Maximising Penetration of Distributed Generation in Existing Urban Distribution Network (UDN)

Electrical power generation is currently moving towards greater penetration of distribution generation (DG), using multiple small generators instead of fewer and larger units. This can potentially create improvements in efficiency, by allowing use of waste heat (cogeneration). However, it also generates new problems related to control and co-ordination of large numbers of DGs, usually connected across the urban distributed network (UDN). In particular, concerns about security of supply and reliability together with the integration of new energy resources, are presenting a number of new challenges to system operators. One of the major changes that are being observed is the connection of significant levels of generation to the UDN. To accommodate this new type of generation the existing UDN should be utilised and developed in an optimal manner. It is well known that present arrangements for planning, dispatching and protection of central power generators are not directly applicable to the new technology. This thesis presents a mathematical method that facilitates the large scale integration of CHP generation, as the most common type of DG, connected onto the UDN. A new methodology is developed to determine the optimal allocation and, size of CHP generation capacity with respect to the technical, environmental and economic constraints of the UDN. The method estimates the adverse impact of any particular constraints with respect to the size and location of DG/CHP plants connected into the UDN. Also, the method provides the basis for quantifying the contribution that DG/CHP units makes to the security of energy supply i.e to what extent the particular DG/CHP can reduce the operational performance demand for the UDN facilities and substitute for the network assets. The method is implemented and tested on a 34 busbars network that represents a section of an UDN. The impact of CHP generation on losses in the UDN is also analysed and incorporated into the optimal capacity allocation methodology. The installation of CHP generation is leading to a major change in the way UDNs are designed and operated. UDNs are now used as a media to connect geographically distributed energy generation to the electrical power system, thereby converting what were originally energy supply networks to be used both for distribution and harvesting of energy. A mathematical model in the form of a Multiple Regression Analysis is presented in order to determine the maximum capacity of CHP generation that may be connected in a given area, while taking account of connection costs as well as technical, environmental, economic and operational setting constraints. Results obtained from various analyses related to the network performance and management are used as data for multiple regression analysis. These analyses include: load flow, fault analysis, environmental and economic analysis. The increased applications of CHP generation presents a substantial challenge to the existing connection policies used to connect CHP plant into UDNs. The section of a typical Irish UDN is used as a case study, and with reference to the available network parameters, the cost and benefits of CHP generations are determined under a number of planning and operational strategies. It is shown that a substantial increase in the net benefits of CHP generation is gained if the appropriate connection method is applied from the start and equally that significant CHP generation connection costs are sustained if ad hoc methods are employed. Connection of CHP generation can profoundly alter the operation of a UDN. Where CHP generation capacity is comparable to or larger than local demand there are likely to be observable impacts on network power flows and voltage regulation. In fact, two major problems to be considered are the voltage levels and operation of protection during faults and disturbances. New connection of CHP generation must be evaluated to identify and quantify any adverse impact on the security and quality of local electricity supplies. There are a number of well-established methods to deal with adverse impacts caused by CHP generation connection into a UDN. While a range of options exist to mitigate adverse impacts, under current commercial arrangements the developer will largely bear the financial responsibility for their implementation. The economic implication can make potential schemes less attractive and in some instances have been an impediment to the development of CHP generation in urban areas. Development of a CHP generation system connection algorithm corresponding to the Least Cost Technically Acceptable (LCTA) method is absolutely vital in order to maximise the penetration of CHP generation into existing UDN with respect to different UDN/CHP system operational settings/constraints and minimal economic implication. In this thesis, results from a number of mitigation methods analysis are compared and used to create the connection process algorithm. This algorithm equally can be applied in the connection process of other distribution generation technologies into existing UDNs

Towards Tactile Internet in Beyond 5G Era: Recent Advances, Current Issues and Future Directions

Tactile Internet (TI) is envisioned to create a paradigm shift from the content-oriented communications to steer/control-based communications by enabling real-time transmission of haptic information (i.e., touch, actuation, motion, vibration, surface texture) over Internet in addition to the conventional audiovisual and data traffics. This emerging TI technology, also considered as the next evolution phase of Internet of Things (IoT), is expected to create numerous opportunities for technology markets in a wide variety of applications ranging from teleoperation systems and Augmented/Virtual Reality (AR/VR) to automotive safety and eHealthcare towards addressing the complex problems of human society. However, the realization of TI over wireless media in the upcoming Fifth Generation (5G) and beyond networks creates various non-conventional communication challenges and stringent requirements in terms of ultra-low latency, ultra-high reliability, high data-rate connectivity, resource allocation, multiple access and quality-latency-rate tradeoff. To this end, this paper aims to provide a holistic view on wireless TI along with a thorough review of the existing state-of-the-art, to identify and analyze the involved technical issues, to highlight potential solutions and to propose future research directions. First, starting with the vision of TI and recent advances and a review of related survey/overview articles, we present a generalized framework for wireless TI in the Beyond 5G Era including a TI architecture, the main technical requirements, the key application areas and potential enabling technologies. Subsequently, we provide a comprehensive review of the existing TI works by broadly categorizing them into three main paradigms; namely, haptic communications, wireless AR/VR, and autonomous, intelligent and cooperative mobility systems. Next, potential enabling technologies across physical/Medium Access Control (MAC) and network layers are identified and discussed in detail. Also, security and privacy issues of TI applications are discussed along with some promising enablers. Finally, we present some open research challenges and recommend promising future research directions

