίληψης και ανάλυσης της κατάστασης του δικτύου. Σε συνδυασμό με ένα σύνολο προκαθορισμένων κανόνων, υπολογίζει μια λίστα με τις καταλληλότερες διαθέσιμες επιλογές πρόσβασης δικτύου, για κάθε μία από τις ροές δεδομένων/υπηρεσίας που είναι ενεργές εκείνη τη στιγμή. Τα πλεονεκτήματα του COmpAsS παρουσιάζονται μέσω μιας εκτεταμένης σειράς σεναρίων προσομοίωσης, ως μέρος των περιπτώσεων χρήσης εξαιρετικά πυκνών δικτύων (UDN) 5G. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν τον τρόπο με τον οποίο ο προτεινόμενος μηχανισμός βελτιστοποιεί τους βασικούς δείκτες επιδόσεων (Key Performance Indicators - KPIs), όταν αντιπαρατίθεται σε έναν από τους καθιερωμένους LTE αλγορίθμους. Η δεύτερη σημαντική συμβολή της παρούσας διατριβής είναι η Μηχανή Εξόρυξης Πλαισίου και Δημιουργίας Προφίλ (Context Extraction and Profiling Engine – CEPE), ένας μηχανισμός διαχείρισης πόρων, ο οποίος αναλύει συμπεριφορικά πρότυπα των χρηστών/κινητών συσκευών, εξάγει ουσιώδη γνώση και δημιουργεί αντίστοιχα προφίλ/πρότυπα συμπεριφοράς, με σκοπό να τα χρησιμοποιήσει για βέλτιστο προγραμματισμό πόρων, καθώς επίσης και για την μελλοντική πρόβλεψη απαιτήσεων πόρων. Το CEPE συλλέγει πληροφορίες σχετικά με τους χρήστες, τις υπηρεσίες, τις κινητές συσκευές, καθώς και τις συνθήκες δικτύου, και μέσω επεξεργασίας -χωρίς σύνδεση, ετεροχρονισμένα- αποκτά ένα μοντέλο γνώσης, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση των κύριων μηχανισμών ΔΑΔΠ (RRM). Το προαναφερθέν μοντέλο γνώσης μεταφράζεται έπειτα σε προφίλ χρηστών/κινητών συσκευών, τα οποία εφαρμόζονται ως είσοδος κατά τις διαδικασίες ΔΑΔΠ. Η βιωσιμότητα και η εγκυρότητα του CEPE επιδεικνύεται μέσω εκτεταμένων σεναρίων προσομοίωσης. Η τρίτη σημαντική συμβολή είναι το CIP (Context Information Preprocessor), ένας μηχανισμός προεπεξεργασίας πληροφοριών πλαισίου, με στόχο τον εντοπισμό και την απόρριψη περιττών δεδομένων κατά τη σηματοδοσία πριν από την εξαγωγή της γνώσης. Το CIP θα μπορούσε να θεωρηθεί ως αναπόσπαστο μέρος των προαναφερθέντων σχημάτων σχεδίασης, δηλαδή των COmpAsS και CEPE. Ο προτεινόμενος μηχανισμός περιλαμβάνει τη συγκέντρωση και συμπίεση πληροφοριών πλαισίου σχετικά με το δίκτυο ανά μοναδικό αναγνωριστικό κινητής συσκευής/χρήστη, -όπως η διεθνής ταυτότητα συνδρομητή κινητού (IMSI)-, καθώς και τεχνικές που σχετίζονται με την αναγνώριση και την απόρριψη δεδομένων πλαισίου που δε συμβάλλουν στην βελτίωση ή διόρθωση του πρόφιλ χρήστη, πριν από οποιαδήποτε μετάδοση προς το CEPE (ή άλλο μηχανισμό ΔΑΔΠ). Οι βελτιώσεις και τα κέρδη του CIP στη διαδικασία της σηματοδοσίας απεικονίζονται μέσω λεπτομερούς αναλυτικής προσέγγισης, η οποία καθορίζεται από τις καθιερωμένες απαιτήσεις περί χρήσης 5G. Ως τελική σημαντική συμβολή αυτής της διατριβής, διεξάγεται μια εκτεταμένη ανάλυση όσον αφορά τη διασύνδεση των CEPE-COmpAsS, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και της χαρτογράφησης αυτών με τα τελευταία συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G –όπως αυτά παρουσιάστηκαν στις τελευταίες δημοσιεύσεις προτυποποίησης της 3GPP -. Το έργο σε αυτή την ενότητα δείχνει πώς μπορεί να παρουσιαστεί το προτεινόμενο πλαίσιο ως μέρος των συνιστωσών του δικτύου 5G και των λειτουργιών που εισάγονται σε περιβάλλοντα με δυνατότητα SDN, όπως η προσέγγιση του «Τεμαχισμού Δικτύου», ο Μηχανισμός Ανάλυσης Δικτυακών Δεδομένων (Network Data Analytics Function – NWDAF), η λειτουργία επιλογής βέλτιστου τεμαχίου δικτύου (Network Slice Selection Function) - προς περαιτέρω βελτιστοποίηση της διανομής και της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων δικτύου μεταξύ των συσκευών-, καθώς και το ATSSS – Access Traffic Steering, Switching and Splitting, μια οντότητα υπεύθυνη για τη διαχείριση των ροών δεδομένων των UE –με δυνατότητες επαναδρομολόγησης, διαχωρισμού και σύνδεσης της κάθε ροής με την αντίστοιχη βέλτιστη, διαθέσιμη τεχνολογία πρόσβασης. Δύο συμπληρωματικές μελέτες περιλαμβάνονται –τέλος- σε αυτή τη διατριβή: μια αρχική ανάλυση των πολιτικών μηχανικής κυκλοφορίας (Traffic Engineering) που βασίζονται σε προφίλ χρηστών που προκύπτουν από το CEPE, καθώς και μία περίπτωση χρήσης 5G που σχετίζεται με τον τομέα του Διαδικτύου των Πραγμάτων - και πιο συγκεκριμένα την «Καλλιέργεια Ακριβείας» (Precision Farming), με σκοπό να δοθεί έμφαση σε ρητές απαιτήσεις των περιπτώσεων χρήσης 5G, όπως η επικοινωνία τύπου μηχανής κρίσιμης σημασίας (Mission-Critical Machine Type Communication).The fifth-generation (5G) mobile communication systems, which are expected to emerge in the forthcoming years, will address unprecedented demands in terms of system capacity, service latency and number of connected devices. Future 5G network ecosystems will comprise a plethora of 3GPP and non-3GGP Radio Access Technologies (RATs), such as Wi-Fi, 3G, 4G or LTE, Bluetooth, etc. Deployment scenarios envision a multi-layer combination of macro, micro and femto cells where