Pilvipohjaisen radioliityntäverkon kustannusten mallintaminen

The rapid growth of mobile data traffic is challenging the current way of building and operating the current radio access network. Cloud-based radio access network is researched as a solution to provide the required capacity for rapidly growing traffic demand in more economical manner. Scope of this thesis is to evaluate the costs of different existing and future radio access network architectures depending on the given network and traffic scenario. This is done by creating a cost model based on expert interviews to solve the most economical solution for the given network in terms of total cost of ownership. The results show that the cloud-based radio access network’s cost benefits are dependent on the expected traffic growth. In the low traffic growth scenario, the cost benefits of cloud-based radio access network are questionable, but in the high traffic growth scenario clear cost benefits are achieved.Mobiilidataliikenteen nopea kasvu haastaa nykyisen tavan rakentaa ja hallinnoida tämän hetkisiä radioliityntäverkkoja. Pilvipohjaista radioliityntäverkkoa tutkitaan ratkaisuksi tarjota tarvittavaa verkkokapasiteettia entistä taloudellisemmin. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on arvioida nykyisten ja pilvipohjaisten radioliityntäverkkoarkkitehtuurien kustannuksia riippuen verkon rakenteesta ja liikenteestä. Tämä toteutetaan luomalla kustannusmalli, joka perustuu asiantuntijoiden haastatteluihin. Mallin avulla on mahdollista vertailla annetun verkon eri arkkitehtuurien kokonaiskustannuksia ja selvittää taloudellisin radioliityntäverkkoarkkitehtuuri verkolle. Mallinnuksen tulokset osoittavat, että pilvipohjaisen radioliityntäverkon taloudelliset hyödyt ovat riippuvaisia dataliikenteen kasvusta verkossa. Vähäisellä data-liikenteen kasvulla pilvipohjaisen radioliityntäverkon kustannusedut ovat kyseenalaiset, mutta suurella dataliikenteen kasvulla saadaan selviä säästöjä verrattuna nykyisiin arkkitehtuureihin

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

Tutorial on LTE/LTE-A Cellular Network Dimensioning Using Iterative Statistical Analysis

LTE is the fastest growing cellular technology and is expected to increase its footprint in the coming years, as well as progress toward LTE-A. The race among operators to deliver the expected quality of experience to their users is tight and demands sophisticated skills in network planning. Radio network dimensioning (RND) is an essential step in the process of network planning and has been used as a fast, but indicative, approximation of radio site count. RND is a prerequisite to the lengthy process of thorough planning. Moreover, results from RND are used by players in the industry to estimate preplanning costs of deploying and running a network; thus, RND is, as well, a key tool in cellular business modelling. In this work, we present a tutorial on radio network dimensioning, focused on LTE/LTE-A, using an iterative approach to find a balanced design that mediates among the three design requirements: coverage, capacity, and quality. This approach uses a statistical link budget analysis methodology, which jointly accounts for small and large scale fading in the channel, as well as loading due to traffic demand, in the interference calculation. A complete RND manual is thus presented, which is of key importance to operators deploying or upgrading LTE/LTE-A networks for two reasons. It is purely analytical, hence it enables fast results, a prime factor in the race undertaken. Moreover, it captures essential variables affecting network dimensions and manages conflicting targets to ensure user quality of experience, another major criterion in the competition. The described approach is compared to the traditional RND using a commercial LTE network planning tool. The outcome further dismisses the traditional RND for LTE due to unjustified increase in number of radio sites and related cost, and motivates further research in developing more effective and novel RND procedures

Statistical Multiplexing and Traffic Shaping Games for Network Slicing

Next generation wireless architectures are expected to enable slices of shared wireless infrastructure which are customized to specific mobile operators/services. Given infrastructure costs and the stochastic nature of mobile services' spatial loads, it is highly desirable to achieve efficient statistical multiplexing amongst such slices. We study a simple dynamic resource sharing policy which allocates a 'share' of a pool of (distributed) resources to each slice-Share Constrained Proportionally Fair (SCPF). We give a characterization of SCPF's performance gains over static slicing and general processor sharing. We show that higher gains are obtained when a slice's spatial load is more 'imbalanced' than, and/or 'orthogonal' to, the aggregate network load, and that the overall gain across slices is positive. We then address the associated dimensioning problem. Under SCPF, traditional network dimensioning translates to a coupled share dimensioning problem, which characterizes the existence of a feasible share allocation given slices' expected loads and performance requirements. We provide a solution to robust share dimensioning for SCPF-based network slicing. Slices may wish to unilaterally manage their users' performance via admission control which maximizes their carried loads subject to performance requirements. We show this can be modeled as a 'traffic shaping' game with an achievable Nash equilibrium. Under high loads, the equilibrium is explicitly characterized, as are the gains in the carried load under SCPF vs. static slicing. Detailed simulations of a wireless infrastructure supporting multiple slices with heterogeneous mobile loads show the fidelity of our models and range of validity of our high load equilibrium analysis

Contribution to resource management in cellular access networks with limited backhaul capacity