Device-to-Device Communication in 5G Cellular Networks

Owing to the unprecedented and continuous growth in the number of connected users and networked devices, the next-generation 5G cellular networks are envisaged to support enormous number of simultaneously connected users and devices with access to numerous services and applications by providing networks with highly improved data rate, higher capacity, lower end-to-end latency, improved spectral efficiency, at lower power consumption. D2D communication underlaying cellular networks has been proposed as one of the key components of the 5G technology as a means of providing efficient spectrum reuse for improved spectral efficiency and take advantage of proximity between devices for reduced latency, improved user throughput, and reduced power consumption. Although D2D communication underlaying cellular networks promises lots of potentials, unlike the conventional cellular network architecture, there are new design issues and technical challenges that must be addressed for proper implementation of the technology. These include new device discovery procedures, physical layer architecture and radio resource management schemes. This thesis explores the potentials of D2D communication as an underlay to 5G cellular networks and focuses on efficient interference management solutions through mode selection, resource allocation and power control schemes. In this work, a joint admission control, resource allocation, and power control scheme was implemented for D2D communication underlaying 5G cellular networks. The performance of the system was evaluated, and comparisons were made with similar schemes.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

A survey of multi-access edge computing in 5G and beyond : fundamentals, technology integration, and state-of-the-art

Driven by the emergence of new compute-intensive applications and the vision of the Internet of Things (IoT), it is foreseen that the emerging 5G network will face an unprecedented increase in traffic volume and computation demands. However, end users mostly have limited storage capacities and finite processing capabilities, thus how to run compute-intensive applications on resource-constrained users has recently become a natural concern. Mobile edge computing (MEC), a key technology in the emerging fifth generation (5G) network, can optimize mobile resources by hosting compute-intensive applications, process large data before sending to the cloud, provide the cloud-computing capabilities within the radio access network (RAN) in close proximity to mobile users, and offer context-aware services with the help of RAN information. Therefore, MEC enables a wide variety of applications, where the real-time response is strictly required, e.g., driverless vehicles, augmented reality, robotics, and immerse media. Indeed, the paradigm shift from 4G to 5G could become a reality with the advent of new technological concepts. The successful realization of MEC in the 5G network is still in its infancy and demands for constant efforts from both academic and industry communities. In this survey, we first provide a holistic overview of MEC technology and its potential use cases and applications. Then, we outline up-to-date researches on the integration of MEC with the new technologies that will be deployed in 5G and beyond. We also summarize testbeds and experimental evaluations, and open source activities, for edge computing. We further summarize lessons learned from state-of-the-art research works as well as discuss challenges and potential future directions for MEC research

A comprehensive survey on radio resource management in 5G HetNets: current solutions, future trends and open issues

The 5G network technologies are intended to accommodate innovative services with a large influx of data traffic with lower energy consumption and increased quality of service and user quality of experience levels. In order to meet 5G expectations, heterogeneous networks (HetNets) have been introduced. They involve deployment of additional low power nodes within the coverage area of conventional high power nodes and their placement closer to user underlay HetNets. Due to the increased density of small-cell networks and radio access technologies, radio resource management (RRM) for potential 5G HetNets has emerged as a critical avenue. It plays a pivotal role in enhancing spectrum utilization, load balancing, and network energy efficiency. In this paper, we summarize the key challenges i.e., cross-tier interference, co-tier interference, and user association-resource-power allocation (UA-RA-PA) emerging in 5G HetNets and highlight their significance. In addition, we present a comprehensive survey of RRM schemes based on interference management (IM), UA-RA-PA and combined approaches (UA-RA-PA + IM). We introduce a taxonomy for individual (IM, UA-RA-PA) and combined approaches as a framework for systematically studying the existing schemes. These schemes are also qualitatively analyzed and compared to each other. Finally, challenges and opportunities for RRM in 5G are outlined, and design guidelines along with possible solutions for advanced mechanisms are presented

The 5G era of mobile networks: a comprehensive study of the related technologies accompanied by an experimentation framework

Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις από τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών για τη παροχή καλύτερων υπηρεσιών και τη διασύνδεση όλων και περισσότερων συσκευών, ωθούν τη κοινότητα του κλάδου στην ανάπτυξη νέων μεθόδων και τεχνολογιών οργάνωσης των δικτύων προκειμένου να αντιμετωπιστεί αποτελεσματικά αυτή η πρόκληση. Δεδομένου ότι η παρούσα τεχνολογία έχει φτάσει στα όρια της από άποψη ικανότητας διαχείρισης της κίνησης, απαιτείται η ανάπτυξη ενός νέου πλαισίου λειτουργίας το οποίο θα μπορεί να ανταποκριθεί αποτελεσματικά στις νέες συνθήκες που διαμορφώνονται από τη τηλεπικοινωνιακή αγορά. Η 5 η γενιά των δικτύων κινητών επικοινωνιών (5G) αποσκοπεί στην επίλυση ακριβώς αυτού του ζητήματος, μέσα από την ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου λειτουργίας. Το μοντέλο αυτό αναδιαρθρώνοντας εκ βάθρων τον τρόπο λειτουργίας του δικτύου σε όλα τα επίπεδα, σχηματίζει ένα νέο οικοσύστημα δικτυακών υποδομών και λειτουργιών το οποίο επιτρέπει τη παροχή στους χρήστες υπηρεσιών υψηλού επιπέδου, προσαρμοσμένες στις εκάστοτε ανάγκες τους. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετήθηκαν εκτενώς οι θεμελιώδεις αρχές και οι κυριότερες τεχνολογίες που διέπουν τη λειτουργία ενός δικτύου νέας γενιάς καθ’ όλο το μήκος του. Ξεκινώντας από τις καινοτομίες που αφορούν τη δομή των 5G δικτύων σε επίπεδο αρχιτεκτονικής, η ανάλυση επεκτείνεται με μία προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω· στα επίπεδα εκπομπής και πρόσβασης στο δίκτυο (C-RAN & MAC), στους μηχανισμούς που είναι υπεύθυνοι για παροχή των λειτουργιών και υπηρεσιών του δικτύου (NFV), ενώ εν συνεχεία γίνεται αναφορά στο νέο μοντέλο δρομολόγησης και διαχείρισης της κίνησης συνολικά στο δίκτυο (SDN) και σε επόμενο στάδιο παρουσιάζεται η τεχνολογία που αφορά την ικανότητα παροχής διακριτών υπηρεσιών στους χρήστες (E2E Slicing). Ακόμα, παρουσιάζονται ορισμένοι χαρακτηριστικοί δείκτες και μετρικές που σχετίζονται με τη προτυποποίηση των τεχνολογιών του δικτύου καθώς και όλες οι τρέχουσες εξελίξεις που αφορούν την ανάπτυξη του 5G στην Ευρώπη. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα δεδομένα του πειράματος που διεξήχθη για τους σκοπούς της εργασίας και αφορά αφενός τη μοντελοποίηση ενός υφιστάμενου δικτύου με βάση τα νέα πρότυπα του 5G και αφετέρου την αξιολόγηση της απόδοσης του με βάση ορισμένα σενάρια σχετικά με τη τοπολογία και το πλήθος των δεδομένων που ανταλλάσσονται κάθε στιγμή στο δίκτυο. Η εξέταση των παραμέτρων αποδοτικότητας εστιάζει στην ικανότητα του ONOS SDN Controller να διαχειρίζεται τη κίνηση των δεδομένων όταν προκύπτουν ορισμένα συμβάντα που επηρεάζουν την αρχική δομή του δικτύου. Ως προς τα αποτελέσματα των μετρήσεων που διεξάγονται, παρόλο που φαίνεται το θετικό αντίκτυπο που θα έχει η ενσωμάτωση των νέων τεχνολογιών στην απόδοση των δικτύων κινητών επικοινωνιών, υπάρχουν ακόμα ορισμένα επιμέρους ανοικτά ζητήματα τα οποία χρήζουν περαιτέρω έρευνας από τη πλευρά των μελών της τηλεπικοινωνιακής κοινότητας ώστε να μην υποσκαφθεί τελικά το αρχικό όραμα της καθολικής λειτουργίας όλων των κινητών συσκευών υπό μία ενιαία ομπρέλα.The ever-increasing demand from mobile communications networks for the provision of better services and interconnection of more devices is pushing the industry's community to develop new network organization methods and technologies in order to effectively address this challenge. As the current technology has reached its limits in terms of traffic management capability, it is necessary to develop a new operating framework that can effectively respond to the new conditions created by the telecommunications market. The 5th generation of mobile communication networks (5G) aims to solve this exact issue by developing a new operating model. This model, by thoroughly restructuring the way the network operates at all levels, forms a new ecosystem of network infrastructures and functions that enables the provision of high-level services to users, tailored to their particular needs. The fundamental principles and key technologies that govern the operation of a new generation network throughout its entire length were extensively studied in the context of this paper. Starting with the innovations regarding the structure of 5G networks at the architectural level, the analysis extends to a bottom-up approach: from the broadcast and access levels to the network (C-RAN & MAC) to the mechanisms responsible for delivering the network's functions and services (NFV). Then, the new network-based routing and traffic management (SDN) model is introduced, and the technology for providing distinctive services to users (E2E Slicing) is presented. Furthermore, some characteristic indicators and metrics related to the standardization of the network's technologies are presented, as well as all the current developments related to the development of 5G in Europe. Then, the data of the experiment carried out for the purposes of the paper is presented. On the one hand, this data concerns the modeling of an existing network based on the new 5G standards and, on the other hand, the evaluation of its performance based on some scenarios regarding the topology and the amount of data exchanged at any time on the network. The examination of the efficiency parameters focuses on the ability of the ONOS SDN controller to manage the traffic of the data when certain events affecting the original network structure occur. In terms of the results of the measurements being carried out, although the positive impact of the incorporation of new technologies on the performance of mobile communications networks appears to be positive, there are still some individual open issues that need further research by members of the telecommunications community in order for the original vision of the universal operation of all mobile devices under one single umbrella not to be ultimately undermined

Context-based Resource Management and Slicing for SDN-enabled 5G Smart, Connected Environments