multi-mode end devices, supporting diverse applications, are served by different technologies. Limitations previously posed by legacy generation systems need to be eliminated, paving the way to a new wave of services and overall experience for the user. As a result, the management of radio resources via mapping the end devices to the most appropriate access network becomes of paramount importance; the primary Radio Resource Management (RRM) mechanisms, i.e. cell selection/reselection, handover and call admission control will be able to offer extremely high Quality of Service (QoS) and Experience (QoE) to the users, towards the very demanding 5G use case requirements; this will be realised via an optimal association between the diverse end devices and the coexisting available access networks. Besides the user’s perspective, the Mobile Network Operators (MNOs) will be able to take advantage of the maximum efficiency and utilization over the –already scarce- wireless resources. Intelligent optimizations, as well as cost and energy efficient solutions need to be introduced in 5G networks in order to promote a consistent, user-centred and all-dimensional information ecosystem. This thesis focuses on the radio resource management (RRM) from the perspective of the primary RAT and cell layer selection processes (i.e., cell (re)selection, handover, admission control); afterwards, it goes one step beyond, in order to link the RRM with one of the latest RRM optimization approaches, i.e. the Network Slicing, as introduced in Software Defined Networking (SDN)-enabled environments, which creates smaller, virtual “portions” of the network, adapted and optimized for specific services/requirements. As a first step, a comprehensive analysis for the existing solutions -as these are specified in 3GPP standards, research papers, and patents has taken place. This thesis initially identifies the links between the research community efforts, the industry implementations, as well as the standardization efforts, in an attempt to highlight realistic solution implementations, identify the main goals, advantages and shortcomings of these efforts. As will be shown, existing solutions attempt to balance between implementation simplicity and solution optimality. Thus, solutions are either simple to implement but achieve sub-optimal solutions or provide significant improvements but their complexity and the burden placed on the network components renders them unattractive for a real-life deployment. Towards this end, this thesis introduces a context-based radio resource management (RRM) framework, comprised of three distinct mechanisms: Two out of the three mechanisms exploit contextual information with the aim of optimising the resource management and UE-RAT mapping, while the third mechanism acts with an augmenting role to the former two, by pre-processing the contextual information required by such, context-based mechanisms and –thus- by limiting the signalling cost required for communicating this contextual information among network entities. In addition to the three mechanisms, comprehensive analysis has taken place in relation to architectural aspects, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The first major contribution of this thesis is COmpAsS, a context-aware, multi-criteria RAT selection mechanism, the main part of which operates on the User Equipment (UE) side, minimizing signalling overhead over the air interface and computation load on the base stations. COmpAsS mechanism performs real-time monitoring and adopts Fuzzy Logic (FL) as one the core logic modules, responsible for the perception of the network situation and, in combination with a set of pre-defined rules, calculates a list of the most suitable available access network options. The merits of COmpAsS are showcased via an extensive series of simulation scenarios, as part of 5G ultra dense networks (UDN) use cases. The results prove how the proposed mechanism optimises Key Performance Indicators (KPIs), when juxtaposed to a well-established LTE handover algorithm. The second major contribution of the current thesis the Context Extraction and Profiling Engine (CEPE), a resource management framework, which analyzes user behavioral patterns, extracts meaningful knowledge and performs user profiling in order to apply it for optimal resource planning, as well as prediction of resource requirements. CEPE collects information about users, services, terminals and network conditions and –based on offline processing– derives a knowledge model, which is subsequently used for the optimization of the primary RRM mechanisms. Then, the extracted context information is translated into user profiles and is finally applied as input for enhanced cell (re)selection, handover or admission control. The viability and validity of CEPE is demonstrated via an