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

La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc. Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios. El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP). El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil. La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G. Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios. Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación

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

La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc. Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios. El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP). El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil. La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G. Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios. Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación

Optimization of Mobility Parameters using Fuzzy Logic and Reinforcement Learning in Self-Organizing Networks

In this thesis, several optimization techniques for next-generation wireless networks are proposed to solve different problems in the field of Self-Organizing Networks and heterogeneous networks. The common basis of these problems is that network parameters are automatically tuned to deal with the specific problem. As the set of network parameters is extremely large, this work mainly focuses on parameters involved in mobility management. In addition, the proposed self-tuning schemes are based on Fuzzy Logic Controllers (FLC), whose potential lies in the capability to express the knowledge in a similar way to the human perception and reasoning. In addition, in those cases in which a mathematical approach has been required to optimize the behavior of the FLC, the selected solution has been Reinforcement Learning, since this methodology is especially appropriate for learning from interaction, which becomes essential in complex systems such as wireless networks. Taking this into account, firstly, a new Mobility Load Balancing (MLB) scheme is proposed to solve persistent congestion problems in next-generation wireless networks, in particular, due to an uneven spatial traffic distribution, which typically leads to an inefficient usage of resources. A key feature of the proposed algorithm is that not only the parameters are optimized, but also the parameter tuning strategy. Secondly, a novel MLB algorithm for enterprise femtocells scenarios is proposed. Such scenarios are characterized by the lack of a thorough deployment of these low-cost nodes, meaning that a more efficient use of radio resources can be achieved by applying effective MLB schemes. As in the previous problem, the optimization of the self-tuning process is also studied in this case. Thirdly, a new self-tuning algorithm for Mobility Robustness Optimization (MRO) is proposed. This study includes the impact of context factors such as the system load and user speed, as well as a proposal for coordination between the designed MLB and MRO functions. Fourthly, a novel self-tuning algorithm for Traffic Steering (TS) in heterogeneous networks is proposed. The main features of the proposed algorithm are the flexibility to support different operator policies and the adaptation capability to network variations. Finally, with the aim of validating the proposed techniques, a dynamic system-level simulator for Long-Term Evolution (LTE) networks has been designed

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

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

Planning Wireless Cellular Networks of Future: Outlook, Challenges and Opportunities

Cell planning (CP) is the most important phase in the life cycle of a cellular system as it determines the operational expenditure, capital expenditure, as well as the long-term performance of the system. Therefore, it is not surprising that CP problems have been studied extensively for the past three decades for all four generations of cellular systems. However, the fact that small cells, a major component of future networks, are anticipated to be deployed in an impromptu fashion makes CP for future networks vis-a-vis 5G a conundrum. Furthermore, in emerging cellular systems that incorporate a variety of different cell sizes and types, heterogeneous networks (HetNets), energy efficiency, self-organizing network features, control and data plane split architectures (CDSA), massive multiple input multiple out (MIMO), coordinated multipoint (CoMP), cloud radio access network, and millimetre-wave-based cells plus the need to support Internet of Things (IoT) and device-to-device (D2D) communication require a major paradigm shift in the way cellular networks have been planned in the past. The objective of this paper is to characterize this paradigm shift by concisely reviewing past developments, analyzing the state-of-the-art challenges, and identifying future trends, challenges, and opportunities in CP in the wake of 5G. More specifically, in this paper, we investigate the problem of planning future cellular networks in detail. To this end, we first provide a brief tutorial on the CP process to identify the peculiarities that make CP one of the most challenging problems in wireless communications. This tutorial is followed by a concise recap of past research in CP. We then review key findings from recent studies that have attempted to address the aforementioned challenges in planning emerging networks. Finally, we discuss the range of technical factors that need to be taken into account while planning future networks and the promising research directions that necessitates the paradigm shift to do so