Τα συστήματα κινητής επικοινωνίας πέμπτης γενιάς (5G) τα οποία αναμένονται τα αμέσως επόμενα χρόνια, θα αντιμετωπίσουν πρωτοφανείς απαιτήσεις όσον αφορά τον όγκο και το ρυθμό μεταδόσης δεδομένων, τις καθυστερήσεις του δικτύου, καθώς και τον αριθμό των συνδεδεμένων συσκευών. Τα μελλοντικά δικτυακά οικοσυστήματα θα περιλαμβάνουν μια πληθώρα τεχνολογιών ασύρματης επικοινωνίας (είτε τεχνολογιών 3GPP, είτε μη-3GPP) όπως το Wi-Fi, το 3G, το 4G ή LTE, το Bluetooth, κτλ. Τα σενάρια ανάπτυξης του 5G προβλέπουν έναν πολυεπίπεδο συνδυασμό μακρο- και μικρο-κυψελών, όπου πολυλειτουργικές συσκευές –οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν ποικιλία διαφορετικών εφαρμογών και υπηρεσιών- εξυπηρετούνται από διαφορετικές τεχνολογίες. Οι περιορισμοί που υπήρξαν στα παλιότερα συστήματα κινητών επικοινωνιών πρέπει να εξαλειφθούν, ανοίγοντας το δρόμο για ένα νέο κύμα υπηρεσιών και συνολική εμπειρία χρήστη. Ως εκ τούτου, η διαχείριση των ασύρματων πόρων μέσω της χαρτογράφησης και διανομής τους στις κινητές συσκευές, μέσω της πλέον κατάλληλης τεχνολογίας πρόσβασης, η οποία εξυπηρετεί τις ανάγκες των συγκεκριμένων υπηρεσιών/εφαρμογών αποκτά πρωταρχική σημασία. Οι κύριοι μηχανισμοί διαχείρισης πόρων δικτύου πρόσβασης δηλαδή η επιλογή κυψέλης (cell selection/reselection), η παράδοση υπηρεσίας από τη μία κυψέλη στην άλλη (handover), καθώς και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών (call/service admission control), είναι αυτοί που τελικώς θα μπορέσουν να προσφέρουν στους χρήστες εξαιρετικά υψηλή ποιότητα υπηρεσιών (Quality of Service - QoS) και εμπειρίας (Quality of Experience - QoE) προς τις πολύ απαιτητικές περιπτώσεις χρήσης του 5G. Αυτό θα γίνει εφικτό μέσω της βελτιστοποίησης του συσχετισμού-χαρτογράφησης μεταξύ των διαφορετικών (τελικών) κινητών συσκευών και των συνυπαρχόντων ασύρματων δικτύων πρόσβασης. Επιπλέον της οπτικής του χρήστη, οι Πάροχοι Δικτύων Κινητής θα είναι σε θέση να εκμεταλλευτούν τη μέγιστη αποδοτικότητα και χρήση των –ήδη δυσεύρετων- ασύρματων πόρων. Ευφυείς βελτιστοποιήσεις και αποδοτικές λύσεις όσον αφορά το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας πρέπει επίσης να εισαχθούν στα δίκτυα 5ης γενιάς με σκοπό να προάγουν ένα συνεκτικό, στοχευμένο στο χρήστη και πολυδιάστατο οικοσύστημα πληροφοριών. Η παρούσα διατριβή αυτή εστιάζει στη Διαχείριση Ασύρματων Δικτυακών Πόρων (ΔΑΔΠ - RRM) από την οπτική των κύριων διαδικασιών που σχετίζονται με την επιλογή ασύρματης τεχνολογίας πρόσβασης και στρώματος κυψέλης (μικρο-, μάκρο κυψέλη, κτλ.), δηλαδή η επιλογή κυψέλης, η παράδοση υπηρεσίας και ο έλεγχος εισαγωγής κλήσεων/υπηρεσιών. Έπειτα, η διατριβή προχωρά ένα βήμα παραπέρα, με σκοπό να συνδέσει τη ΔΑΔΠ με μία από τις πιο πρόσφατες προσεγγίσεις διαχείρισης δικτυακών πόρων, δηλαδή τον «τεμαχισμό δικτύου» (network slicing), όπως αυτή εισάγεται σε περιβάλλοντα που χρησιμοποιούν τη μέθοδος της Δικτύωσης Βασισμένης στο Λογισμικό (Software Defined Networking), η οποία δημιουργεί μικρότερα, εικονικά τμήματα του δικτύου, προσαρμοσμένα και βελτιστοποιημένα για συκεκριμένες υπηρεσίες και αντίστοιχες απαιτήσεις. Σαν πρώτο βήμα, πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη ανάλυση για τις υπάρχουσες λύσεις – όπως αυτές προδιαγράφονται στα πρότυπα της 3GPP, στη βιβλιογραφία, καθώς και τις σχετικές πατέντες-. Η διατριβή αυτή αρχικά εντοπίζει τους δεσμούς μεταξύ των προσπαθειών της ερευνητικής κοινότητας, των υλοποιήσεων της βιομηχανίας, καθώς και των δράσεων προτυποποίησης, σε μια προσπάθεια να επισημανθούν ρεαλιστικές λύσεις εφαρμογής, να προσδιοριστούν οι κύριοι στόχοι, τα πλεονεκτήματα, αλλά και οι ελλείψεις αυτών των προσπαθειών. Όπως θα δειχθεί, οι υπάρχουσες λύσεις προσπαθούν να εξισορροπήσουν σε ένα σημείο μεταξύ της βέλτιστης λύσης και μιας απλής υλοποίησης. Έτσι, οι λύσεις που έχουν προταθεί είτε είναι απλοποιημένες σε τέτοιο βαθμό που απομακρύνονται από μια ρεαλιστική πρόταση, και επιτυγχάνουν υπο-βέλτιστες λύσεις ή από την άλλη παρέχουν πολύ σημαντικές βελτιώσεις, αλλά η πολυπλοκότητά τους και η επιβάρυνση που επιβάλλουν στο δίκτυο (όσον αφορά για παράδειγμα κόστος σηματοδοσίας, ή επεξεργαστικής ισχύος) τις καθιστούν ελκυστικές για μια πραγματική ανάπτυξη. Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή εισαγωγή ένα σύνολο μηχανισμών επίγνωσης πλαισίου για τη διαχείριση δικτυακών πόρων, που αποτελείται από τρεις επιμέρους μηχανισμούς με διακριτό ρόλο: Δύο από τους μηχανισμούς χρησιμοποιούν πληροφορία πλαισίου με σκοπό τη βελτίωση τη διαχείριση πόρων και και τη χαρτογράφηση μεταξύ ροών δεδομένων κινητών συσκευών και κυψέλης/τεχνολογίας δικτύου. Ο τρίτος μηχανισμός δρα με έναν ενισχυτικό ρόλο στους δύο προηγούμενους, μέσω μιας προ-επεξεργασίας που πραγματοποιεί πάνω σε πληροφορία πλαισίου, με σκοπό τον περιορισμό του κόστους της επιπλέον σηματοδοσίας που απαιτείται για την μεταφορά της πληροφορίας πλαισίου μεταξύ των διαφόρων ενδιαφερόμενων δικτυακών οντοτήτων. Εκτός από τους τρεις μηχανισμούς αυτούς, πραγματοποιήθηκαν εκτενείς μελέτες σε σχέση με αρχιτεκτονικά ζητήματα και πτυχές, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και χαρτογράφηση των προτεινόμενων μηχανισμών στα συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G -όπως αυτά εισήχθησαν στα τελευταίο κείμενα προτυποποίησης της 3GPP-. Η πρώτη κύρια συμβολή της παρούσας διατριβής είναι το COmpAsS, ένας μηχανισμός επιλογής Τεχνολογίας Ασύρματης Πρόσβασης πολλαπλών κριτηρίων, με γνώμονα το περιβάλλον, το κύριο μέρος του οποίου λειτουργεί στην πλευρά του Εξοπλισμού Χρήστη (UE), ελαχιστοποιώντας με αυτό τον τρόπο τις επιβαρύνσεις σηματοδότησης στη διεπαφή αέρα και το φορτίο υπολογισμού στους σταθμούς βάσης. Ο μηχανισμός COmpAsS εκτελεί παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, υιοθετώντας την Ασαφή Λογική (Fuzzy Logic -FL) ως μία από τις βασικές προσεγγίσεις αντίληψης και ανάλυσης της κατάστασης του δικτύου. Σε συνδυασμό με ένα σύνολο προκαθορισμένων κανόνων, υπολογίζει μια λίστα με τις καταλληλότερες διαθέσιμες επιλογές πρόσβασης δικτύου, για κάθε μία από τις ροές δεδομένων/υπηρεσίας που είναι ενεργές εκείνη τη στιγμή. Τα πλεονεκτήματα του COmpAsS παρουσιάζονται μέσω μιας εκτεταμένης σειράς σεναρίων προσομοίωσης, ως μέρος των περιπτώσεων χρήσης εξαιρετικά πυκνών δικτύων (UDN) 5G. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν τον τρόπο με τον οποίο ο προτεινόμενος μηχανισμός βελτιστοποιεί τους βασικούς δείκτες επιδόσεων (Key Performance Indicators - KPIs), όταν αντιπαρατίθεται σε έναν από τους καθιερωμένους LTE αλγορίθμους. Η δεύτερη σημαντική συμβολή της παρούσας διατριβής είναι η Μηχανή Εξόρυξης Πλαισίου και Δημιουργίας Προφίλ (Context Extraction and Profiling Engine – CEPE), ένας μηχανισμός διαχείρισης πόρων, ο οποίος αναλύει συμπεριφορικά πρότυπα των χρηστών/κινητών συσκευών, εξάγει ουσιώδη γνώση και δημιουργεί αντίστοιχα προφίλ/πρότυπα συμπεριφοράς, με σκοπό να τα χρησιμοποιήσει για βέλτιστο προγραμματισμό πόρων, καθώς επίσης και για την μελλοντική πρόβλεψη απαιτήσεων πόρων. Το CEPE συλλέγει πληροφορίες σχετικά με τους χρήστες, τις υπηρεσίες, τις κινητές συσκευές, καθώς και τις συνθήκες δικτύου, και μέσω επεξεργασίας -χωρίς σύνδεση, ετεροχρονισμένα- αποκτά ένα μοντέλο γνώσης, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση των κύριων μηχανισμών ΔΑΔΠ (RRM). Το προαναφερθέν μοντέλο γνώσης μεταφράζεται έπειτα σε προφίλ χρηστών/κινητών συσκευών, τα οποία εφαρμόζονται ως είσοδος κατά τις διαδικασίες ΔΑΔΠ. Η βιωσιμότητα και η εγκυρότητα του CEPE επιδεικνύεται μέσω εκτεταμένων σεναρίων προσομοίωσης. Η τρίτη σημαντική συμβολή είναι το CIP (Context Information Preprocessor), ένας μηχανισμός προεπεξεργασίας πληροφοριών πλαισίου, με στόχο τον εντοπισμό και την απόρριψη περιττών δεδομένων κατά τη σηματοδοσία πριν από την εξαγωγή της γνώσης. Το CIP θα μπορούσε να θεωρηθεί ως αναπόσπαστο μέρος των προαναφερθέντων σχημάτων σχεδίασης, δηλαδή των COmpAsS και CEPE. Ο προτεινόμενος μηχανισμός περιλαμβάνει τη συγκέντρωση και συμπίεση πληροφοριών πλαισίου σχετικά με το δίκτυο ανά μοναδικό αναγνωριστικό κινητής συσκευής/χρήστη, -όπως η διεθνής ταυτότητα συνδρομητή κινητού (IMSI)-, καθώς και τεχνικές που σχετίζονται με την αναγνώριση και την απόρριψη δεδομένων πλαισίου που δε συμβάλλουν στην βελτίωση ή διόρθωση του πρόφιλ χρήστη, πριν από οποιαδήποτε μετάδοση προς το CEPE (ή άλλο μηχανισμό ΔΑΔΠ). Οι βελτιώσεις και τα κέρδη του CIP στη διαδικασία της σηματοδοσίας απεικονίζονται μέσω λεπτομερούς αναλυτικής προσέγγισης, η οποία καθορίζεται από τις καθιερωμένες απαιτήσεις περί χρήσης 5G. Ως τελική σημαντική συμβολή αυτής της διατριβής, διεξάγεται μια εκτεταμένη ανάλυση όσον αφορά τη διασύνδεση των CEPE-COmpAsS, στο πλαίσιο της επικείμενης αρχιτεκτονικής δικτύου 5G και της χαρτογράφησης αυτών με τα τελευταία συστατικά στοιχεία του δικτύου 5G –όπως αυτά παρουσιάστηκαν στις τελευταίες δημοσιεύσεις