extensive set of simulation scenarios. The third major contribution is CIP, a Context Information Pre-processing scheme, aiming to identify and discard redundant or unnecessary data during network signalling and before knowledge extraction. CIP could be considered as an integral part of the afore described profiling schemes, i.e. COmpAsS and CEPE. The module comprises aggregating and compressing mobile network-related context information per unique identifier, such as the end device’s International Mobile Subscriber Identity (IMSI), as well as techniques related to identifying and discarding user profile-redundant or unnecessary context data, before any transmission to CEPE. CIP gains are illustrated via a detailed analytical approach, guided by well-established 5G use case requirements. As a final major contribution of this thesis, a comprehensive analysis takes place with regard to the CEPE-COmpAsS interworking, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The work in this section shows how the proposed framework can be instantiated as part of the 5G network components and functions introduced in SDN-enabled environments, such as the Network Slicing approach, the Network Data Analytics and the Network Slice Selection Functions, towards further optimising the distribution and management of the available infrastructure and network resources among the UEs, as well as the Access Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS), responsible for managing the UE data flows and mapping each single UE flow with the optimal available access technology.. Two supplementary studies are finally included in this dissertation: a preliminary analysis on traffic engineering policies based on user profiling realised by CEPE, as well as a 5G use case related to the Internet of Things domain -and more specifically, Precision Farming-, aiming to highlight explicit requirements such as mission-critical machine type communication

Admission Control Optimisation for QoS and QoE Enhancement in Future Networks

Recent exponential growth in demand for traffic heterogeneity support and the number of associated devices has considerably increased demand for network resources and induced numerous challenges for the networks, such as bottleneck congestion, and inefficient admission control and resource allocation. Challenges such as these degrade network Quality of Service (QoS) and user-perceived Quality of Experience (QoE). This work studies admission control from various perspectives. For example, two novel single-objective optimisation-based admission control models, Dynamica Slice Allocation and Admission Control (DSAAC) and Signalling and Admission Control (SAC), are presented to enhance future limited-capacity network Grade of Service (GoS), and for control signalling optimisation, respectively. DSAAC is an integrated model whereby a cost-estimation function based on user demand and network capacity quantifies resource allocation among users. Moreover, to maximise resource utility, adjustable minimum and maximum slice resource bounds have also been derived. In the case of user blocking from the primary slice due to congestion or resource scarcity, a set of optimisation algorithms on inter-slice admission control and resource allocation and adaptability of slice elasticity have been proposed. A novel SAC model uses an unsupervised learning technique (i.e. Ranking-based clustering) for optimal clustering based on users’ homogeneous demand characteristics to minimise signalling redundancy in the access network. The redundant signalling reduction reduces the additional burden on the network in terms of unnecessary resource utilisation and computational time. Moreover, dynamically reconfigurable QoE-based slice performance bounds are also derived in the SAC model from multiple demand characteristics for clustered user admission to the optimal network. A set of optimisation algorithms are also proposed to attain efficient slice allocation and users’ QoE enhancement via assessing the capability of slice QoE elasticity. An enhancement of the SAC model is proposed through a novel multi-objective optimisation model named Edge Redundancy Minimisation and Admission Control (E-RMAC). A novel E-RMAC model for the first time considers the issue of redundant signalling between the edge and core networks. This model minimises redundant signalling using two classical unsupervised learning algorithms, K-mean and Ranking-based clustering, and maximises the efficiency of the link (bandwidth resources) between the edge and core networks. For multi-operator environments such as Open-RAN, a novel Forecasting and Admission Control (FAC) model for tenant-aware network selection and configuration is proposed. The model features a dynamic demand-estimation scheme embedded with fuzzy-logic-based optimisation for optimal