Quality aspects of Internet telephony

Internet telephony has had a tremendous impact on how people communicate. Many now maintain contact using some form of Internet telephony. Therefore the motivation for this work has been to address the quality aspects of real-world Internet telephony for both fixed and wireless telecommunication. The focus has been on the quality aspects of voice communication, since poor quality leads often to user dissatisfaction. The scope of the work has been broad in order to address the main factors within IP-based voice communication. The first four chapters of this dissertation constitute the background material. The first chapter outlines where Internet telephony is deployed today. It also motivates the topics and techniques used in this research. The second chapter provides the background on Internet telephony including signalling, speech coding and voice Internetworking. The third chapter focuses solely on quality measures for packetised voice systems and finally the fourth chapter is devoted to the history of voice research. The appendix of this dissertation constitutes the research contributions. It includes an examination of the access network, focusing on how calls are multiplexed in wired and wireless systems. Subsequently in the wireless case, we consider how to handover calls from 802.11 networks to the cellular infrastructure. We then consider the Internet backbone where most of our work is devoted to measurements specifically for Internet telephony. The applications of these measurements have been estimating telephony arrival processes, measuring call quality, and quantifying the trend in Internet telephony quality over several years. We also consider the end systems, since they are responsible for reconstructing a voice stream given loss and delay constraints. Finally we estimate voice quality using the ITU proposal PESQ and the packet loss process. The main contribution of this work is a systematic examination of Internet telephony. We describe several methods to enable adaptable solutions for maintaining consistent voice quality. We have also found that relatively small technical changes can lead to substantial user quality improvements. A second contribution of this work is a suite of software tools designed to ascertain voice quality in IP networks. Some of these tools are in use within commercial systems today

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 eMBB, mMTC and URLLC, mMTC brings the unique technical challenge of supporting a huge number of MTC devices, which is the main focus of this paper. The related challenges include 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 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 scenarios. Finally, we discuss some open research challenges and promising future research directions.Comment: 37 pages, 8 figures, 7 tables, submitted for a possible future publication in IEEE Communications Surveys and Tutorial

QoS in LEO satellite networks with multipacket reception

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e TecnologiaLow Earth Orbit (LEO) satellite networks can improve terrestrial wireless networks to allow global broadband services for Mobile Terminals (MT), regardless of the users' location. In this context, hybrid telecommunication systems combining satellites with Long Term Evolution (LTE) networks, like the LightSquared technology, are intended to provide ubiquitous high-speed services. This dissertation analyses the performance of a random access protocol that uses Hybrid Network-assisted Diversity Multiple Access (H-NDMA), for a LEO satellite system network, named by Satellite Random NDMA (SR-NDMA). The protocol also considers a Single Carrier-Frequency Domain Equalization (SC-FDE) scheme for the uplink transmission and a Multipacket Reception (MPR) receiver. In this scenario, the transmission of data packets between MTs and the Base Station (BS) is made through random access and schedule access slots, organized into super-frames with the duration of a Round Trip Time (RTT). A SR-NDMA simulator is implemented to measure the system performance in matters of throughput, energy consumption, system delay and also the protocol capacity to meet Quality of Service (QoS) requirements. A set of simulations tests were made with a random Poisson process tra c generation to validate the analytical model. The capacity to ful l the QoS requirements of a real-time tra c class was also tested.FCT/MEC: MPSat - PTDC/EEA-TEL/099074/2008, OPPORTUNISTIC CR - PTDC/EEA-TEL/115981/2009, Femtocells - PTDC/EEA-TEL/120666/2010 e ADIN - PTDC/EEI-TEL/2990/201

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Delivery of Personalized and Adaptive Content to Mobile Devices:A Framework and Enabling Technology

