Goodbye, ALOHA!

©2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.The vision of the Internet of Things (IoT) to interconnect and Internet-connect everyday people, objects, and machines poses new challenges in the design of wireless communication networks. The design of medium access control (MAC) protocols has been traditionally an intense area of research due to their high impact on the overall performance of wireless communications. The majority of research activities in this field deal with different variations of protocols somehow based on ALOHA, either with or without listen before talk, i.e., carrier sensing multiple access. These protocols operate well under low traffic loads and low number of simultaneous devices. However, they suffer from congestion as the traffic load and the number of devices increase. For this reason, unless revisited, the MAC layer can become a bottleneck for the success of the IoT. In this paper, we provide an overview of the existing MAC solutions for the IoT, describing current limitations and envisioned challenges for the near future. Motivated by those, we identify a family of simple algorithms based on distributed queueing (DQ), which can operate for an infinite number of devices generating any traffic load and pattern. A description of the DQ mechanism is provided and most relevant existing studies of DQ applied in different scenarios are described in this paper. In addition, we provide a novel performance evaluation of DQ when applied for the IoT. Finally, a description of the very first demo of DQ for its use in the IoT is also included in this paper.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Enabling Disaster Resilient 4G Mobile Communication Networks

The 4G Long Term Evolution (LTE) is the cellular technology expected to outperform the previous generations and to some extent revolutionize the experience of the users by taking advantage of the most advanced radio access techniques (i.e. OFDMA, SC-FDMA, MIMO). However, the strong dependencies between user equipments (UEs), base stations (eNBs) and the Evolved Packet Core (EPC) limit the flexibility, manageability and resiliency in such networks. In case the communication links between UEs-eNB or eNB-EPC are disrupted, UEs are in fact unable to communicate. In this article, we reshape the 4G mobile network to move towards more virtual and distributed architectures for improving disaster resilience, drastically reducing the dependency between UEs, eNBs and EPC. The contribution of this work is twofold. We firstly present the Flexible Management Entity (FME), a distributed entity which leverages on virtualized EPC functionalities in 4G cellular systems. Second, we introduce a simple and novel device-todevice (D2D) communication scheme allowing the UEs in physical proximity to communicate directly without resorting to the coordination with an eNB.Comment: Submitted to IEEE Communications Magazin

Enabling Technologies for Ultra-Reliable and Low Latency Communications: From PHY and MAC Layer Perspectives

© 1998-2012 IEEE. Future 5th generation networks are expected to enable three key services-enhanced mobile broadband, massive machine type communications and ultra-reliable and low latency communications (URLLC). As per the 3rd generation partnership project URLLC requirements, it is expected that the reliability of one transmission of a 32 byte packet will be at least 99.999% and the latency will be at most 1 ms. This unprecedented level of reliability and latency will yield various new applications, such as smart grids, industrial automation and intelligent transport systems. In this survey we present potential future URLLC applications, and summarize the corresponding reliability and latency requirements. We provide a comprehensive discussion on physical (PHY) and medium access control (MAC) layer techniques that enable URLLC, addressing both licensed and unlicensed bands. This paper evaluates the relevant PHY and MAC techniques for their ability to improve the reliability and reduce the latency. We identify that enabling long-term evolution to coexist in the unlicensed spectrum is also a potential enabler of URLLC in the unlicensed band, and provide numerical evaluations. Lastly, this paper discusses the potential future research directions and challenges in achieving the URLLC requirements

Cellular networks for smart grid communication

