Real-time dynamic spectrum management for multi-user multi-carrier communication systems

Dynamic spectrum management is recognized as a key technique to tackle interference in multi-user multi-carrier communication systems and networks. However existing dynamic spectrum management algorithms may not be suitable when the available computation time and compute power are limited, i.e., when a very fast responsiveness is required. In this paper, we present a new paradigm, theory and algorithm for real-time dynamic spectrum management (RT-DSM) under tight real-time constraints. Specifically, a RT-DSM algorithm can be stopped at any point in time while guaranteeing a feasible and improved solution. This is enabled by the introduction of a novel difference-of-variables (DoV) transformation and problem reformulation, for which a primal coordinate ascent approach is proposed with exact line search via a logarithmicly scaled grid search. The concrete proposed algorithm is referred to as iterative power difference balancing (IPDB). Simulations for different realistic wireline and wireless interference limited systems demonstrate its good performance, low complexity and wide applicability under different configurations.Comment: 14 pages, 9 figures. This work has been submitted to the IEEE for possible publicatio

Estimation and detection of transmission line characteristics in the copper access network

The copper access-network operators face the challenge of developing and maintaining cost-effective digital subscriber line (DSL) services that are competitive to other broadband access technologies. The way forward is dictated by the demand of ever increasing data rates on the twisted-pair copper lines. To meet this demand, a relocation of the DSL transceivers in cabinets closer to the customers are often necessary combined with a joint expansion of the accompanying optical-fiber backhaul network. The equipment of the next generation copper network are therefore becoming more scattered and geographically distributed, which increases the requirements of automated line qualification with fault detection and localization. This scenario is addressed in the first five papers of this dissertation where the focus is on estimation and detection of transmission line characteristics in the copper access network. The developed methods apply model-based optimization with an emphasis on using low-order modeling and a priori information of the given problem. More specifically, in Paper I a low-order and causal cable model is derived based on the Hilbert transform. This model is successfully applied in three contributions of this dissertation. In Paper II, a class of low-complexity unbiased estimators for the frequency-dependent characteristic impedance is presented that uses one-port measurements only. The so obtained characteristic impedance paves the way for enhanced time domain reflectometry (a.k.a. TDR) on twisted-pair lines. In Paper III, the problem of estimating a nonhomogeneous and dispersive transmission line is investigated and a space-frequency optimization approach is developed for the DSL application. The accompanying analysis shows which parameters are of interest to estimate and further suggests the introduction of the concept capacitive length that overcomes the necessity of a priori knowledge of the physical line length. In Paper IV, two methods are developed for detection and localization of load coils present in so-called loaded lines. In Paper V, line topology identification is addressed with varying degree of a priori information. In doing so, a model-based optimization approach is employed that utilizes multi-objective evolutionary computation based on one/two-port measurements. A complement to transceiver relocation that potentially enhances the total data throughput in the copper access network is dynamic spectrum management (DSM). This promising multi-user transmission technique aims at maximizing the transmission rates, and/or minimizing the power consumption, by mitigating or cancelling the dominating crosstalk interference between twisted-pair lines in the same cable binder. Hence the spectral utilization is improved by optimizing the transmit signals in order to minimize the crosstalk interference. However, such techniques rely on accurate information of the (usually) unknown crosstalk channels. This issue is the main focus of Paper VI and VII of this dissertation in which Paper VI deals with estimation of the crosstalk channels between twisted-pair lines. More specifically, an unbiased estimator for the square-magnitude of the crosstalk channels is derived from which a practical procedure is developed that can be implemented with standardized DSL modems already installed in the copper access network. In Paper VII the impact such a non-ideal estimator has on the performance of DSM is analyzed and simulated. Finally, in Paper VIII a novel echo cancellation algorithm for DMT-based DSL modems is presented

