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

UMTS network optimisation

Network operators desire effective, pragmatic solutions to instances of the cell planning problem in order to improve their quality of service, enhance network coverage and capacity capability, and ultimately increase company profits. Previ ous cell plans have been constructed manually but these methods do not produce the best network configuration. More reliance has since been placed on automated cell planning to produce effective solutions. The introduction of the Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) emphasizes the need for high perfor mance planning tools. Motivated by a discussion of the literature concerning cell planning, an existing model for Global System for Mobile Communication (GSM) is modified to take account of the requirements of UMTS networks. A suite of test cases is created using a purpose-built problem generator, including problems with a range of site and traffic distributions for rural, suburban and urban markets. Traditionally, cell planning has been seen purely as an optimisation problem, neglecting the pre-optimisation stage of network dimensioning. This thesis inves tigates the effect of network dimensioning as a precursor to optimisation demon strating the benefits of cell planning in three stages consisting of site estimation, site selection and optimisation. The first stage, site estimation, utilises previously published lower bounding techniques to provide a means of approximating the number of sites required to meet capacity targets in the uplink and downlink. Site selection compares random selection to three newly developed algorithms to make effective automatic selections of sites from a candidate set. The final optimiza tion phase presents a framework based on the tabu search meta-heuristic capable of optimising the dimensioned network designs with respect to the representative operational scenarios. Multiple traffic snapshot evaluations are considered in the optimisation objective function

Optimized network dimensioning and planning for WiMAX technology

In order to meet demands in mobile broadband and to bridge the digital divide a new technology, namely WiMAX, was introduced in 2004. However, in order to increase the financial return on the investment inWiMAX, service operators need to make every effort in designing and deploying the most cost-effective networks. This thesis presents a novel dimensioning technique for WiMAX technology which takes the dimensioning problem to a new level and produces more accurate results in comparison to the traditional methods. Furthermore, a novel decomposed optimization framework for the WiMAX network planning is introduced which subdivides the overall problem into three distinct stages consisting of the network dimensioning stage which besides the primary task of evaluating the financial requirements produces a good starting network solution for the subsequent stages (Stage 1), initial sectorization and configuration of the network (Stage 2) and final network configuration (Stage 3). The proposed framework also solves two fundamental problems, which are cell planning and frequency planning, simultaneously. The feasibility of the final network solutions are then evaluated by OPNET simulator.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Practical design of optimal wireless metropolitan area networks: model and algorithms for OFDMA networks

A thesis submitted to the University of Bedfordshire, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Ph.D.This thesis contributes to the study of the planning and optimisation of wireless metropolitan area networks, in particular to the access network design of OFDMAbased systems, where different parameters like base station position, antenna tilt and azimuth need to be configured during the early stages of the network life. A practical view for the solution of this problem is presented by means of the development of a novel design framework and the use of multicriteria optimisation. A further consideration of relaying and cooperative communications in the context of the design of this kind of networks is done, an area little researched. With the emergence of new technologies and services, it is very important to accurately identify the factors that affect the design of the wireless access network and define how to take them into account to achieve optimally performing and cost-efficient networks. The new features and flexibility of OFDMA networks seem particularly suited to the provision of different broadband services to metropolitan areas. However, until now, most existing efforts have been focused on the basic access capability networks. This thesis presents a way to deal with the trade-offs generated during the OFDMA access network design, and presents a service-oriented optimization framework that offers a new perspective for this process with consideration of the technical and economic factors. The introduction of relay stations in wireless metropolitan area networks will bring numerous advantages such as coverage extension and capacity enhancement due to the deployment of new cells and the reduction of distance between transmitter and receiver. However, the network designers will also face new challenges with the use of relay stations, since they involve a new source of interference and a complicated air interface; and this need to be carefully evaluated during the network design process. Contrary to the well known procedure of cellular network design over regular or hexagonal scenarios, the wireless network planning and optimization process aims to deal with the non-uniform characteristics of realistic scenarios, where the existence of hotspots, different channel characteristics for the users, or different service requirements will determine the final design of the wireless network. This thesis is structured in three main blocks covering important gaps in the existing literature in planning (efficient simulation) and optimisation. The formulation and ideas proposed in the former case can still be evaluated over regular scenarios, for the sake of simplicity, while the study of latter case needs to be done over specific scenarios that will be described when appropriate. Nevertheless, comments and conclusions are extrapolated to more general cases throughout this work. After an introduction and a description of the related work, this thesis first focuses on the study of models and algorithms for classical point-to-multipoint networks on Chapter 3, where the optimisation framework is proposed. Based on the framework, this work: - Identifies the technology-specific physical factors that affect most importantly the network system level simulation, planning and optimization process. - It demonstrates how to simplify the problem and translate it into a formal optimization routine with consideration of economic factors. - It provides the network provider, a detailed and clear description of different scenarios during the design process so that the most suitable solution can be found. Existing works on this area do not provide such a comprehensive framework. In Chapter 4: - The impact of the relay configuration on the network planning process is analysed. - A new simple and flexible scheme to integrate multihop communications in the Mobile WiMAX frame structure is proposed and evaluated. - Efficient capacity calculations that allow intensive system level simulations in a multihop environment are introduced. In Chapter 5: - An analysis of the optimisation procedure with the addition of relay stations and the derived higher complexity of the process is done. - A frequency plan procedure not found in the existing literature is proposed, which combines it with the use of the necessary frame fragmentation of in-band relay communications and cooperative procedures. - A novel joint two-step process for network planning and optimisation is proposed. Finally, conclusions and open issues are exposed

Optimized network dimensioning and planning for WiMAX technology

In order to meet demands in mobile broadband and to bridge the digital divide a new technology, namely WiMAX, was introduced in 2004. However, in order to increase the financial return on the investment inWiMAX, service operators need to make every effort in designing and deploying the most cost-effective networks. This thesis presents a novel dimensioning technique for WiMAX technology which takes the dimensioning problem to a new level and produces more accurate results in comparison to the traditional methods. Furthermore, a novel decomposed optimization framework for the WiMAX network planning is introduced which subdivides the overall problem into three distinct stages consisting of the network dimensioning stage which besides the primary task of evaluating the financial requirements produces a good starting network solution for the subsequent stages (Stage 1), initial sectorization and configuration of the network (Stage 2) and final network configuration (Stage 3). The proposed framework also solves two fundamental problems, which are cell planning and frequency planning, simultaneously. The feasibility of the final network solutions are then evaluated by OPNET simulator