The next-generation electric power system, known as smart grid, relies on a robust and reliable underlying communication infrastructure to improve the efficiency of electricity distribution. Cellular networks, e.g., LTE/LTE-A systems, appear as a promising technology to facilitate the smart grid evolution. Their inherent performance characteristics and well-established ecosystem could potentially unlock unprecedented use cases, enabling real-time and autonomous distribution grid operations. However, cellular technology was not originally intended for smart grid communication, associated with highly-reliable message exchange and massive device connectivity requirements. The fundamental differences between smart grid and human-type communication challenge the classical design of cellular networks and introduce important research questions that have not been sufficiently addressed so far. Motivated by these challenges, this doctoral thesis investigates novel radio access network (RAN) design principles and performance analysis for the seamless integration of smart grid traffic in future cellular networks. Specifically, we focus on addressing the fundamental RAN problems of network scalability in massive smart grid deployments and radio resource management for smart grid and human-type traffic. The main objective of the thesis lies on the design, analysis and performance evaluation of RAN mechanisms that would render cellular networks the key enabler for emerging smart grid applications. The first part of the thesis addresses the radio access limitations in LTE-based networks for reliable and scalable smart grid communication. We first identify the congestion problem in LTE random access that arises in large-scale smart grid deployments. To overcome this, a novel random access mechanism is proposed that can efficiently support real-time distribution automation services with negligible impact on the background traffic. Motivated by the stringent reliability requirements of various smart grid operations, we then develop an analytical model of the LTE random access procedure that allows us to assess the performance of event-based monitoring traffic under various load conditions and network configurations. We further extend our analysis to include the relation between the cell size and the availability of orthogonal random access resources and we identify an additional challenge for reliable smart grid connectivity. To this end, we devise an interference- and load-aware cell planning mechanism that enhances reliability in substation automation services. Finally, we couple the problem of state estimation in wide-area monitoring systems with the reliability challenges in information acquisition. Using our developed analytical framework, we quantify the impact of imperfect communication reliability in the state estimation accuracy and we provide useful insights for the design of reliability-aware state estimators. The second part of the thesis builds on the previous one and focuses on the RAN problem of resource scheduling and sharing for smart grid and human-type traffic. We introduce a novel scheduler that achieves low latency for distribution automation traffic while resource allocation is performed in a way that keeps the degradation of cellular users at a minimum level. In addition, we investigate the benefits of Device-to-Device (D2D) transmission mode for event-based message exchange in substation automation scenarios. We design a joint mode selection and resource allocation mechanism which results in higher data rates with respect to the conventional transmission mode via the base station. An orthogonal resource partition scheme between cellular and D2D links is further proposed to prevent the underutilization of the scarce cellular spectrum. The research findings of this thesis aim to deliver novel solutions to important RAN performance issues that arise when cellular networks support smart grid communication.Las redes celulares, p.e., los sistemas LTE/LTE-A, aparecen como una tecnología prometedora para facilitar la evolución de la próxima generación del sistema eléctrico de potencia, conocido como smart grid (SG). Sin embargo, la tecnología celular no fue pensada originalmente para las comunicaciones en la SG, asociadas con el intercambio fiable de mensajes y con requisitos de conectividad de un número masivo de dispositivos. Las diferencias fundamentales entre las comunicaciones en la SG y la comunicación de tipo humano desafían el diseño clásico de las redes celulares e introducen importantes cuestiones de investigación que hasta ahora no se han abordado suficientemente. Motivada por estos retos, esta tesis doctoral investiga los principios de diseño y analiza el rendimiento de una nueva red de acceso radio (RAN) que permita una integración perfecta del tráfico de la SG en las redes celulares futuras. Nos centramos en los problemas fundamentales de escalabilidad de la RAN en despliegues de SG masivos, y en la gestión de los recursos radio para la integración del tráfico