A Near-Optimal Linear Crosstalk Precoder for VDSL

Crosstalk is the major source of performance degradation in VDSL. In downstream transmission crosstalk precoding can be applied. The transmitted signal is predistorted, such that the predistortion annihilates with the crosstalk introduced in the binder. Several crosstalk precoders have been proposed. Unfortunately they either give poor performance or require non-linear operations, which results in a high complexity. In this paper we present a simple, linear diagonalizing crosstalk precoder with low run-time complexity. A lower bound on the performance of the DP is derived. This allows performance to be predicted without explicit knowledge of the crosstalk channels, which simplies service provisioning considerably. This bound shows that the DP operates close to the single-user bound. So the DP is a low complexity design with predictable, near-optimal performance. The combination of spectra optimization and crosstalk precoding is also considered. Spectra optimization in a broadcast channel generally involves a highly complex optimization problem. Since the DP decouples transmission on each line, the spectrum on each modem can be optimized through a dual decomposition, leading to a significant reduction in complexity

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

Tecnologias coerentes para redes ópticas flexíveis

Next-generation networks enable a broad range of innovative services with the best delivery by utilizing very dense wired/wireless networks. However, the development of future networks will require several breakthroughs in optical networks such as high-performance optical transceivers to support a very-high capacity optical network as well as optimization of the network concept, ensuring a dramatic reduction of the cost per bit. At the same time, all of the optical network segments (metro, access, long-haul) need new technology options to support high capacity, spectral efficiency and data-rate flexibility. Coherent detection offers an opportunity by providing very high sensitivity and supporting high spectral efficiency. Coherent technology can still be combined with polarization multiplexing. Despite the increased cost and complexity, the migration to dual-polarization coherent transceivers must be considered, as it enables to double the spectral efficiency. These dual-polarization systems require an additional digital signal processing (DSP) subsystem for polarization demultiplexing. This work seeks to provide and characterize cost-effective novel coherent transceivers for the development of new generation practical, flexible and high capacity transceivers for optical metro-access and data center interconnects. In this regard, different polarization demultiplexing (PolDemux) algorithms, as well as adaptive Stokes will be considered. Furthermore, low complexity and modulation format-agnostic DSP techniques based on adaptive Stokes PolDemux for flexible and customizable optical coherent systems will be proposed. On this subject, the performance of the adaptive Stokes algorithm in an ultra-dense wavelength division multiplexing (U-DWDM) system will be experimentally evaluated, in offline and real-time operations over a hybrid optical-wireless link. In addition, the efficiency of this PolDemux algorithm in a flexible optical metro link based on Nyquist pulse shaping U-DWDM system and hybrid optical signals will be assessed. Moreover, it is of great importance to find a transmission technology that enables to apply the Stokes PolDemux for long-haul transmission systems and data center interconnects. In this work, it is also proposed a solution based on the use of digital multi-subcarrier multiplexing, which improve the performance of long-haul optical systems, without increasing substantially, their complexity and cost.As redes de telecomunicações futuras permitirão uma ampla gama de serviços inovadores e com melhor desempenho. No entanto, o desenvolvimento das futuras redes implicará vários avanços nas redes de fibra ótica, como transcetores óticos de alto desempenho capazes de suportar ligações de muito elevada capacidade, e a otimização da estrutura da rede, permitindo uma redução drástica do custo por bit transportado. Simultaneamente, todos os segmentos de rede ótica (metropolitanas, acesso e longo alcance) necessitam de novas opções tecnológicas para suportar uma maior capacidade, maior eficiência espetral e flexibilidade. Neste contexto, a deteção coerente surge como uma oportunidade, fornecendo alta sensibilidade e elevada eficiência espetral. A tecnologia de deteção coerente pode ainda ser associada à multiplexação na polarização. Apesar de um potencial aumento ao nível do custo e da complexidade, a migração para transcetores coerentes de dupla polarização deve ser ponderada, pois permite duplicar a eficiência espetral. Esses sistemas de dupla polarização requerem um subsistema de processamento digital de sinal (DSP) adicional para desmultiplexagem da polarização. Este trabalho procura fornecer e caracterizar novos transcetores coerentes de baixo custo para o desenvolvimento de uma nova geração de transcetores mais práticos, flexíveis e de elevada capacidade, para interconexões óticas ao nível das futuras redes de acesso e metro. Assim, serão analisados diferentes algoritmos para a desmultiplexagem da polarização, incluindo uma abordagem adaptativa baseada no espaço de Stokes. Além disso, são propostas técnicas de DSP independentes do formato de modulação e de baixa complexidade baseadas na desmultiplexagem de Stokes adaptativa para sistemas óticos coerentes flexíveis. Neste contexto, o desempenho do algoritmo adaptativo de desmultiplexagem na polarização baseado no espaço de Stokes é avaliado experimentalmente num sistema U-DWDM, tanto em análises off-line como em tempo real, considerando um percurso ótico hibrido que combina um sistema de transmissão suportado por fibra e outro em espaço livre. Foi ainda analisada a eficiência do algoritmo de desmultiplexagem na polarização numa rede ótica de acesso flexível U-DWDM com formatação de pulso do tipo Nyquist. Neste trabalho foi ainda analisada a aplicação da técnica de desmultiplexagem na polarização baseada no espaço de Stokes para sistemas de longo alcance. Assim, foi proposta uma solução de aplicação baseada no uso da multiplexagem digital de múltiplas sub-portadoras, tendo-se demonstrado uma melhoria na eficiência do desempenho dos sistemas óticos de longo alcance, sem aumentar significativamente a respetiva complexidade e custo.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Resource allocation technique for powerline network using a modified shuffled frog-leaping algorithm

