19 research outputs found

    Modelling, Dimensioning and Optimization of 5G Communication Networks, Resources and Services

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    This reprint aims to collect state-of-the-art research contributions that address challenges in the emerging 5G networks design, dimensioning and optimization. Designing, dimensioning and optimization of communication networks resources and services have been an inseparable part of telecom network development. The latter must convey a large volume of traffic, providing service to traffic streams with highly differentiated requirements in terms of bit-rate and service time, required quality of service and quality of experience parameters. Such a communication infrastructure presents many important challenges, such as the study of necessary multi-layer cooperation, new protocols, performance evaluation of different network parts, low layer network design, network management and security issues, and new technologies in general, which will be discussed in this book

    Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics

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    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

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    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

    Recent Trends in Communication Networks

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    In recent years there has been many developments in communication technology. This has greatly enhanced the computing power of small handheld resource-constrained mobile devices. Different generations of communication technology have evolved. This had led to new research for communication of large volumes of data in different transmission media and the design of different communication protocols. Another direction of research concerns the secure and error-free communication between the sender and receiver despite the risk of the presence of an eavesdropper. For the communication requirement of a huge amount of multimedia streaming data, a lot of research has been carried out in the design of proper overlay networks. The book addresses new research techniques that have evolved to handle these challenges

    Admission Control Optimisation for QoS and QoE Enhancement in Future Networks

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    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

    Políticas de Copyright de Publicações Científicas em Repositórios Institucionais: O Caso do INESC TEC

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    A progressiva transformação das práticas científicas, impulsionada pelo desenvolvimento das novas Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC), têm possibilitado aumentar o acesso à informação, caminhando gradualmente para uma abertura do ciclo de pesquisa. Isto permitirá resolver a longo prazo uma adversidade que se tem colocado aos investigadores, que passa pela existência de barreiras que limitam as condições de acesso, sejam estas geográficas ou financeiras. Apesar da produção científica ser dominada, maioritariamente, por grandes editoras comerciais, estando sujeita às regras por estas impostas, o Movimento do Acesso Aberto cuja primeira declaração pública, a Declaração de Budapeste (BOAI), é de 2002, vem propor alterações significativas que beneficiam os autores e os leitores. Este Movimento vem a ganhar importância em Portugal desde 2003, com a constituição do primeiro repositório institucional a nível nacional. Os repositórios institucionais surgiram como uma ferramenta de divulgação da produção científica de uma instituição, com o intuito de permitir abrir aos resultados da investigação, quer antes da publicação e do próprio processo de arbitragem (preprint), quer depois (postprint), e, consequentemente, aumentar a visibilidade do trabalho desenvolvido por um investigador e a respetiva instituição. O estudo apresentado, que passou por uma análise das políticas de copyright das publicações científicas mais relevantes do INESC TEC, permitiu não só perceber que as editoras adotam cada vez mais políticas que possibilitam o auto-arquivo das publicações em repositórios institucionais, como também que existe todo um trabalho de sensibilização a percorrer, não só para os investigadores, como para a instituição e toda a sociedade. A produção de um conjunto de recomendações, que passam pela implementação de uma política institucional que incentive o auto-arquivo das publicações desenvolvidas no âmbito institucional no repositório, serve como mote para uma maior valorização da produção científica do INESC TEC.The progressive transformation of scientific practices, driven by the development of new Information and Communication Technologies (ICT), which made it possible to increase access to information, gradually moving towards an opening of the research cycle. This opening makes it possible to resolve, in the long term, the adversity that has been placed on researchers, which involves the existence of barriers that limit access conditions, whether geographical or financial. Although large commercial publishers predominantly dominate scientific production and subject it to the rules imposed by them, the Open Access movement whose first public declaration, the Budapest Declaration (BOAI), was in 2002, proposes significant changes that benefit the authors and the readers. This Movement has gained importance in Portugal since 2003, with the constitution of the first institutional repository at the national level. Institutional repositories have emerged as a tool for disseminating the scientific production of an institution to open the results of the research, both before publication and the preprint process and postprint, increase the visibility of work done by an investigator and his or her institution. The present study, which underwent an analysis of the copyright policies of INESC TEC most relevant scientific publications, allowed not only to realize that publishers are increasingly adopting policies that make it possible to self-archive publications in institutional repositories, all the work of raising awareness, not only for researchers but also for the institution and the whole society. The production of a set of recommendations, which go through the implementation of an institutional policy that encourages the self-archiving of the publications developed in the institutional scope in the repository, serves as a motto for a greater appreciation of the scientific production of INESC TEC

    Pertanika Journal of Science & Technology

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    Pertanika Journal of Science & Technology

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    Towards 6G Through SDN and NFV-Based Solutions for Terrestrial and Non-Terrestrial Networks

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    As societal needs continue to evolve, there has been a marked rise in a wide variety of emerging use cases that cannot be served adequately by existing networks. For example, increasing industrial automation has not only resulted in a massive rise in the number of connected devices, but has also brought forth the need for remote monitoring and reconnaissance at scale, often in remote locations characterized by a lack of connectivity options. Going beyond 5G, which has largely focused on enhancing the quality-of-experience for end devices, the next generation of wireless communications is expected to be centered around the idea of "wireless ubiquity". The concept of wireless ubiquity mandates that the quality of connectivity is not only determined by classical metrics such as throughput, reliability, and latency, but also by the level of coverage offered by the network. In other words, the upcoming sixth generation of wireless communications should be characterized by networks that exhibit high throughput and reliability with low latency, while also providing robust connectivity to a multitude of devices spread across the surface of the Earth, without any geographical constraints. The objective of this PhD thesis is to design novel architectural solutions for the upcoming sixth generation of cellular and space communications systems with a view to enabling wireless ubiquity with software-defined networking and network function virtualization at its core. Towards this goal, this thesis introduces a novel end-to-end system architecture for cellular communications characterized by innovations such as the AirHYPE wireless hypervisor. Furthermore, within the cellular systems domain, solutions for radio access network design with software-defined mobility management, and containerized core network design optimization have also been presented. On the other hand, within the space systems domain, this thesis introduces the concept of the Internet of Space Things (IoST). IoST is a novel cyber-physical system centered on nanosatellites and is capable of delivering ubiquitous connectivity for a wide variety of use cases, ranging from monitoring and reconnaissance to in-space backhauling. In this direction, contributions relating to constellation design, routing, and automatic network slicing form a key aspect of this thesis.Ph.D
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