de la SG con el tráfico de tipo humano. El objetivo principal de la tesis consiste en el diseño, el análisis y la evaluación del rendimiento de los mecanismos de las RAN que convertirán a las redes celulares en el elemento clave para las aplicaciones emergentes de las SGs. La primera parte de la tesis aborda las limitaciones del acceso radio en redes LTE para la comunicación fiable y escalable en SGs. En primer lugar, identificamos el problema de congestión en el acceso aleatorio de LTE que aparece en los despliegues de SGs a gran escala. Para superar este problema, se propone un nuevo mecanismo de acceso aleatorio que permite soportar de forma eficiente los servicios de automatización de la distribución eléctrica en tiempo real, con un impacto insignificante en el tráfico de fondo. Motivados por los estrictos requisitos de fiabilidad de las diversas operaciones en la SG, desarrollamos un modelo analítico del procedimiento de acceso aleatorio de LTE que nos permite evaluar el rendimiento del tráfico de monitorización de la red eléctrica basado en eventos bajo diversas condiciones de carga y configuraciones de red. Además, ampliamos nuestro análisis para incluir la relación entre el tamaño de celda y la disponibilidad de recursos de acceso aleatorio ortogonales, e identificamos un reto adicional para la conectividad fiable en la SG. Con este fin, diseñamos un mecanismo de planificación celular que tiene en cuenta las interferencias y la carga de la red, y que mejora la fiabilidad en los servicios de automatización de las subestaciones eléctricas. Finalmente, combinamos el problema de la estimación de estado en sistemas de monitorización de redes eléctricas de área amplia con los retos de fiabilidad en la adquisición de la información. Utilizando el modelo analítico desarrollado, cuantificamos el impacto de la baja fiabilidad en las comunicaciones sobre la precisión de la estimación de estado. La segunda parte de la tesis se centra en el problema de scheduling y compartición de recursos en la RAN para el tráfico de SG y el tráfico de tipo humano. Presentamos un nuevo scheduler que proporciona baja latencia para el tráfico de automatización de la distribución eléctrica, mientras que la asignación de recursos se realiza de un modo que mantiene la degradación de los usuarios celulares en un nivel mínimo. Además, investigamos los beneficios del modo de transmisión Device-to-Device (D2D) en el intercambio de mensajes basados en eventos en escenarios de automatización de subestaciones eléctricas. Diseñamos un mecanismo conjunto de asignación de recursos y selección de modo que da como resultado tasas de datos más elevadas con respecto al modo de transmisión convencional a través de la estación base. Finalmente, se propone un esquema de partición de recursos ortogonales entre enlaces celulares y D2Postprint (published version

Cellular and Wi-Fi technologies evolution: from complementarity to competition

This PhD thesis has the characteristic to span over a long time because while working on it, I was working as a research engineer at CTTC with highly demanding development duties. This has delayed the deposit more than I would have liked. On the other hand, this has given me the privilege of witnessing and studying how wireless technologies have been evolving over a decade from 4G to 5G and beyond. When I started my PhD thesis, IEEE and 3GPP were defining the two main wireless technologies at the time, Wi-Fi and LTE, for covering two substantially complementary market targets. Wi-Fi was designed to operate mostly indoor, in unlicensed spectrum, and was aimed to be a simple and cheap technology. Its primary technology for coexistence was based on the assumption that the spectrum on which it was operating was for free, and so it was designed with interference avoidance through the famous CSMA/CA protocol. On the other hand, 3GPP was designing technologies for licensed spectrum, a costly kind of spectrum. As a result, LTE was designed to take the best advantage of it while providing the best QoE in mainly outdoor scenarios. The PhD thesis starts in this context and evolves with these two technologies. In the first chapters, the thesis studies radio resource management solutions for standalone operation of Wi-Fi in unlicensed and LTE in licensed spectrum. We anticipated the now fundamental machine learning trend by working on machine learning-based radio resource management solutions to improve LTE and Wi-Fi operation in their respective spectrum. We pay particular attention to small cell deployments aimed at improving the spectrum efficiency in licensed spectrum, reproducing small range scenarios typical of Wi-Fi settings. IEEE and 3GPP followed evolving the technologies