network selection and admission control. FAC for the first time considers the coexistence of the various heterogeneous cellular technologies (2G, 3G,4G, and 5G) and their integration to enhance overall network throughput by efficient resource allocation and utilisation within a multi-operator environment. A QoS/QoE-based service monitoring feature is also presented to update the demand estimates with the support of a forecasting modifier. he provided service monitoring feature helps resource allocation to tenants, approximately closer to the actual demand of the tenants, to improve tenant-acquired QoE and overall network performance. Foremost, a novel and dynamic admission control model named Slice Congestion and Admission Control (SCAC) is also presented in this thesis. SCAC employs machine learning (i.e. unsupervised, reinforcement, and transfer learning) and multi-objective optimisation techniques (i.e. Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II ) to minimise bottleneck and intra-slice congestion. Knowledge transfer among requests in form of coefficients has been employed for the first time for optimal slice requests queuing. A unified cost estimation function is also derived in this model for slice selection to ensure fairness among slice request admission. In view of instantaneous network circumstances and load, a reinforcement learning-based admission control policy is established for taking appropriate action on guaranteed soft and best-effort slice requests admissions. Intra-slice, as well as inter-slice resource allocation, along with the adaptability of slice elasticity, are also proposed for maximising slice acceptance ratio and resource utilisation. Extensive simulation results are obtained and compared with similar models found in the literature. The proposed E-RMAC model is 35% superior at reducing redundant signalling between the edge and core networks compared to recent work. The E-RMAC model reduces the complexity from O(U) to O(R) for service signalling and O(N) for resource signalling. This represents a significant saving in the uplink control plane signalling and link capacity compared to the results found in the existing literature. Similarly, the SCAC model reduces bottleneck congestion by approximately 56% over the entire load compared to ground truth and increases the slice acceptance ratio. Inter-slice admission and resource allocation offer admission gain of 25% and 51% over cooperative slice- and intra-slice-based admission control and resource allocation, respectively. Detailed analysis of the results obtained suggests that the proposed models can efficiently manage future heterogeneous traffic flow in terms of enhanced throughput, maximum network resources utilisation, better admission gain, and congestion control

Intelligent Sensing Using Metal Oxide Semiconductor Based-on Support Vector Machine for Odor Classification

Classifying odor in real experiment presents some challenges, especially the uncertainty of the odor concentration and dispersion that can lead to a difficulty in obtaining an accurate datasets. In this study, to enhance the accuracy, datasets arrangement based on MOS sensors parameters using SVM approach for odor classification is proposed. The sensors are tested to determine the sensors' time response, sensors' peak duration, sensors' sensitivity, and sensors' stability when applied to the various sources at different range. Three sources were used in experimental test, namely: ethanol, methanol, and acetone. The gas sensors characteristics are analyzed in open sampling method to see the sensors' performance in real situation. These performances are considered as the base of choosing the position in collecting the datasets. The sensors in dynamic experiment have average of precision of 93.8-97.0%, the accuracy 93.3-96.7%, and the recall 93.3-96.7%. This values indicates that the collected datasets can support the SVM in improving the intelligent sensing when conducting odor classification work

Towards Massive Machine Type Communications in Ultra-Dense Cellular IoT Networks: Current Issues and Machine Learning-Assisted Solutions