Resource allocation (RA) techniques should be made efficient and optimized in order to enhance the QoS (power & bit, capacity, scalability) of high-speed networking data applications. This research attempts to further increase the efficiency towards near-optimal performance. RA’s problem involves assignment of subcarriers, power and bit amounts for each user efficiently. Several studies conducted by the Federal Communication Commission have proven that conventional RA approaches are becoming insufficient for rapid demand in networking resulted in spectrum underutilization, low capacity and convergence, also low performance of bit error rate, delay of channel feedback, weak scalability as well as computational complexity make real-time solutions intractable. Mainly due to sophisticated, restrictive constraints, multi-objectives, unfairness, channel noise, also unrealistic when assume perfect channel state is available. The main goal of this work is to develop a conceptual framework and mathematical model for resource allocation using Shuffled Frog-Leap Algorithm (SFLA). Thus, a modified SFLA is introduced and integrated in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system. Then SFLA generated random population of solutions (power, bit), the fitness of each solution is calculated and improved for each subcarrier and user. The solution is numerically validated and verified by simulation-based powerline channel. The system performance was compared to similar research works in terms of the system’s capacity, scalability, allocated rate/power, and convergence. The resources allocated are constantly optimized and the capacity obtained is constantly higher as compared to Root-finding, Linear, and Hybrid evolutionary algorithms. The proposed algorithm managed to offer fastest convergence given that the number of iterations required to get to the 0.001% error of the global optimum is 75 compared to 92 in the conventional techniques. Finally, joint allocation models for selection of optima resource values are introduced; adaptive power and bit allocators in OFDM system-based Powerline and using modified SFLA-based TLBO and PSO are propose

Proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC 1990)

Presented here are the proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC), held June 17-20, 1990 in Ottawa, Canada. Topics covered include future mobile satellite communications concepts, aeronautical applications, modulation and coding, propagation and experimental systems, mobile terminal equipment, network architecture and control, regulatory and policy considerations, vehicle antennas, and speech compression

LTE Optimization and Resource Management in Wireless Heterogeneous Networks

Mobile communication technology is evolving with a great pace. The development of the Long Term Evolution (LTE) mobile system by 3GPP is one of the milestones in this direction. This work highlights a few areas in the LTE radio access network where the proposed innovative mechanisms can substantially improve overall LTE system performance. In order to further extend the capacity of LTE networks, an integration with the non-3GPP networks (e.g., WLAN, WiMAX etc.) is also proposed in this work. Moreover, it is discussed how bandwidth resources should be managed in such heterogeneous networks. The work has purposed a comprehensive system architecture as an overlay of the 3GPP defined SAE architecture, effective resource management mechanisms as well as a Linear Programming based analytical solution for the optimal network resource allocation problem. In addition, alternative computationally efficient heuristic based algorithms have also been designed to achieve near-optimal performance