over the years: Wi-Fi has grown into a much more complex and sophisticated technology, incorporating the key features of cellular technologies, like HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling and spatial reuse. On the other hand, since Release 13, cellular networks have also been designed for unlicensed spectrum. As a result, the two last chapters of this thesis focus on coexistence scenarios, in which LTE needs to be designed to coexist with Wi-Fi fairly, and NR, the radio access for 5G, with Wi-Fi in 5 GHz and WiGig in 60 GHz. Unlike LTE, which was adapted to operate in unlicensed spectrum, NR-U is natively designed with this feature, including its capability to operate in unlicensed in a complete standalone fashion, a fundamental new milestone for cellular. In this context, our focus of analysis changes. We consider that these two technological families are no longer targeting complementarity but are now competing, and we claim that this will be the trend for the years to come. To enable the research in these multi-RAT scenarios, another fundamental result of this PhD thesis, besides the scientific contributions, is the release of high fidelity models for LTE and NR and their coexistence with Wi-Fi and WiGig to the ns-3 open-source community. ns-3 is a popular open-source network simulator, with the characteristic to be multi-RAT and so naturally allows the evaluation of coexistence scenarios between different technologies. These models, for which I led the development, are by academic citations, the most used open-source simulation models for LTE and NR and havereceived fundings from industry (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) and federal agencies (NIST, LLNL) over the years.Aquesta tesi doctoral té la característica d’allargar-se durant un llarg període de temps ja que mentre treballava en ella, treballava com a enginyera investigadora a CTTC amb tasques de desenvolupament molt exigents. Això ha endarrerit el dipositar-la més del que m’hagués agradat. D’altra banda, això m’ha donat el privilegi de ser testimoni i estudiar com han evolucionat les tecnologies sense fils durant més d’una dècada des del 4G fins al 5G i més enllà. Quan vaig començar la tesi doctoral, IEEE i 3GPP estaven definint les dues tecnologies sense fils principals en aquell moment, Wi-Fi i LTE, que cobreixen dos objectius de mercat substancialment complementaris. Wi-Fi va ser dissenyat per funcionar principalment en interiors, en espectre sense llicència, i pretenia ser una tecnologia senzilla i barata. La seva tecnologia primària per a la convivència es basava en el supòsit que l’espectre en el que estava operant era de franc, i, per tant, es va dissenyar simplement evitant interferències a través del famós protocol CSMA/CA. D’altra banda, 3GPP estava dissenyant tecnologies per a espectres amb llicència, un tipus d’espectre costós. Com a resultat, LTE està dissenyat per treure’n el màxim profit alhora que proporciona el millor QoE en escenaris principalment a l’aire lliure. La tesi doctoral comença amb aquest context i evoluciona amb aquestes dues tecnologies. En els primers capítols, estudiem solucions de gestió de recursos de radio per a operacions en espectre de Wi-Fi sense llicència i LTE amb llicència. Hem anticipat l’actual tendència fonamental d’aprenentatge automàtic treballant solucions de gestió de recursos de radio basades en l’aprenentatge automàtic per millorar l’LTE i Wi-Fi en el seu espectre respectiu. Prestem especial atenció als desplegaments de cèl·lules petites destinades a millorar la eficiència d’espectre llicenciat, reproduint escenaris de petit abast típics de la configuració Wi-Fi. IEEE i 3GPP van seguir evolucionant les tecnologies al llarg dels anys: El Wi-Fi s’ha convertit en una tecnologia molt més complexa i sofisticada, incorporant les característiques clau de les tecnologies cel·lulars, com ara HARQ i la reutilització espacial. D’altra banda, des de la versió 13, també s’han dissenyat xarxes cel·lulars per a espectre sense llicència. Com a resultat, els dos darrers capítols d’aquesta tesi es centren en aquests escenaris de convivència, on s’ha de dissenyar LTE per conviure amb la Wi-Fi de manera justa, i NR, l’accés a la radio per a 5G amb Wi-Fi a 5 GHz i WiGig a 60 GHz. A diferència de LTE, que es va adaptar per funcionar en espectre sense llicència, NR-U està dissenyat de forma nativa amb aquesta característica, inclosa la seva capacitat per operar sense llicència de forma autònoma completa, una nova fita fonamental per al mòbil. En aquest context, el nostre focus d’anàlisi canvia. Considerem que aquestes dues famílies de tecnologia ja no estan orientades cap a la complementarietat, sinó que ara competeixen, i afirmem