Smart Antenna Systems Model Simulation Design for 5G Wireless Network Systems

The most recent antenna array technologies such as smart antenna systems (SAS) and massive multiple input multiple output (MIMO) systems are giving a strong increasing impact relative to 5G wireless communication systems due to benefits that they could introduce in terms of performance improvements with respect to omnidirectional antennas. Although a considerable number of theoretical proposals already exist in this field, the most common used network simulators do not implement the latest wireless network standards and, consequently, they do not offer the possibility to emulate scenarios in which SAS or massive MIMO systems are employed. This aspect heavily affects the quality of the network performance analysis with regard to the next generation wireless communication systems. To overcome this issue, it is possible, for example, to extend the default features offered by one of the most used network simulators such as Omnet++ which provides a very complete suite of network protocols and patterns that can be adapted in order to support the latest antenna array systems. The main goal of the present chapter is to illustrate the improvements accomplished in this field allowing to enhance the basic functionalities of the Omnet++ simulator by implementing the most modern antenna array technologies

Supporting 5G Wireless Networks Through IEEE802.11ac Standard With New Massive MIMO Antenna System Module Design in Omnet++ Simulator

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Optimización de problemas de varios objetivos desde un enfoque de eficiencia energética aplicado a redes celulares heterogéneas 5G usando un marco de conmutación de celdas pequeñas

This Ph.D. dissertation addresses the Many-Objective Optimization Problem (MaOP) study to reduce the inter-cell interference and the power consumption for realistic Centralized, Collaborative, Cloud, and Clean Radio Access Networks (C-RANs). It uses the Cell Switch-Off (CSO) scheme to switch-off/on Remote Radio Units (RRUs) and the Coordinated Scheduling (CS) technique to allocate resource blocks smartly. The EF1-NSGA-III (It is a variation of the NSGA-III algorithm that uses the front 1 to find extreme points at the normalization procedure extended in this thesis) algorithm is employed to solve a proposed Many-Objective Optimization Problem (MaOP). It is composed of four objective functions, four constraints, and two decision variables. However, the above problem is redefined to have three objective functions to see the performance comparison between the NSGA-II and EF1-NSGA-III algorithms. The OpenAirInterface (OAI) platform is used to evaluate and validate the performance of an indoor coverage system because most of the user-end equipment of next-generation cellular networks will be in an indoor environment. It constitutes the fastest growing 5G open-source platform that implements 3GPP technology on general-purpose computers, fast Ethernet transport ports, and Commercial-Off-The-Shelf (COTS) software-defined radio hardware. This document is composed of five contributions. The first one is a survey about testbed, emulators, and simulators for 4G/5G cellular networks. The second one is the extension of the KanGAL's NSGA-II code to implement the EF1-NSGA-III, adaptive EF1-NSGA-III (A-EF1-NSGA-III), and efficient adaptive EF1-NSGA-III (A$^2$-EF1-NSGA-III). They support up to 10 objective functions, manage real, integer, and binary decision variables, and many constraints. The above algorithms outperform other works in terms of the Inverted Generational Distance (IGD) metric. The third contribution is the implementation of real-time emulation methodologies for C-RANs using a frequency