προτυποποίησης της 3GPP -. Το έργο σε αυτή την ενότητα δείχνει πώς μπορεί να παρουσιαστεί το προτεινόμενο πλαίσιο ως μέρος των συνιστωσών του δικτύου 5G και των λειτουργιών που εισάγονται σε περιβάλλοντα με δυνατότητα SDN, όπως η προσέγγιση του «Τεμαχισμού Δικτύου», ο Μηχανισμός Ανάλυσης Δικτυακών Δεδομένων (Network Data Analytics Function – NWDAF), η λειτουργία επιλογής βέλτιστου τεμαχίου δικτύου (Network Slice Selection Function) - προς περαιτέρω βελτιστοποίηση της διανομής και της διαχείρισης των διαθέσιμων πόρων δικτύου μεταξύ των συσκευών-, καθώς και το ATSSS – Access Traffic Steering, Switching and Splitting, μια οντότητα υπεύθυνη για τη διαχείριση των ροών δεδομένων των UE –με δυνατότητες επαναδρομολόγησης, διαχωρισμού και σύνδεσης της κάθε ροής με την αντίστοιχη βέλτιστη, διαθέσιμη τεχνολογία πρόσβασης. Δύο συμπληρωματικές μελέτες περιλαμβάνονται –τέλος- σε αυτή τη διατριβή: μια αρχική ανάλυση των πολιτικών μηχανικής κυκλοφορίας (Traffic Engineering) που βασίζονται σε προφίλ χρηστών που προκύπτουν από το CEPE, καθώς και μία περίπτωση χρήσης 5G που σχετίζεται με τον τομέα του Διαδικτύου των Πραγμάτων - και πιο συγκεκριμένα την «Καλλιέργεια Ακριβείας» (Precision Farming), με σκοπό να δοθεί έμφαση σε ρητές απαιτήσεις των περιπτώσεων χρήσης 5G, όπως η επικοινωνία τύπου μηχανής κρίσιμης σημασίας (Mission-Critical Machine Type Communication).The fifth-generation (5G) mobile communication systems, which are expected to emerge in the forthcoming years, will address unprecedented demands in terms of system capacity, service latency and number of connected devices. Future 5G network ecosystems will comprise a plethora of 3GPP and non-3GGP Radio Access Technologies (RATs), such as Wi-Fi, 3G, 4G or LTE, Bluetooth, etc. Deployment scenarios envision a multi-layer combination of macro, micro and femto cells where multi-mode end devices, supporting diverse applications, are served by different technologies. Limitations previously posed by legacy generation systems need to be eliminated, paving the way to a new wave of services and overall experience for the user. As a result, the management of radio resources via mapping the end devices to the most appropriate access network becomes of paramount importance; the primary Radio Resource Management (RRM) mechanisms, i.e. cell selection/reselection, handover and call admission control will be able to offer extremely high Quality of Service (QoS) and Experience (QoE) to the users, towards the very demanding 5G use case requirements; this will be realised via an optimal association between the diverse end devices and the coexisting available access networks. Besides the user’s perspective, the Mobile Network Operators (MNOs) will be able to take advantage of the maximum efficiency and utilization over the –already scarce- wireless resources. Intelligent optimizations, as well as cost and energy efficient solutions need to be introduced in 5G networks in order to promote a consistent, user-centred and all-dimensional information ecosystem. This thesis focuses on the radio resource management (RRM) from the perspective of the primary RAT and cell layer selection processes (i.e., cell (re)selection, handover, admission control); afterwards, it goes one step beyond, in order to link the RRM with one of the latest RRM optimization approaches, i.e. the Network Slicing, as introduced in Software Defined Networking (SDN)-enabled environments, which creates smaller, virtual “portions” of the network, adapted and optimized for specific services/requirements. As a first step, a comprehensive analysis for the existing solutions -as these are specified in 3GPP standards, research papers, and patents has taken place. This thesis initially identifies the links between the research community efforts, the industry implementations, as well as the standardization efforts, in an attempt to highlight realistic solution implementations, identify the main goals, advantages and shortcomings of these efforts. As will be shown, existing solutions attempt to balance between implementation simplicity and solution optimality. Thus, solutions are either simple to implement but achieve sub-optimal solutions or provide significant improvements but their complexity and the burden placed on the network components renders them unattractive for a real-life deployment. Towards this end, this thesis introduces a