Advanced Technologies Enabling Unlicensed Spectrum Utilization in Cellular Networks

As the rapid progress and pleasant experience of Internet-based services, there is an increasing demand for high data rate in wireless communications systems. Unlicensed spectrum utilization in Long Term Evolution (LTE) networks is a promising technique to meet the massive traffic demand. There are two effective methods to use unlicensed bands for delivering LTE traffic. One is offloading LTE traffic toWi-Fi. An alternative method is LTE-unlicensed (LTE-U), which aims to directly use LTE protocols and infrastructures over the unlicensed spectrum. It has also been pointed out that addressing the above two methods simultaneously could further improve the system performance. However, how to avoid severe performance degradation of the Wi-Fi network is a challenging issue of utilizing unlicensed spectrum in LTE networks. Specifically, first, the inter-system spectrum sharing, or, more specifically, the coexistence of LTE andWi-Fi in the same unlicensed spectrum is the major challenge of implementing LTE-U. Second, to use the LTE and Wi-Fi integration approach, mobile operators have to manage two disparate networks in licensed and unlicensed spectrum. Third, optimization for joint data offloading to Wi-Fi and LTE-U in multi- cell scenarios poses more challenges because inter-cell interference must be addressed. This thesis focuses on solving problems related to these challenges. First, the effect of bursty traffic in an LTE and Wi-Fi aggregation (LWA)-enabled network has been investigated. To enhance resource efficiency, the Wi-Fi access point (AP) is designed to operate in both the native mode and the LWA mode simultaneously. Specifically, the LWA-modeWi-Fi AP cooperates with the LTE base station (BS) to transmit bearers to the LWA user, which aggregates packets from both LTE and Wi-Fi. The native-mode Wi-Fi AP transmits Wi-Fi packets to those native Wi-Fi users that are not with LWA capability. This thesis proposes a priority-based Wi-Fi transmission scheme with congestion control and studied the throughput of the native Wi-Fi network, as well as the LWA user delay when the native Wi-Fi user is under heavy traffic conditions. The results provide fundamental insights in the throughput and delay behavior of the considered network. Second, the above work has been extended to larger topologies. A stochastic geometry model has been used to model and analyze the performance of an MPTCP Proxy-based LWA network with intra-tier and cross-tier dependence. Under the considered network model and the activation conditions of LWA-mode Wi-Fi, this thesis has obtained three approximations for the density of active LWA-mode Wi-Fi APs through different approaches. Tractable analysis is provided for the downlink (DL) performance evaluation of large-scale LWA networks. The impact of different parameters on the network performance have been analyzed, validating the significant gain of using LWA in terms of boosted data rate and improved spectrum reuse. Third, this thesis also takes a significant step of analyzing joint multi-cell LTE-U and Wi-Fi network, while taking into account different LTE-U and Wi-Fi inter-working schemes. In particular, two technologies enabling data offloading from LTE to Wi-Fi are considered, including LWA and Wi-Fi offloading in the context of the power gain-based user offloading scheme. The LTE cells in this work are subject to load-coupling due to inter-cell interference. New system frameworks for maximizing the demand scaling factor for all users in both Wi-Fi and multi-cell LTE networks have been proposed. The potential of networks is explored in achieving optimal capacity with arbitrary topologies, accounting for both resource limits and inter-cell interference. Theoretical analyses have been proposed for the proposed optimization problems, resulting in algorithms that achieve global optimality. Numerical results show the algorithms’ effectiveness and benefits of joint use of data offloading and the direct use of LTE over the unlicensed band. All the derived results in this thesis have been validated by Monte Carlo simulations in Matlab, and the conclusions observed from the results can provide guidelines for the future unlicensed spectrum utilization in LTE networks

Markov Decision Processes with Applications in Wireless Sensor Networks: A Survey

Wireless sensor networks (WSNs) consist of autonomous and resource-limited devices. The devices cooperate to monitor one or more physical phenomena within an area of interest. WSNs operate as stochastic systems because of randomness in the monitored environments. For long service time and low maintenance cost, WSNs require adaptive and robust methods to address data exchange, topology formulation, resource and power optimization, sensing coverage and object detection, and security challenges. In these problems, sensor nodes are to make optimized decisions from a set of accessible strategies to achieve design goals. This survey reviews numerous applications of the Markov decision process (MDP) framework, a powerful decision-making tool to develop adaptive algorithms and protocols for WSNs. Furthermore, various solution methods are discussed and compared to serve as a guide for using MDPs in WSNs