Many innovative wireless applications that aim to provide mobile information access are emerging. Since people have different information needs and preferences, one of the challenges for mobile information systems is to take advantage of the convenience of handheld devices and provide personalized information to the right person in a preferred format. However, the unique features of wireless networks and mobile devices pose challenges to personalized mobile content delivery. This paper proposes a generic framework for delivering personalized and adaptive content to mobile users. It introduces a variety of enabling technologies and highlights important issues in this area. The framework can be applied to many applications such as mobile commerce and context-aware mobile services

A methodology for obtaining More Realistic Cross-Layer QoS Measurements in mobile networks: A VoIP over LTE Use Case

Los servicios de voz han sido durante mucho tiempo la primera fuente de ingresos para los operadores móviles. Incluso con el protagonismo creciente del tráfico de datos, los servicios de voz seguirán jugando un papel importante y no desaparecerán con la transición a redes basadas en el protocolo IP. Por otra parte, hace años que los principales actores en la industria móvil detectaron claramente que los usuarios no aceptarían una degradación en la calidad de los servicios de voz. Es por esto que resulta crítico garantizar la experiencia de usuario (QoE) en la transición a redes de nueva generación basadas en conmutación de paquetes. El trabajo realizado durante esta tesis ha buscado analizar el comportamiento y las dependencias de los diferentes servicios de Voz sobre IP (VoIP), así como identificar configuraciones óptimas, mejoras potenciales y metodologías que permitan asegurar niveles de calidad aceptables al mismo tiempo que se trate de minimizar los costes. La caracterización del rendimiento del tráfico de datos en redes móviles desde el punto de vista de los usuarios finales es un proceso costoso que implica la monitorización y análisis de un amplio rango de protocolos y parámetros con complejas dependencias. Para abordar desde la raíz este problema, se requiere realizar medidas que relacionen y correlen el comportamiento de las diferentes capas. La metodología de caracterización propuesta en esta tesis proporciona la posibilidad de recoger información clave para la resolución de problemas en las comunicaciones IP, relaciolándola con efectos asociados a la propagación radio, como cambios de celda o pérdida de enlaces, o con carga de la red y limitaciones de recursos en zonas geográficas específicas. Dicha metodología se sustenta en la utilización de herramientas nativas de monitorización y registro de información en smartphones, y la aplicación de cadenas de herramientas para la experimentación extensiva tanto en redes reales y como en entornos de prueba controlados. Con los resultados proporcionados por esta serie de herramientas, tanto operadores móviles y proveedores de servicio como desarrolladores móviles podrían ganar acceso a información sobre la experiencia real del usuario y sobre cómo mejorar la cobertura, optimizar los servicios y adaptar el funcionamiento de las aplicaciones y el uso de protocolos móviles basados en IP en este contexto. Las principales contribuciones de las herramientas y métodos introducidos en esta tesis son los siguientes: - Una herramienta de monitorización multicapa para smartphones Android, llamada TestelDroid, que permite la captura de indicadores clave de rendimiento desde el propio equipo de usuario. Asimismo proporciona la capacidad de generar tráfico de forma activa y de verificar el estado de alcanzabilidad del terminal, realizando pruebas de conectividad. - Una metodología de post-procesado para correlar la información presente en las diferentes capas de las medidas realizadas. De igual forma, se proporciona la opción a los usuarios de acceder directamente a la información sobre el tráfico IP y las medidas radio y de aplicar metodologías propias para la obtención de métricas. - Se ha realizado la aplicación de la metodología y de las herramientas usando como caso de uso el estudio y evaluación del rendimiento de las comunicaciones basadas en IP a bordo de trenes de alta velocidad. - Se ha contribuido a la creación de un entorno de prueba realista y altamente configurable para la realización de experimentos avanzados sobre LTE. - Se han detectado posibles sinergias en la utilización de instrumentación avanzada de I+D en el campo de las comunicaciones móviles, tanto para la enseñanza como para la investigación en un entorno universitario

Study, Analysis and Modeling of IP Multimedia systems on next generation networks providing mobile and fixed multimedia services

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