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

Energy Efficient Cooperative Mobile Sensor Network

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Small Cells for Broadband Internet Access in Low-Income Suburban Areas in Emerging Market Environments

Mobile broadband technologies are providing the best and most commonly used broadband connectivity in many emerging markets. In some regions such as Africa, mobile networks provide the only feasible ways for extending the socio-economic benefits of broadband Internet access to the masses. The use of small cell technologies, like femtocells provide an attractive solution for such areas as femtocells are most cost – effective option for coverage and capacity expansion. Furthermore, femtocells are operator managed access points which can be easily deployed and operated by the end user. It is well known that increased densification of cell sites is the most effective means for broadband mobile network capacity and coverage enhancements. However, cell densification through adding new macrocell sites by operators is usually a costly option. Therefore, this thesis will investigate methods to achieve mobile broadband capacity and coverage enhancements in low – income informal settlements or slum area, through more cost – effective cell densification using femtocells. Moreover this thesis will validate the performance gains of small cell concept for the case study through extensive simulations. The impacts of femtocell in the network, the performance gain from femtocell and gain provided by different deployment strategies have been studied. Simulation results highlight the potential benefits of using femtocells in the network for extended broadband connectivity. With the femto increment the network performance increases up to a great extent

Radio network planning and optimisation for WCDMA

The present thesis introduces the radio network planning process and optimisation for WCDMA (FDD mode), as defined by 3GPP. This thesis consists of three parts: modelling and tools for radio network planning, process for pre-operational network control and optimisation for the operational network. General challenges to face in 3G network control are based on the fact that many issues are interconnected and should be simultaneously considered, such as Planning means not only to meet current status and demands, but the solution should also comply with the future requirements by providing an acceptable development path. Traffic modelling is not only the question about the total amount of traffic growth, but also the question about the future service distribution and performance demands. All CDMA systems have a relation between capacity and coverage. Consequently, the network planning itself is not only based on propagation estimation but also on the interference situation in the network. Ideally, site selection consideration will be done based on the network analysis with planned load and traffic/service portfolio, taking possible co-siting constraints into account. Provision of multiple services and seamless management of at least two multiple access systems require rapid evolution of the management tools and processes. The network performance in terms of capacity, quality, and implementation and operational costs forms a multidimensional space. Operators' task will be to convert the business strategy to an operating point in the performance space in a cost efficient manner. The contribution of this thesis in terms of modelling and tools is as follows: Improvement of the accuracy of radio link budget by introducing power control headroom (also called fast fading margin). Improvement of loading equation by introducing a transmit power increase term. Development of theory and modelling for a planning tool capable of multi-service and multi-carrier interference, capacity and coverage analysis. Development and implementation an interface taking into account the true traffic distribution (not uniform) and terminal speed. In the area of pre-operational planning process the contribution of this thesis is as follows: Development of dimensioning methodology for multi-service network site density estimation, utilising the modelling of power control headroom, transmit power increase, soft handover and Eb/N0. Development of radio network planning process for multi-service environment including capacity and coverage evaluation for a given traffic mixture, quality and area requirements. Analysis of means to improve radio network performance with Mast Head Amplifier (MHA), diversity reception, sectorisation and proper antenna selection. In the area of optimisation of the operational network the contribution of this thesis is as follows: Definition for optimisation target in the case of 3G. The optimisation will be capacity-quality trade-off management instead of plain quality improvement process. Introduction of Self Organizing Map (SOM) in the analysis of cellular networks. Analysis of the applicability of SOM in WCDMA cellular network optimisation. Introduction of SOM based applications to support network capacity-quality trade-off management. It is worth noting that process and methods described in this work are not limited to 3G systems with WCDMA radio access technology, but they are applicable to other CDMA standards as well.reviewe

Quantum-aided multi-user transmission in non-orthogonal multiple access systems

With the research on implementing a universal quantum computer being under the technological spotlight, new possibilities appear for their employment in wireless communications systems for reducing their complexity and improving their performance. In this treatise, we consider the downlink of a rank-deficient, multi-user system and we propose the discrete-valued and continuous-valued Quantum-assisted Particle Swarm Optimization (QPSO) algorithms for performing Vector Perturbation (VP) precoding, as well as for lowering the required transmission power at the Base Station (BS), while minimizing the expected average Bit Error Ratio (BER) at the mobile terminals. We use the Minimum BER (MBER) criterion. We show that the novel quantum-assisted precoding methodology results in an enhanced BER performance, when compared to that of a classical methodology employing the PSO algorithm, while requiring the same computational complexity in the challenging rank-deficient scenarios, where the number of transmit antenna elements at the BS is lower than the number of users. Moreover, when there is limited Channel State Information (CSI) feedback from the users to the BS, due to the necessary quantization of the channel states, the proposed quantum-assisted precoder outperforms the classical precoder

Multiuser detection employing recurrent neural networks for DS-CDMA systems.

Thesis (M.Sc.Eng.)-University of KwaZulu-Natal, 2006.Over the last decade, access to personal wireless communication networks has evolved to a point of necessity. Attached to the phenomenal growth of the telecommunications industry in recent times is an escalating demand for higher data rates and efficient spectrum utilization. This demand is fuelling the advancement of third generation (3G), as well as future, wireless networks. Current 3G technologies are adding a dimension of mobility to services that have become an integral part of modem everyday life. Wideband code division multiple access (WCDMA) is the standardized multiple access scheme for 3G Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). As an air interface solution, CDMA has received considerable interest over the past two decades and a great deal of current research is concerned with improving the application of CDMA in 3G systems. A factoring component of CDMA is multiuser detection (MUD), which is aimed at enhancing system capacity and performance, by optimally demodulating multiple interfering signals that overlap in time and frequency. This is a major research problem in multipoint-to-point communications. Due to the complexity associated with optimal maximum likelihood detection, many different sub-optimal solutions have been proposed. This focus of this dissertation is the application of neural networks for MUD, in a direct sequence CDMA (DS-CDMA) system. Specifically, it explores how the Hopfield recurrent neural network (RNN) can be employed to give yet another suboptimal solution to the optimization problem of MUD. There is great scope for neural networks in fields encompassing communications. This is primarily attributed to their non-linearity, adaptivity and key function as data classifiers. In the context of optimum multiuser detection, neural networks have been successfully employed to solve similar combinatorial optimization problems. The concepts of CDMA and MUD are discussed. The use of a vector-valued transmission model for DS-CDMA is illustrated, and common linear sub-optimal MUD schemes, as well as the maximum likelihood criterion, are reviewed. The performance of these sub-optimal MUD schemes is demonstrated. The Hopfield neural network (HNN) for combinatorial optimization is discussed. Basic concepts and techniques related to the field of statistical mechanics are introduced and it is shown how they may be employed to analyze neural classification. Stochastic techniques are considered in the context of improving the performance of the HNN. A neural-based receiver, which employs a stochastic HNN and a simulated annealing technique, is proposed. Its performance is analyzed in a communication channel that is affected by additive white Gaussian noise (AWGN) by way of simulation. The performance of the proposed scheme is compared to that of the single-user matched filter, linear decorrelating and minimum mean-square error detectors, as well as the classical HNN and the stochastic Hopfield network (SHN) detectors. Concluding, the feasibility of neural networks (in this case the HNN) for MUD in a DS-CDMA system is explored by quantifying the relative performance of the proposed model using simulation results and in view of implementation issues