domain representation in OAI. It improves the average computation time 10-fold compared to the time domain without using Radio Frequency hardware and avoids their uncertainties. The fourth one is the implementation of the Coordination Scheduling (CS) technique as a proof-of-concept to validate the advantages of frequency domain methodologies and to allocate resource blocks dynamically among RRUs. Finally, a many-objective optimization problem is defined and solved with evolutionary algorithms where diversity is managed based on crowded-distance and reference points to reduce the power consumption for C-RANs. The solutions obtained are considered to control the scheduling task at the Radio Cloud Center (RCC) and to switch RRUs.Este disertación aborda el estudio del problema de optimización de varios objetivos (MaOP) para reducir la interferencia entre células y el consumo de energía para redes de acceso de radio en tiempo real, colaborativas, en la nube y limpias (C-RAN). Utiliza el esquema de conmutacion de celdas (CSO) para apagar / encender unidades de radio remotas (RRU) y la técnica de programación coordinada (CS) para asignar bloques de recursos de manera inteligente. El algoritmo EF1-NSGA-III (es una variación del algoritmo NSGA-III que usa el primer frente de pareto para encontrar puntos extremos en el procedimiento de normalización extendido en esta tesis) se utiliza para resolver un problema de optimización de varios objetivos (MaOP) propuesto. Se compone de cuatro funciones objetivos, cuatro restricciones y dos variables de decisión. Sin embargo, el problema anterior se redefine para tener tres funciones objetivas para ver la comparación de rendimiento entre los algoritmos NSGA-II y EF1-NSGA-III. La plataforma OpenAirInterface (OAI) se utiliza para evaluar y validar el rendimiento de un sistema de cobertura en interiores porque la mayoría del equipos móviles de las redes celulares de próxima generación estarán en un entorno interior. Ella constituye la plataforma de código abierto 5G de más rápido crecimiento que implementa la tecnología 3GPP en computadoras de uso general, puertos de transporte Ethernet rápidos y hardware de radio definido por software comercial (COTS). Este documento se compone de cinco contribuciones. La primera es una estudio sobre banco de pruebas, emuladores y simuladores para redes celulares 4G / 5G. El segundo es la extensión del código NSGA-II de KanGAL para implementar EF1-NSGA-III, EF1-NSGA-III adaptativo (A-EF1-NSGA-III) y EF1-NSGA-III adaptativo eficiente (A $^ 2$ -EF1-NSGA-III). Admiten hasta 10 funciones objetivas, gestionan variables de decisión reales, enteras y binarias, y muchas restricciones. Los algoritmos anteriores superan a otros trabajos en términos de la métrica de distancia generacional invertida (IGD). La tercera contribución es la implementación de metodologías de emulación en tiempo real para C-RAN utilizando una representación de dominio de frecuencia en OAI. Mejora el tiempo de cálculo promedio 10 veces en comparación con el dominio del tiempo sin usar hardware de radiofrecuencia y evita sus incertidumbres. El cuarto es la implementación de la técnica de Programación de Coordinación (CS) como prueba de concepto para validar las ventajas de las metodologías de dominio de frecuencia y asignar bloques de recursos dinámicamente entre las RRU. Finalmente, un problema de optimización de muchos objetivos se define y resuelve con algoritmos evolutivos en los que la diversidad se gestiona en función de la distancia de crouding y los puntos de referencia para reducir el consumo de energía de las C-RAN. Las soluciones obtenidas controlan la tarea de programación en Radio Cloud Center (RCC) y conmutan las RRU.Proyecto personal: Redes celulares de próxima generaciónDoctorad