context-based radio resource management (RRM) framework, comprised of three distinct mechanisms: Two out of the three mechanisms exploit contextual information with the aim of optimising the resource management and UE-RAT mapping, while the third mechanism acts with an augmenting role to the former two, by pre-processing the contextual information required by such, context-based mechanisms and –thus- by limiting the signalling cost required for communicating this contextual information among network entities. In addition to the three mechanisms, comprehensive analysis has taken place in relation to architectural aspects, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The first major contribution of this thesis is COmpAsS, a context-aware, multi-criteria RAT selection mechanism, the main part of which operates on the User Equipment (UE) side, minimizing signalling overhead over the air interface and computation load on the base stations. COmpAsS mechanism performs real-time monitoring and adopts Fuzzy Logic (FL) as one the core logic modules, responsible for the perception of the network situation and, in combination with a set of pre-defined rules, calculates a list of the most suitable available access network options. The merits of COmpAsS are showcased via an extensive series of simulation scenarios, as part of 5G ultra dense networks (UDN) use cases. The results prove how the proposed mechanism optimises Key Performance Indicators (KPIs), when juxtaposed to a well-established LTE handover algorithm. The second major contribution of the current thesis the Context Extraction and Profiling Engine (CEPE), a resource management framework, which analyzes user behavioral patterns, extracts meaningful knowledge and performs user profiling in order to apply it for optimal resource planning, as well as prediction of resource requirements. CEPE collects information about users, services, terminals and network conditions and –based on offline processing– derives a knowledge model, which is subsequently used for the optimization of the primary RRM mechanisms. Then, the extracted context information is translated into user profiles and is finally applied as input for enhanced cell (re)selection, handover or admission control. The viability and validity of CEPE is demonstrated via an extensive set of simulation scenarios. The third major contribution is CIP, a Context Information Pre-processing scheme, aiming to identify and discard redundant or unnecessary data during network signalling and before knowledge extraction. CIP could be considered as an integral part of the afore described profiling schemes, i.e. COmpAsS and CEPE. The module comprises aggregating and compressing mobile network-related context information per unique identifier, such as the end device’s International Mobile Subscriber Identity (IMSI), as well as techniques related to identifying and discarding user profile-redundant or unnecessary context data, before any transmission to CEPE. CIP gains are illustrated via a detailed analytical approach, guided by well-established 5G use case requirements. As a final major contribution of this thesis, a comprehensive analysis takes place with regard to the CEPE-COmpAsS interworking, in the context of the forthcoming 5G network architecture and by mapping them with the latest 5G network components –as these were introduced in the latest 3GPP work-. The work in this section shows how the proposed framework can be instantiated as part of the 5G network components and functions introduced in SDN-enabled environments, such as the Network Slicing approach, the Network Data Analytics and the Network Slice Selection Functions, towards further optimising the distribution and management of the available infrastructure and network resources among the UEs, as well as the Access Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS), responsible for managing the UE data flows and mapping each single UE flow with the optimal available access technology.. Two supplementary studies are finally included in this dissertation: a preliminary analysis on traffic engineering policies based on user profiling realised by CEPE, as well as a 5G use case related to the Internet of Things domain -and more specifically, Precision Farming-, aiming to highlight explicit requirements such as mission-critical machine type communication