La interfaz radio de los sistemas de comunicaciones móviles es normalmente considerada como la única limitación de capacidad en la red de acceso radio. Sin embargo, a medida que se van desplegando nuevas y más eficientes interfaces radio, y de que el tráfico de datos y multimedia va en aumento, existe la creciente preocupación de que la infraestructura de transporte (backhaul) de la red celular pueda convertirse en el cuello de botella en algunos escenarios. En este contexto, la tesis se centra en el desarrollo de técnicas de gestión de recursos que consideran de manera conjunta la gestión de recursos en la interfaz radio y el backhaul. Esto conduce a un nuevo paradigma donde los recursos del backhaul se consideran no sólo en la etapa de dimensionamiento, sino que además son incluidos en la problemática de gestión de recursos. Sobre esta base, el primer objetivo de la tesis consiste en evaluar los requerimientos de capacidad en las redes de acceso radio que usan IP como tecnología de transporte, de acuerdo a las recientes tendencias de la arquitectura de red. En particular, se analiza el impacto que tiene una solución de transporte basada en IP sobre la capacidad de transporte necesaria para satisfacer los requisitos de calidad de servicio en la red de acceso. La evaluación se realiza en el contexto de la red de acceso radio de UMTS, donde se proporciona una caracterización detallada de la interfaz Iub. El análisis de requerimientos de capacidad se lleva a cabo para dos diferentes escenarios: canales dedicados y canales de alta velocidad. Posteriormente, con el objetivo de aprovechar totalmente los recursos disponibles en el acceso radio y el backhaul, esta tesis propone un marco de gestión conjunta de recursos donde la idea principal consiste en incorporar las métricas de la red de transporte dentro del problema de gestión de recursos. A fin de evaluar los beneficios del marco de gestión de recursos propuesto, esta tesis se centra en la evaluación del problema de asignación de base, como estrategia para distribuir el tráfico entre las estaciones base en función de los niveles de carga tanto en la interfaz radio como en el backhaul. Este problema se analiza inicialmente considerando una red de acceso radio genérica, mediante la definición de un modelo analítico basado en cadenas de Markov. Dicho modelo permite calcular la ganancia de capacidad que puede alcanzar la estrategia de asignación de base propuesta. Posteriormente, el análisis de la estrategia propuesta se extiende considerando tecnologías específicas de acceso radio. En particular, en el contexto de redes WCDMA se desarrolla un algoritmo de asignación de base basado en simulatedannealing cuyo objetivo es maximizar una función de utilidad que refleja el grado de satisfacción de las asignaciones respecto los recursos radio y transporte. Finalmente, esta tesis aborda el diseño y evaluación de un algoritmo de asignación de base para los futuros sistemas de banda ancha basados en OFDMA. En este caso, el problema de asignación de base se modela como un problema de optimización mediante el uso de un marco de funciones de utilidad y funciones de coste de recursos. El problema planteado, que considera que existen restricciones de recursos tanto en la interfaz radio como en el backhaul, es mapeado a un problema de optimización conocido como Multiple-Choice Multidimensional Knapsack Problem (MMKP). Posteriormente, se desarrolla un algoritmo de asignación de base heurístico, el cual es evaluado y comparado con esquemas de asignación basados exclusivamente en criterios radio. El algoritmo concebido se basa en el uso de los multiplicadores de Lagrange y está diseñado para aprovechar de manera simultánea el balanceo de carga en la intefaz radio y el backhaul.Postprint (published version

The impact of cell site re-homing on the performance of umts core networks

Mobile operators currently prefer optimizing their radio networks via re-homing or cutting over the cell sites in 2G or 3G networks. The core network, as the parental part of radio network, is inevitably impacted by the re-homing in radio domain. This paper introduces the cell site re-homing in radio network and analyzes its impact on the performance of GSM/UMTS core network. The possible re-homing models are created and analyzed for core networks. The paper concludes that appropriate re-homing in radio domain, using correct algorithms, not only optimizes the radio network but also helps improve the QoS of the core network and saves the carriers' OPEX and CAPEX on their core networks.Comment: 14 Pages, IJNGN Journa

Optimization and Performance Analysis of High Speed Mobile Access Networks

The end-to-end performance evaluation of high speed broadband mobile access networks is the main focus of this work. Novel transport network adaptive flow control and enhanced congestion control algorithms are proposed, implemented, tested and validated using a comprehensive High speed packet Access (HSPA) system simulator. The simulation analysis confirms that the aforementioned algorithms are able to provide reliable and guaranteed services for both network operators and end users cost-effectively. Further, two novel analytical models one for congestion control and the other for the combined flow control and congestion control which are based on Markov chains are designed and developed to perform the aforementioned analysis efficiently compared to time consuming detailed system simulations. In addition, the effects of the Long Term Evolution (LTE) transport network (S1and X2 interfaces) on the end user performance are investigated and analysed by introducing a novel comprehensive MAC scheduling scheme and a novel transport service differentiation model

Influence of various application types on the performance of LTE mobile networks

Modern mobile internet networks are becoming heavier and denser. Also it is not regularly planned, and becoming more heterogeneous. The explosive growth in the usage of smartphones poses numerous challenges for LTE cellular networks design and implementation. The performance of LTE networks with bursty and self-similar traffic has become a major challenge. Accurate modeling of the data generated by each connected wireless device is important for properly investigating the performance of LTE networks. This paper presents a mathematical model for LTE networks using queuing theory considering the influence of various application types. Using sporadic source traffic feeding to the queue of the evolved node B and with the exponential service time assumption, we construct a queuing model to estimate the performance of LTE networks. We use the performance model presented in this paper to study the influence of various application categories on the performance of LTE cellular networks. Also we validate our model with simulation using NS3 simulator with different scenarios