Radio network management in cognitive LTE-Femtocell Systems

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University London.There is a strong uptake of femtocell deployment as small cell application platforms in the upcoming LTE networks. In such two-tier networks of LTEfemtocell base stations, a large portion of the assigned spectrum is used sporadically leading to underutilisation of valuable frequency resources. Novel spectrum access techniques are necessary to solve these current spectrum inefficiency problems. Therefore, spectrum management solutions should have the features to improve spectrum access in both temporal and spatial manner. Cognitive Radio (CR) with the Dynamic Spectrum Access (DSA) is considered to be the key technology in this research in order to increase the spectrum efficiency. This is an effective solution to allow a group of Secondary Users (SUs) to share the radio spectrum initially allocated to the Primary User (PUs) at no interference. The core aim of this thesis is to develop new cognitive LTE-femtocell systems that offer a 4G vision, to facilitate the radio network management in order to increase the network capacity and further improve spectrum access probabilities. In this thesis, a new spectrum management model for cognitive radio networks is considered to enable a seamless integration of multi-access technology with existing networks. This involves the design of efficient resource allocation algorithms that are able to respond to the rapid changes in the dynamic wireless environment and primary users activities. Throughout this thesis a variety of network upgraded functions are developed using application simulation scenarios. Therefore, the proposed algorithms, mechanisms, methods, and system models are not restricted in the considered networks, but rather have a wider applicability to be used in other technologies. This thesis mainly investigates three aspects of research issues relating to the efficient management of cognitive networks: First, novel spectrum resource management modules are proposed to maximise the spectrum access by rapidly detecting the available transmission opportunities. Secondly, a developed pilot power controlling algorithm is introduced to minimise the power consumption by considering mobile position and application requirements. Also, there is investigation on the impact of deploying different numbers of femtocell base stations in LTE domain to identify the optimum cell size for future networks. Finally, a novel call admission control mechanism for mobility management is proposed to support seamless handover between LTE and femtocell domains. This is performed by assigning high speed mobile users to the LTE system to avoid unnecessary handovers. The proposed solutions were examined by simulation and numerical analysis to show the strength of cognitive femtocell deployment for the required applications. The results show that the new system design based on cognitive radio configuration enable an efficient resource management in terms of spectrum allocation, adaptive pilot power control, and mobile handover. The proposed framework and algorithms offer a novel spectrum management for self organised LTE-femtocell architecture. Eventually, this research shows that certain architectures fulfilling spectrum management requirements are implementable in practice and display good performance in dynamic wireless environments which recommends the consideration of CR systems in LTE and femtocell networks

Connectivity Management for HetNets based on the Principles of Autonomicity and Context-Awareness