The ever-increasing number of resource-constrained Machine-Type Communication (MTC) devices is leading to the critical challenge of fulfilling diverse communication requirements in dynamic and ultra-dense wireless environments. Among different application scenarios that the upcoming 5G and beyond cellular networks are expected to support, such as enhanced Mobile Broadband (eMBB), massive Machine Type Communications (mMTC) and Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC), the mMTC brings the unique technical challenge of supporting a huge number of MTC devices in cellular networks, which is the main focus of this paper. The related challenges include Quality of Service (QoS) provisioning, handling highly dynamic and sporadic MTC traffic, huge signalling overhead and Radio Access Network (RAN) congestion. In this regard, this paper aims to identify and analyze the involved technical issues, to review recent advances, to highlight potential solutions and to propose new research directions. First, starting with an overview of mMTC features and QoS provisioning issues, we present the key enablers for mMTC in cellular networks. Along with the highlights on the inefficiency of the legacy Random Access (RA) procedure in the mMTC scenario, we then present the key features and channel access mechanisms in the emerging cellular IoT standards, namely, LTE-M and Narrowband IoT (NB-IoT). Subsequently, we present a framework for the performance analysis of transmission scheduling with the QoS support along with the issues involved in short data packet transmission. Next, we provide a detailed overview of the existing and emerging solutions towards addressing RAN congestion problem, and then identify potential advantages, challenges and use cases for the applications of emerging Machine Learning (ML) techniques in ultra-dense cellular networks. Out of several ML techniques, we focus on the application of low-complexity Q-learning approach in the mMTC scenario along with the recent advances towards enhancing its learning performance and convergence. Finally, we discuss some open research challenges and promising future research directions

XIII Jornadas de ingeniería telemática (JITEL 2017)

Las Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL), organizadas por la Asociación de Telemática (ATEL), constituyen un foro propicio de reunión, debate y divulgación para los grupos que imparten docencia e investigan en temas relacionados con las redes y los servicios telemáticos. Con la organización de este evento se pretende fomentar, por un lado el intercambio de experiencias y resultados, además de la comunicación y cooperación entre los grupos de investigación que trabajan en temas relacionados con la telemática. En paralelo a las tradicionales sesiones que caracterizan los congresos científicos, se desea potenciar actividades más abiertas, que estimulen el intercambio de ideas entre los investigadores experimentados y los noveles, así como la creación de vínculos y puntos de encuentro entre los diferentes grupos o equipos de investigación. Para ello, además de invitar a personas relevantes en los campos correspondientes, se van a incluir sesiones de presentación y debate de las líneas y proyectos activos de los mencionados equiposLloret Mauri, J.; Casares Giner, V. (2018). XIII Jornadas de ingeniería telemática (JITEL 2017). Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/97612EDITORIA

Apport des réseaux intelligents aux usages et pratiques en e-santé : Une architecture flexible basée sur la technologie radio cognitive pour un suivi efficace et temps réel des patients

The aging of the population will probably catalyze the rise of chronic diseases and could intensify the need for personal assistance solutions. While researchers are focusing on information and communication technologies to provide responses to these public health problems, the number of connected objects is experiencing a rapid expansion. Indeed, desired revolution of technologies for health, forprevention and disease treatment coincides with the development of the Internet of Things 2. Thus, technological innovations and medical progress, for making it possible to monitor pathologies, often chronic, anywhere need appropriate equipments. Also, remote and real-time patient monitoring applications would require more network resources. In this context, communication resources management/sharing, technologies and equipments compatibilities and aplication’s desired performances become significant challenges. In this thesis, we propose an architecture based on Cognitive Radio, for meeting the medical applications constraints. We also analyze and test three important criteria for emergency transmissions, using this architecture.Connectivity : Any solution for patients monitoring must have anywhere and anytime capabilities for care continuity needs. High availability of network services and quality offered are critical for patient telemonitoring. We propose in this context, a spectral prediction mechanism able to examine the occupation conditions of the frequency bands. The algorithm we propose, associated learning and Grey Model technique in order to deal with any network connection discontinuities.Interference management : Network equipments must be able to perceive or to analyze their environment and act according to the underlying constraints. The interest is to protect in our case, medical equipment which are very sensitive to noise. Patient monitoring becomes possible at home or in the hospital, for