que aquesta serà el tendència per als propers anys. Per permetre la investigació en aquests escenaris multi-RAT, un altre resultat fonamental d’aquesta tesi doctoral, a més de les aportacions científiques, és l’alliberament de models d’alta fidelitat per a LTE i NR i la seva coexistència amb Wi-Fi a la comunitat de codi obert ns-3. ns-3 és un popular simulador de xarxa de codi obert, amb la característica de ser multi-RAT i, per tant, permet l’avaluació de manera natural d’escenaris de convivència entre diferents tecnologies. Aquests models, pels quals he liderat el desenvolupament, són per cites acadèmiques, els models de simulació de codi obert més utilitzats per a LTE i NR i que han rebut finançament de la indústria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) i agències federals (NIST, LLNL) al llarg dels anys.Esta tesis doctoral tiene la característica de extenderse durante mucho tiempo porque mientras trabajaba en ella, trabajaba como ingeniera de investigación en CTTC con tareas de desarrollo muy exigentes. Esto ha retrasado el depósito más de lo que me hubiera gustado. Por otro lado, gracias a ello, he tenido el privilegio de presenciar y estudiar como las tecnologías inalámbricas han evolucionado durante una década, de 4G a 5G y más allá. Cuando comencé mi tesis doctoral, IEEE y 3GPP estaban definiendo las dos principales tecnologías inalámbricas en ese momento, Wi-Fi y LTE, cumpliendo dos objetivos de mercado sustancialmente complementarios. Wi-Fi fue diseñado para funcionar principalmente en interiores, en un espectro sin licencia, y estaba destinado a ser una tecnología simple y barata. Su tecnología primaria para la convivencia se basaba en el supuesto en que el espectro en el que estaba operando era gratis, y así fue diseñado simplemente evitando interferencias a través del famoso protocolo CSMA/CA. Por otro lado, 3GPP estaba diseñando tecnologías para espectro con licencia, un tipo de espectro costoso. Como resultado, LTE está diseñado para aprovechar el espectro al máximo proporcionando al mismo tiempo el mejor QoE en escenarios principalmente al aire libre. La tesis doctoral parte de este contexto y evoluciona con estas dos tecnologías. En los primeros capítulos, estudiamos las soluciones de gestión de recursos de radio para operación en espectro Wi-Fi sin licencia y LTE con licencia. Anticipamos la tendencia ahora fundamental de aprendizaje automático trabajando en soluciones de gestión de recursos de radio para mejorar LTE y funcionamiento deWi-Fi en su respectivo espectro. Prestamos especial atención a las implementaciones de células pequeñas destinadas a mejorar la eficiencia de espectro licenciado, reproduciendo los típicos escenarios de rango pequeño de la configuración Wi-Fi. IEEE y 3GPP siguieron evolucionando las tecnologías a lo largo de los años: Wi-Fi se ha convertido en una tecnología mucho más compleja y sofisticada, incorporando las características clave de las tecnologías celulares, como HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling y la reutilización espacial. Por otro lado, desde la Release 13, también se han diseñado redes celulares para espectro sin licencia. Como resultado, los dos últimos capítulos de esta tesis se centran en estos escenarios de convivencia, donde LTE debe diseñarse para coexistir con Wi-Fi de manera justa, y NR, el acceso por radio para 5G con Wi-Fi en 5 GHz y WiGig en 60 GHz. A diferencia de LTE, que se adaptó para operar en espectro sin licencia, NR-U está diseñado de forma nativa con esta función, incluyendo su capacidad para operar sin licencia de forma completamente independiente, un nuevo hito fundamental para los celulares. En este contexto, cambia nuestro enfoque de análisis. Consideramos que estas dos familias tecnológicas ya no tienen como objetivo la complementariedad, sino que ahora están compitiendo, y afirmamos que esta será la tendencia para los próximos años. Para permitir la investigación en estos escenarios de múltiples RAT, otro resultado fundamental de esta tesis doctoral, además de los aportes científicos, es el lanzamiento de modelos de alta fidelidad para LTE y NR y su coexistencia con Wi-Fi y WiGig a la comunidad de código abierto de ns-3. ns-3 es un simulador popular de red de código abierto, con la característica de ser multi-RAT y así, naturalmente, permite la evaluación de escenarios de convivencia entre diferentes tecnologías. Estos modelos, para los cuales lideré el desarrollo, son por citas académicas, los modelos de simulación de código abierto más utilizados para LTE y NR y han recibido fondos de la industria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) y agencias federales (NIST, LLNL) a lo largo de los años.Postprint (published version