Contributions to IEEE 802.11-based long range communications

The most essential part of the Internet of Things (IoT) infrastructure is the wireless communication system that acts as a bridge for the delivery of data and control messages between the connected things and the Internet. Since the conception of the IoT, a large number of promising applications and technologies have been developed, which will change different aspects in our daily life. However, the existing wireless technologies lack the ability to support a huge amount of data exchange from many battery-driven devices, spread over a wide area. In order to support the IoT paradigm, IEEE 802.11ah is an Internet of Things enabling technology, where the efficient management of thousands of devices is a key function. This is one of the most promising and appealing standards, which aims to bridge the gap between traditional mobile networks and the demands of the IoT. To this aim, IEEE 802.11ah provides the Restricted Access Window (RAW) mechanism, which reduces contention by enabling transmissions for small groups of stations. Optimal grouping of RAW stations requires an evaluation of many possible configurations. In this thesis, we first discuss the main PHY and MAC layer amendments proposed for IEEE 802.11ah. Furthermore, we investigate the operability of IEEE 802.11ah as a backhaul link to connect devices over possibly long distances. Additionally, we compare the aforementioned standard with previous notable IEEE 802.11 amendments (i.e. IEEE 802.11n and IEEE 802.11ac) in terms of throughput (with and without frame aggregation) by utilizing the most robust modulation schemes. The results show an improved performance of IEEE 802.11ah (in terms of power received at long range while experiencing different packet error rates) as compared to previous IEEE 802.11 standards. Additionally, we expose the capabilities of future IEEE 802.11ah in supporting different IoT applications. In addition, we provide a brief overview of the technology contenders that are competing to cover the IoT communications framework. Numerical results are presented showing how the future IEEE 802.11ah specification offers the features required by IoT communications, thus putting forward IEEE 802.11ah as a technology to cater the needs of the Internet of Things paradigm. Finally, we propose an analytical model (named e-model) that provides an evaluation of the RAW onfiguration performance, allowing a fast adaptation of RAW grouping policies, in accordance to varying channel conditions. We base the e-model in known saturation models, which we adapted to include the IEEE 802.11ah’s PHY and MAC layer modifications and to support different bit rate and packet sizes. As a proof of concept, we use the proposed model to compare the performance of different grouping strategies,showing that the e-model is a useful analysis tool in RAW-enabled scenarios. We validate the model with existing IEEE 802.11ah implementation for ns-3.La clave del concepto Internet de las cosas (IoT) es que utiliza un sistema de comunicación inalámbrica, el cual actúa como puente para la entrega de datos y mensajes de control entre las "cosas" conectadas y el Internet. Desde la concepción del IoT, se han desarrollado gran cantidad de aplicaciones y tecnologías prometedoras que cambiarán distintos aspectos de nuestra vida diaria.Sin embargo, las tecnologías de redes computacionales inalámbricas existentes carecen de la capacidad de soportar las características del IoT, como las grandes cantidades de envío y recepción de datos desde múltiples dispositivos distribuidos en un área amplia, donde los dispositivos IoT funcionan con baterías. Para respaldar el paradigma del IoT, IEEE 802.11ah, la cual es una tecnología habilitadora del Internet de las cosas, para el cual la gestión eficiente de miles de dispositivos es una función clave. IEEE 802.11ah es uno de los estándares más prometedores y atractivos, desde su concepción orientada para IoT, su objetivo principal es cerrar la brecha entre las redes móviles tradicionales y la demandada por el IoT. Con este objetivo en mente, IEEE 802.11ah incluye entre sus características especificas el mecanismo de ventana de acceso restringido (RAW, por sus siglas en ingles), el cual define un nuevo período de acceso al canal libre de contención, reduciendo la misma al permitir transmisiones para pequeños grupos de estaciones. Nótese que para obtener una agrupación óptima de estaciones RAW, se requiere una evaluación de las distintas configuraciones posibles. En esta tesis, primero discutimos las principales mejoras de las capas PHY y MAC propuestas para IEEE 802.11ah. Además, investigamos la operatividad de IEEE 802.11ah como enlace de backhaul para conectar dispositivos a distancias largas. También, comparamos el estándar antes mencionado con las notables especificaciones IEEE 802.11 anteriores (es decir, IEEE 802.11n y IEEE 802.11ac), en términos de rendimiento (incluyendo y excluyendo la agregación de tramas de datos) y utilizando los esquemas de modulación más robustos. Los resultados muestran mejores resultados en cuanto al rendimiento de IEEE 802.11ah (en términos de potencia recibida a largo alcance, mientras se experimentan diferentes tasas de error de paquetes de datos) en comparación con los estándares IEEE 802.11 anteriores.Además, exponemos las capacidades de IEEE 802.11ah para admitir diferentes aplicaciones de IoT. A su vez, proporcionamos una descripción general de los competidores tecnológicos, los cuales contienden para cubrir el marco de comunicaciones IoT. También se presentan resultados numéricos que muestran cómo la especificación IEEE 802.11ah ofrece las características requeridas por las comunicaciones IoT, presentando así a IEEE 802.11ah como una tecnología que puede satisfacer las necesidades del paradigma de Internet de las cosas.Finalmente, proponemos un modelo analítico (denominado e-model) que proporciona una evaluación del rendimiento utilizando la característica RAW con múltiples configuraciones, el cual permite una rápida adaptación de las políticas de agrupación RAW, de acuerdo con las diferentes condiciones del canal de comunicación. Basamos el e-model en modelos de saturación conocidos, que adaptamos para incluir las modificaciones de la capa MAC y PHY de IEEE 802.11ah y para poder admitir diferentes velocidades de transmisión de datos y tamaños de paquetes. Como prueba de concepto, utilizamos el modelo propuesto para comparar el desempeño de diferentes estrategias de agrupación, mostrando que el e-model es una herramienta de análisis útil en escenarios habilitados para RAW. Cabe mencionar que también validamos el modelo con la implementación IEEE 802.11ah existente para ns-3