example, with an acceptable level of interference. We propose for this criterion evaluation, a Cognitive Radio Networks deployment model in a hospital area. We define examples of functions for dynamic adaptation of the communication parameters, depending on the nearby medical devices sensitivity.Transmission efficiency under multimedia content delivery : This criterion analizes the ability of the architecture to provide desired quality in multimedia content delivery for real-time assistance or diagnosis. Patient monitoring at home or an emergency event may require the transmission of image or audio content to the hospital center. The remote monitoring solution must be able to provide these facilities which require a broadband network. We suggest an algorithm for resource reservation that performs a better management of the quality of service for medical multimedia content. We combine this algorithm with a transmission parameters control methode for maintaining the QoS at an acceptable level.Le vieillissement de la population sans doute catalysera l’augmentation des maladies chroniques et intensifiera le besoin de solutions d’assistance à la personne. Pendant que les chercheurs s’activent à apporter des réponses aux problèmes de santé publique qui s’accentuent, en s’appuyant sur les technologies de l’information et de la communication, le nombre des objets connectés connait une expansion fulgurante. Ainsi, le désir de révolution des technologies pour la santé, afin de faire face à la menace pathologique, coïncide avec le développement de l’Internet des objets 1. En effet, grâce aux innovations technologiques et au progrès médical, nombre de pathologies, souvent chroniques pourraient être suivies en temps réel et en tout lieu. Dans ce contexte, la gestion ou le partage des ressources de communication, la compatibilité des technologies et les performances à atteindre constituent des défis importants. Cet accroissement significatif du volume des communications, les contraintes de mobilité imposées par le contexte du suivi de patient ainsi que les besoins de qualité dans les transmissions de données médicales, révèlent une aspiration à des infrastructures de communication plus flexibles.Dans cette thèse, nous présentons une architecture de communication basée sur les réseaux Radio Cognitive pour répondre à cette exigence. Le caractère adaptable, flexible et autonome de la solution proposée permet d’aspirer à de meilleures performances. Ainsi, pour l’évaluation de son efficacité,nous avons choisi d’analyser et de tester trois critères importants pour les transmissions de données médicales urgentes.La connectivité en tout lieu : Ce premier critère est essentiel dans la mesure des performances et l’estimation de la fiabilité d’une infrastructure réseau dédiée à la santé. Plus précisément, toute solution de communication envisagée, doit être en mesure d’accompagner le patient suivi dans son environnement. En effet, la haute disponibilité des services réseaux et la qualité offerte sont déterminantes pour le suivi de patient à distance. Nous proposons dans cette première contribution, un mécanisme de prédiction spectrale capable d’examiner l’état d’occupation des bandes de fréquence. Cet algorithme associé au module de prise de décision Radio Cognitive, permet de parer aux éventuelles discontinuités de connexion réseaux.La gestion des interférences : Il s’agit du second critère qui évalue le degré de coexistence des ondes garantit par l’architecture, dans un contexte de prolifération des réseaux et des objets connectés. Le matériel communicant doit être capable de percevoir, d’analyser son environnement et d’agir en fonction des différentes contraintes. L’intérêt étant de protéger le matériel surtout médical, souvent très sensible aux bruits. Le suivi du patient devient alors possible à domicile ou à l’hôpital par exemple, avec un niveau d’interférence acceptable. Ainsi, tout en proposant un modèle de déploiement du réseau Radio Cognitive dans un centre hospitalier, nous définissons des exemples de fonctions permettant une adaptation dynamique des paramètres de communication en fonction de la sensibilité des équipements médicaux de proximité.L’efficacité dans la transmission de contenu multimédia : Ce dernier critère symbolise la capacité de l’architecture à fournir du contenu de qualité pour une assistance en temps réel. En effet, un réseau de soin à domicile ou une situation d’urgence peut nécessiter la transmission d’images ou de contenu multimédia vers les centres hospitaliers. Une solution de suivi de patient à distance doit être capable de fournir ces facilités qui imposent l’accès au haut débit. Dans une contribution répondant à cette préoccupation, nous suggérons un algorithme de réservation de ressources permettant de mieux gérer la qualité de service pour le contenu multimédia médical