Radio resource allocation algorithms for multicast OFDM systems

Mención Internacional en el título de doctorVideo services have become highly demanded in mobile networks leading to an unprecedented traffic growth. It is expected that traffic from wireless and mobile devices will account for nearly 70 percent of total IP traffic by the year 2020, and the video services will account for nearly 75 percent of mobile data traffic by 2022. Multicast transmission is one of the key enablers towards a more spectral and energy efficient distribution of multimedia content in current and envisaged mobile networks. It is worth noting that multicast is a mechanism that efficiently delivers the same content to many users, not only focusing on video broadcasting, but also distributing many other media, such as software updates, weather forecast or breaking news. Although multicast services are available in Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) networks, new improvements are needed in some areas to handle the demands expected in the near future. Resource allocation techniques for multicast services are one of the main challenging issues, since it is required the development of novel schemes to meet the demands of their evolution towards the next generation. Most multicast techniques adopt rather conservative strategies that select a very robust modulation and coding scheme (MCS), whose characteristics are determined by the propagation conditions experienced by the worst user in the group in order to ensure that all users in a multicast group are able to correctly decode the received data. Obviously, this robustness comes at the prize of a low spectral efficiency. This thesis presents an exhaustive study of broadcast/multicast technology for current mobile networks, especially focusing on the scheduling and resource allocation (SRA) strategies to maximize the potential benefits that multicast transmissions imply on the spectral efficiency. Based on that issue, some contributions have been made to the state of the art in the radio resource management (RRM) for current and beyond mobile multicast services. • In the frame of LTE/LTE-A, the evolved multimedia broadcast and multicast service (eMBMS) shares the physical layer resources with the unicast transmission mode (at least up to Release 12). Consequently, the time allocation to multicast transmission is limited to a maximum of a 60 percent, and the remaining subframes (at least 40 percent) are reserved for unicast transmissions. With the aim of achieving the maximum aggregated data rate (ADR) among the multicast users, we have implemented several innovative SRA schemes that combine the allocation of multicast and unicast resources in the LTE/LTE-A frame, guaranteeing the prescribed quality of service (QoS) requirements for every user. • In the specific context of wideband communication systems, the selection of the multicast MCS has often relied on the use of wideband channel quality indicators (CQIs), providing rather imprecise information regarding the potential capacity of the multicast channel. Only recently has the per-subband CQI been used to improve the spectral efficiency of the system without compromising the link robustness. We have proposed novel subband CQI-based multicast SRA strategies that, relying on the selection of more spectrally efficient transmission modes, lead to increased data rates while still being able to fulfill prescribed QoS metrics. • Mobile broadcast/multicast video services require effective and low complexity SRA strategies. We have proposed an SRA strategy based on multicast subgrouping and the scalable video coding (SVC) technique for multicast video delivery. This scheme focuses on reducing the search space of solutions and optimizes the ADR. The results in terms of ADR, spectral efficiency, and fairness among multicast users, along with the low complexity of the algorithm, show that this new scheme is adequate for real systems. These contributions are intended to serve as a reference that motivate ongoing and future investigation in the challenging field of RRM for broadcast/ multicast services in next generation mobile networks.La demanda de servicios de vídeo en las redes móviles ha sufrido un incremento exponencial en los últimos años, lo que a su vez ha desembocado en un aumento sin precedentes del tráfico de datos. Se espera que antes del año 2020, el trafico debido a dispositivos móviles alcance cerca del 70 por ciento del tráfico IP total, mientras que se prevé que los servicios de vídeo sean prácticamente el 75 por ciento del tráfico de datos en las redes móviles hacia el 2022. Las transmisiones multicast son una de las tecnologías clave para conseguir una distribución más eficiente, tanto espectral como energéticamente, del contenido multimedia en las redes móviles actuales y futuras. Merece la pena reseñar que el multicast es un mecanismo de entrega del mismo contenido a muchos usuarios, que no se enfoca exclusivamente en la distribución de vídeo, sino que también permite la distribución de otros muchos contenidos, como actualizaciones software, información meteorológica o noticias de última hora. A pesar de que los servicios multicast ya se encuentran disponibles en las redes Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A), la mejora en algunos ámbitos resulta necesaria para manejar las demandas que se prevén a corto plazo. Las técnicas de asignación de recursos para los servicios multicast suponen uno de los mayores desafíos, ya que es necesario el desarrollo de nuevos esquemas que nos permitan acometer las exigencias que supone su evolución hacia la próxima generación. La mayor parte de las técnicas multicast adoptan estrategias conservadoras, seleccionando esquemas de modulación y codificación (MCS) impuestos por las condiciones de propagación que experimenta el usuario del grupo con peor canal, para así asegurar que todos los usuarios pertenecientes al grupo multicast sean capaces de decodificar correctamente los datos recibidos. Como resulta obvio, la utilización de esquemas tan robustos conlleva el precio de sufrir una baja eficiencia espectral. Esta tesis presenta un exhaustivo estudio de la tecnología broadcast/ multicast para las redes móviles actuales, que se centra especialmente en las estrategias de asignación de recursos (SRA), cuyo objetivo es maximizar los beneficios que la utilización de transmisiones multicast potencialmente implica en términos de eficiencia espectral. A partir de dicho estudio, hemos realizado varias contribuciones al estado del arte en el ámbito de la gestión de recursos radio (RRM) para los servicios multicast, aplicables en las redes móviles actuales y futuras. • En el marco de LTE/LTE-A, el eMBMS comparte los recursos de la capa física con las transmisiones unicast (al menos hasta la revisión 12). Por lo tanto, la disponibilidad temporal de las transmisiones multicast está limitada a un máximo del 60 por ciento, reservándose las subtramas restantes (al menos el 40 por ciento) para las transmisiones unicast. Con el objetivo de alcanzar la máxima tasa total de datos (ADR) entre los usuarios multicast, hemos implementado varios esquemas innovadores de SRA que combinan la asignación de los recursos multicast y unicast de la trama LTE/LTE-A, garantizando los requisitos de QoS a cada usuario. • En los sistemas de comunicaciones de banda ancha, la selección del MCS para transmisiones multicast se basa habitualmente en la utilización de CQIs de banda ancha, lo que proporciona información bastante imprecisa acerca de la capacidad potencial del canal multicast. Recientemente se ha empezado a utilizar el CQI por subbanda para mejorar la eficiencia espectral del sistema sin comprometer la robustez de los enlaces. Hemos propuesto nuevas estrategias para SRA multicast basadas en el CQI por subbanda que, basándose en la selección de los modos de transmisión con mayor eficiencia espectral, conducen a mejores tasas de datos, a la vez que permiten cumplir los requisitos de QoS. • Los servicios móviles de vídeo broadcast/multicast precisan estrategias eficientes de SRA con baja complejidad. Hemos propuesto una estrategia de SRA basada en subgrupos multicast y la técnica de codificación de vídeo escalable (SVC) para la difusión de vídeo multicast, la cual se centra en reducir el espacio de búsqueda de soluciones y optimizar el ADR. Los resultados obtenidos en términos de ADR, eficiencia espectral y equidad entre los usuarios multicast, junto con la baja complejidad del algoritmo, ponen de manifiesto que el esquema propuesto es adecuado para su implantación en sistemas reales. Estas contribuciones pretenden servir de referencia que motive la investigación actual y futura en el interesante ámbito de RRM para los servicios broadcast/multicast en las redes móviles de próxima generación.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Atilio Manuel Da Silva Gameiro.- Secretario: Víctor Pedro Gil Jiménez.- Vocal: María de Diego Antó