Enhanced Mobile Networking using Multi-connectivity and Packet Duplication in Next-Generation Cellular Networks

Modern cellular communication systems need to handle an enormous number of users and large amounts of data, including both users as well as system-oriented data. 5G is the fifth-generation mobile network and a new global wireless standard that follows 4G/LTE networks. The uptake of 5G is expected to be faster than any previous cellular generation, with high expectations of its future impact on the global economy. The next-generation 5G networks are designed to be flexible enough to adapt to modern use cases and be highly modular such that operators would have the flexibility to provide selective features based on user demand that could be implemented without investment in additional infrastructure. Thus, the underlying cellular network that is capable of delivering these expectations must be able to handle high data rates with low latency and ultra-reliability to fulfill these growing needs. Communication in the sub-6 GHz range cannot provide high throughputs due to the scarcity of spectrum in these bands. Using frequencies in FR2 or millimeter wave (mmWave) range for communication can provide large data rates and cover densely populated areas, but only over short distances as they are susceptible to blockages. This is why dense deployments of mmWave base stations are being considered to achieve very high data rates. But, such architectures lack the reliability needed to support many V2X applications, especially under mobility scenarios. As we have discussed earlier, 5G and beyond 5G networks must also account for UE\u27s mobility as they are expected to maintain their level of performance under different mobility scenarios and perform better than traditional networks. Although 5G technology has developed significantly in recent years, there still exists a critical gap in understanding how all these technologies would perform under mobility. There is a need to analyze and identify issues that arise with mobility and come up with solutions to overcome these hurdles without compromising the performance of these networks. Multi-connectivity (MC) refers to simultaneous connectivity with multiple radio access technologies or bands and potentially represents an important solution for the ongoing 5G deployments towards improving their performance. To address the network issues that come with mobility and fill that gap, this dissertation investigates the impact of multi-connectivity on next-generation networks from three distinct perspectives, 1) mobility enhancement using multi-connectivity in 5G networks, 2) improving reliability in mobility scenarios using multi-Connectivity with packet duplication, and 3) single grant multiple uplink scheme for performance improvement in mobility scenarios. The traditional macro-cell architecture of cellular networks that cover large geographical areas will struggle to deliver the dense coverage, low latency, and high bandwidth required by some 5G applications. Thus, 5G networks must utilize ultra-dense deployment of access points operating at higher mmWave frequency bands. But, for such dense networks, user mobility could be particularly challenging as it would reduce network efficiency and user-perceived service quality due to frequent handoffs. Multi-connectivity is seen as a key enabler in improving the performance of these next-generation networks. It enhances the system performance by providing multiple simultaneous links between the user equipment (UE) and the base stations (BS) for data transfer. Also, it eliminates the time needed to deal with frequent handoffs, link establishment, etc. Balancing the trade-offs among handoff rate, service delay, and achievable coverage/data rate in heterogeneous, dense, and diverse 5G cellular networks is, therefore, an open challenge. Hence, in this dissertation, we analyze how mobility impacts the performance of current Ultra-dense mmWave network (UDN) architecture in a city environment and discuss improvements for reducing the impact of mobility to meet 5G specifications using multi-connectivity. Current handover protocols, by design, suffer from interruption even if they are successful and, at the same time, carry the risk of failures during execution. The next-generation wireless networks, like 5G New Radio, introduce even stricter requirements that cannot be fulfilled with the traditional hard handover concept. Another expectation from these services is extreme reliability that will not tolerate any mobility-related failures. Thus, in this dissertation, we explore a novel technique using packet duplication and evaluate its performance under various mobility scenarios. We study how packet duplication can be used to meet the stringent reliability and latency requirements of modern cellular networks as data packets are duplicated and transmitted concurrently over two independent links. The idea is to generate multiple instances (duplicates) of a packet and transmit them simultaneously over different uncorrelated channels with the aim of reducing the packet failure probability. We also propose enhancements to the packet duplication feature to improve radio resource utilization. The wide variety of use cases in the 5G greatly differs from the use cases considered during the design of third-generation (3G) and fourth-generation (4G) long-term evolution (LTE) networks. Applications like autonomous driving, IoT applications, live video, etc., are much more uplink intensive as compared to traditional applications. However, the uplink performance is often, by design, lower than the downlink; hence, 5G must improve uplink performance. Hence, to meet the expected performance levels, there is a need to explore flexible network architectures for 5G networks. In this work, we propose a novel uplink scheme where the UE performs only a single transmission on a common channel, and every base station that can receive this signal would accept and process it. In our proposed architecture, a UE is connected to multiple mmWave capable distributed units (DUs), which are connected to a single gNB-central unit. In an ultra-dense deployment with multiple mmWave base stations around the UE, this removes the need to perform frequent handovers and allows high mobility with reduced latency. We develop and evaluate the performance of such a system for high throughput and reliable low latency communication under various mobility scenarios. To study the impact of mobility on next-generation networks, this work develops and systematically analyzes the performance of the 5G networks under mobility. We also look into the effect of increasing the number of users being served on the network. As a result, these studies are intended to understand better the network requirements for handling mobility and network load with multi-connectivity. This dissertation aims to achieve clarity and also proposes solutions for resolving these real-world network mobility issues

