Measurement techniques enhancements for MIMO 4G mobile communication systems. extension of mode stirred reverberation chambers (MSRCs) emulation capabilities

[ENG] Mobile communications have experienced a brutal raise over the past 15 years. What started as a voice communication system (GSM or 2G) has finished yet as a data communication system of any kind, which in some cases has come to replace the conventional cabled data access infrastructure. This change in the use given to mobile devices necessarily entails a change in the underlying technology, which should be capable to provide the transmission speeds that these new applications require. This has emerged in recent years an increasing interest in multiple antenna techniques, usually referred as multiple-input multiple-output (MIMO) techniques, as they increase the spectral efficiency (and thus the transmission rate for a given bandwidth) of wireless systems. In this thesis, some of the factors limiting the ideal advantages of these multiantenna techniques are studied, in order to quantify the differences between the ideal behavior of 4G devices and behavior that users will experience in actual use conditions. The effect that the user has on the final performance of the devices is one of the main limitations that these devices are in daily use. Mobile phones are used almost all the time in the vicinity of the user, causing a decrease in the richness of the multipath electromagnetic environment (and thus a reduction of the MIMO benefits). As a result of this reduction, the number of signal paths that reach the user is also reduced. In this thesis both factors (user influence and influence of the number of signal paths) will be studied both for passive devices (antenna prototypes) and active devices (commercial phones). The second part of this thesis consist on the study of how to transfer some of these factors reducing the isotropicity of the environment, to one of the most promising measurement techniques, as it is the mode-stirred reverberation chamber (MSRC). This technique emulates naturally an isotropic rich multipath environment with the signal strength following a Rayleigh distribution. However, in this thesis two new techniques are proposed that allow the emulation of less isotropic environments without altering the basic operating principle of the MSRC. [SPA] Las comunicaciones móviles han experimentado un aumento brutal en los últimos 15 años. Lo que comenzó como un sistema de comunicación de voz (GSM o 2G) ha terminado todavía como un sistema de comunicación de datos de cualquier tipo, que en algunos casos ha llegado a sustituir la infraestructura de cableado convencional de acceso a datos. Este cambio en el uso que se da a los dispositivos móviles implica necesariamente un cambio en la tecnología subyacente, que debe ser capaz de proporcionar las velocidades de transmisión que estas nuevas aplicaciones requieren. Esto se ha convertido en los últimos años un creciente interés en las técnicas de múltiples antenas, normalmente se conoce como técnicas de múltiple entrada y múltiple salida (MIMO), ya que aumentan la eficiencia espectral (y por lo tanto la velocidad de transmisión para un ancho de banda dado) de los sistemas inalámbricos. En esta tesis, algunos de los factores que limitan las ventajas ideales de estas técnicas de múltiples antenas son estudiados, con el fin de cuantificar las diferencias entre el comportamiento ideal de dispositivos 4G y comportamiento que los usuarios experimentarán en condiciones reales de uso. El efecto que el usuario tiene sobre el rendimiento final de los dispositivos es una de las principales limitaciones que estos dispositivos son de uso diario. Los teléfonos móviles se utilizan en casi todo el tiempo en la proximidad del usuario, causando una disminución en la riqueza del entorno electromagnético trayectos múltiples (y por tanto una reducción de los beneficios MIMO). Como resultado de esta reducción, el número de trayectorias de señal que llegan al usuario también se reduce. En esta tesis ambos factores (la influencia del usuario y la influencia del número de caminos de señal) se estudió tanto para dispositivos pasivos (prototipos de antenas) y los dispositivos activos (los teléfonos comerciales). La segunda parte de esta tesis consisten en el estudio de cómo transferir algunos de estos factores que reducen la isotropicity del medio ambiente, a una de las técnicas de medición más prometedores, como es la cámara de agitación de modos (MSRC). Esta técnica emula naturalmente un entorno isotrópico multipath rico con la intensidad de la señal después de una distribución de Rayleigh. Sin embargo, en esta tesis, dos nuevas técnicas que se proponen permitir la emulación de entornos isotrópicos menos sin alterar el principio de funcionamiento básico del MSRC.Universidad Politécnica de Cartagen

Wireless Communication Options for a Mobile Ultrasound System

A mobile ultrasound system has been developed, which makes ultrasound examinations possible in harsh environments without reliable power sources, such as ambulances, helicopters, war zones, and disaster sites. The goal of this project was to analyze three different wireless communication technologies that could be integrated into the ultrasound system for possible utilization in remote data applications where medical information may be transmitted from the mobile unit to some centralized base station, such as an emergency room or field hospital. By incorporating wireless telecommunication technology into the design, on site medical personnel can be assisted in diagnostic decisions by remote medical experts. The wireless options that have been tested include the IEEE 802.11g standard, mobile broadband cards on a 3G cellular network, and a mobile satellite terminal. Each technology was tested in two phases. In the first phase, a client/server application was developed to measure and record general information about the quality of each link. Four different types of tests were developed to measure channel properties such as data rate, latency, inter-arrival jitter, and packet loss using various signal strengths, packet sizes, network protocols, and traffic loads. In the second phase of testing, the H.264 Scalable Video Codec (SVC) was used to transmit real-time ultrasound video streams over each of the wireless links to observe the image quality as well as the diagnostic value of the received video stream. The information gathered during both testing phases revealed the abilities and limitations of the different wireless technologies. The results from the performance testing will be valuable in the future for those trying to develop network applications for telemedicine procedures over these wireless telecommunication options. Additionally, the testing demonstrated that the system is currently capable of using H.264 SVC compression to transmit VGA quality ultrasound video at 30 frames per second (fps) over 802.11g while QVGA resolution at frame rates between 10 and 15 fps is possible over 3G and satellite networks

A General Framework for Analyzing, Characterizing, and Implementing Spectrally Modulated, Spectrally Encoded Signals

Fourth generation (4G) communications will support many capabilities while providing universal, high speed access. One potential enabler for these capabilities is software defined radio (SDR). When controlled by cognitive radio (CR) principles, the required waveform diversity is achieved via a synergistic union called CR-based SDR. Research is rapidly progressing in SDR hardware and software venues, but current CR-based SDR research lacks the theoretical foundation and analytic framework to permit efficient implementation. This limitation is addressed here by introducing a general framework for analyzing, characterizing, and implementing spectrally modulated, spectrally encoded (SMSE) signals within CR-based SDR architectures. Given orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a 4G candidate signal, OFDM-based signals are collectively classified as SMSE since modulation and encoding are spectrally applied. The proposed framework provides analytic commonality and unification of SMSE signals. Applicability is first shown for candidate 4G signals, and resultant analytic expressions agree with published results. Implementability is then demonstrated in multiple coexistence scenarios via modeling and simulation to reinforce practical utility

Common Radio Resource Management: Joint Call Admission Control And Traffic Offloading Method

The concept of Common Radio Resource Management (CRRM) has been proposed by 3GPP in order to efficiently manage the common pool of radio resources that are available for each of the existing radio access technologies in the heterogeneous wireless networks (HWNs). The main challenge of CRRM for HWNs is to search the best connection for the demanded services, enabling calls transference from one interface to another seamlessly and utilizing the availability of all radio resources. Thus, this thesis proposes a joint call admission control (JCAC) and traffic offloading algorithms in the CRRM for an integrated cellular and mobile network. The contributions of this work are threefold. First, a user mobility model in the wireless overlay network is proposed

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