Στο περιβάλλον του Διαδικτύου του Μέλλοντος, η Πέμπτη γενιά (5G) δικτύων έχει ήδη αρχίσει να καθιερώνεται. Τα δίκτυα 5G αξιοποιούν υψηλότερες συχνότητες παρέχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ενώ υποστηρίζουν εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα σε σταθμούς βάσης και κινητές συσκευές, σχηματίζοντας ένα περιβάλλον ετερογενών δικτύων, το οποίο στοχεύει στο να καλυφθούν οι απαιτήσεις της απόδοσης ως προς την μικρότερη δυνατή συνολική χρονοκαθυστέρηση και κατανάλωση ενέργειας. Η αποδοτική διαχείριση της συνδεσιμότητας σε ένα τόσο ετερογενές δικτυακό περιβάλλον αποτελεί ανοιχτό πρόβλημα, με σκοπό να υποστηρίζεται η κινητικότητα των χρηστών σε δίκτυα διαφορετικών τεχνολογιών και βαθμίδων, αντιμετωπίζοντας θέματα πολυπλοκότητας και διαλειτουργικότητας, υποστηρίζοντας τις απαιτήσεις των τρεχουσών εφαρμογών και των προτιμήσεων των χρηστών και διαχειρίζοντας ταυτόχρονα πολλαπλές δικτυακές διεπαφές. Η συλλογή, η μοντελοποίηση, η διεξαγωγή συμπερασμάτων και η κατανομή πληροφορίας περιεχομένου σε σχέση με δεδομένα αισθητήρων θα παίξουν κρίσιμο ρόλο σε αυτήν την πρόκληση. Με βάση τα παραπάνω, κρίνεται σκόπιμη η αξιοποίηση των αρχών της επίγνωσης περιεχομένου και της αυτονομικότητας, καθώς επιτρέπουν στις δικτυακές οντότητες να είναι ενήμερες του εαυτού τους και του περιβάλλοντός τους, καθώς και να αυτοδιαχειρίζονται τις λειτουργίες τους ώστε να πετυχαίνουν συγκεκριμένους στόχους. Επιπλέον, χρειάζεται ακριβής ποσοτική αξιολόγηση της απόδοσης λύσεων διαχείρισης της συνδεσιμότητας για ετερογενή δίκτυα, οι οποίες παρουσιάζουν διαφορετικές στρατηγικές επίγνωσης περιβάλλοντος, απαιτώντας μια μεθοδολογία που να είναι περιεκτική και γενικά εφαρμόσιμη ώστε να καλύπτει διαφορετικές προσεγγίσεις, καθώς οι υπάρχουσες μεθοδολογίες στην βιβλιογραφία είναι σχετικά περιορισμένες. Tο σύνολο της μελέτης επικεντρώνεται σε δύο θεματικούς άξονες. Στο πρώτο θεματικό μέρος της διατριβής, αναλύεται ο ρόλος της επίγνωσης περιβάλλοντος και της αυτονομικότητας, σε σχέση με την διαχείριση της συνδεσιμότητας, αναπτύσσοντας ένα πλαίσιο ταξινόμησης και κατηγοριοποίησης, επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Με βάση το προαναφερθέν πλαίσιο, ταξινομήθηκαν και αξιολογήθηκαν λύσεις για την υποστήριξη της κινητικότητας σε ετερογενή δίκτυα, οι οποίες δύνανται να θεωρηθούν ότι παρουσιάζουν επίγνωση περιβάλλοντος και αυτο-διαχειριστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, μελετήθηκε κατά πόσον οι αποφάσεις που λαμβάνονται ως προς την επιλογή του κατάλληλου δικτύου, σύμφωνα με την κάθε λύση, είναι αποτελεσματικές και προτάθηκαν τρόποι βελτιστοποίησης των υπαρχουσών αρχιτεκτονικών, καθώς και προτάσεων προς περαιτέρω ανάπτυξη σχετικών μελλοντικών λύσεων. Στο δεύτερο θεματικό μέρος της διατριβής, αναπτύχθηκε μια ευέλικτη αναλυτική μεθοδολογία, περιλαμβάνοντας όλους τους παράγοντες που μπορούν να συνεισφέρουν στην συνολική χρονοκαθυστέρηση, λαμβάνοντας υπόψιν την σηματοδοσία, την επεξεργαστική επιβάρυνση και την συμφόρηση (μελέτη ουράς), επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Η μεθοδολογία είναι περιεκτική, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει κλειστού τύπου λύσεις και έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται σε διαφορετικές προσεγγίσεις. Προς απόδειξη αυτού, εφαρμόσαμε την μεθοδολογία σε δύο λύσεις με διαφορετική στρατηγική επίγνωσης περιβάλλοντος (μια μεταδραστική και μια προδραστική). Και για τις δύο προσεγγίσεις, τα αναλυτικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια της αναλυτικής μεθοδολογίας. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η προδραστική προσέγγιση εμφανίζει καλύτερη απόδοση ως προς την συνολική χρονοκαθυστέρηση, ενώ χρειάζεται σημαντικά λιγότερους επεξεργαστικούς πόρους, παρουσιάζοντας πιθανά οφέλη και στην συνολική ενεργειακή κατανάλωση και στα λειτουργικά και κεφαλαιουχικά κόστη (OPEX και CAPEX)