Open Platforms for Connected Vehicles

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

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

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

Optimisation of Traffic Steering for Heterogeneous Mobile Networks

Mobile networks have changed from circuit switched to IP-based mobile wireless packet switched networks. This paradigm shift led to new possibilities and challenges. The development of new capabilities based on IP-based networks is ongoing and raises new problems that have to be tackled, for example, the heterogeneity of current radio access networks and the wide range of data rates, coupled with user requirements and behaviour. A typical example of this shift is the nature of traffic, which is currently mostly data-based; further, forecasts based on market and usage trends indicate a data traffic increase of nearly 11 times between 2013 and 2018. The majority of this data traffic is predicted to be multimedia traffic, such as video streaming and live video streaming combined with voice traffic, all prone to delay, jitter, and packet loss and demanding high data rates and a high Quality of Service (QoS) to enable the provision of valuable service to the end-user. While the demands on the network are increasing, the end-user devices become more mobile and end-user demand for the capability of being always on, anytime and anywhere. The combination of end-user devices mobility, the required services, and the significant traffic loads generated by all the end-users leads to a pressing demand for adequate measures to enable the fulfilment of these requirements. The aim of this research is to propose an architecture which provides smart, intelligent and per end-user device individualised traffic steering for heterogeneous mobile networks to cope with the traffic volume and to fulfil the new requirements on QoS, mobility, and real-time capabilities. The proposed architecture provides traffic steering mechanisms based on individual context data per end-user device enabling the generation of individual commands and recommendations. In order to provide valuable services for the end-user, the commands and recommendations are distributed to the end-user devices in real-time. The proposed architecture does not require any proprietary protocols to facilitate its integration into the existing network infrastructure of a mobile network operator. The proposed architecture has been evaluated through a number of use cases. A proof-of-concept of the proposed architecture, including its core functionality, was implemented using the ns-3 network simulator. The simulation results have shown that the proposed architecture achieves improvements for traffic steering including traffic offload and handover. Further use cases have demonstrated that it is possible to achieve benefits in multiple other areas, such as for example improving the energy efficiency, improving frequency interference management, and providing additional or more accurate data to 3rd party to improve their services

Journal of Telecommunications and Information Technology, 2019, nr 1

kwartalni

XIII Jornadas de ingeniería telemática (JITEL 2017)

Las Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL), organizadas por la Asociación de Telemática (ATEL), constituyen un foro propicio de reunión, debate y divulgación para los grupos que imparten docencia e investigan en temas relacionados con las redes y los servicios telemáticos. Con la organización de este evento se pretende fomentar, por un lado el intercambio de experiencias y resultados, además de la comunicación y cooperación entre los grupos de investigación que trabajan en temas relacionados con la telemática. En paralelo a las tradicionales sesiones que caracterizan los congresos científicos, se desea potenciar actividades más abiertas, que estimulen el intercambio de ideas entre los investigadores experimentados y los noveles, así como la creación de vínculos y puntos de encuentro entre los diferentes grupos o equipos de investigación. Para ello, además de invitar a personas relevantes en los campos correspondientes, se van a incluir sesiones de presentación y debate de las líneas y proyectos activos de los mencionados equiposLloret Mauri, J.; Casares Giner, V. (2018). XIII Jornadas de ingeniería telemática (JITEL 2017). Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/97612EDITORIA