Advanced mobile network monitoring and automated optimization methods

The operation of mobile networks is a complex task with the networks serving a large amount of subscribers with both voice and data services, containing extensive sets of elements, generating extensive amounts of measurement data and being controlled by a large amount of parameters. The objective of this thesis was to ease the operation of mobile networks by introducing advanced monitoring and automated optimization methods. In the monitoring domain the thesis introduced visualization and anomaly detection methods that were applied to detect intrusions, mal-functioning network elements and cluster network elements to do parameter optimization on network-element-cluster level. A key component in the monitoring methods was the Self-Organizing Map. In the automated optimization domain several rule-based Wideband CDMA radio access parameter optimization methods were introduced. The methods tackled automated optimization in areas such as admission control, handover control and mobile base station cell size setting. The results from test usage of the monitoring methods indicated good performance and simulations indicated that the automated optimization methods enable significant improvements in mobile network performance. The presented methods constitute promising feature candidates for the mobile network management system.reviewe

Cooperative control of relay based cellular networks

PhDThe increasing popularity of wireless communications and the higher data requirements of new types of service lead to higher demands on wireless networks. Relay based cellular networks have been seen as an effective way to meet users’ increased data rate requirements while still retaining the benefits of a cellular structure. However, maximizing the probability of providing service and spectrum efficiency are still major challenges for network operators and engineers because of the heterogeneous traffic demands, hard-to-predict user movements and complex traffic models. In a mobile network, load balancing is recognised as an efficient way to increase the utilization of limited frequency spectrum at reasonable costs. Cooperative control based on geographic load balancing is employed to provide flexibility for relay based cellular networks and to respond to changes in the environment. According to the potential capability of existing antenna systems, adaptive radio frequency domain control in the physical layer is explored to provide coverage at the right place at the right time. This thesis proposes several effective and efficient approaches to improve spectrum efficiency using network wide optimization to coordinate the coverage offered by different network components according to the antenna models and relay station capability. The approaches include tilting of antenna sectors, changing the power of omni-directional antennas, and changing the assignment of relay stations to different base stations. Experiments show that the proposed approaches offer significant improvements and robustness in heterogeneous traffic scenarios and when the propagation environment changes. The issue of predicting the consequence of cooperative decisions regarding antenna configurations when applied in a realistic environment is described, and a coverage prediction model is proposed. The consequences of applying changes to the antenna configuration on handovers are analysed in detail. The performance evaluations are based on a system level simulator in the context of Mobile WiMAX technology, but the concepts apply more generally

Radio network planning and optimisation for WCDMA

The present thesis introduces the radio network planning process and optimisation for WCDMA (FDD mode), as defined by 3GPP. This thesis consists of three parts: modelling and tools for radio network planning, process for pre-operational network control and optimisation for the operational network. General challenges to face in 3G network control are based on the fact that many issues are interconnected and should be simultaneously considered, such as Planning means not only to meet current status and demands, but the solution should also comply with the future requirements by providing an acceptable development path. Traffic modelling is not only the question about the total amount of traffic growth, but also the question about the future service distribution and performance demands. All CDMA systems have a relation between capacity and coverage. Consequently, the network planning itself is not only based on propagation estimation but also on the interference situation in the network. Ideally, site selection consideration will be done based on the network analysis with planned load and traffic/service portfolio, taking possible co-siting constraints into account. Provision of multiple services and seamless management of at least two multiple access systems require rapid evolution of the management tools and processes. The network performance in terms of capacity, quality, and implementation and operational costs forms a multidimensional space. Operators' task will be to convert the business strategy to an operating point in the performance space in a cost efficient manner. The contribution of this thesis in terms of modelling and tools is as follows: Improvement of the accuracy of radio link budget by introducing power control headroom (also called fast fading margin). Improvement of loading equation by introducing a transmit power increase term. Development of theory and modelling for a planning tool capable of multi-service and multi-carrier interference, capacity and coverage analysis. Development and implementation an interface taking into account the true traffic distribution (not uniform) and terminal speed. In the area of pre-operational planning process the contribution of this thesis is as follows: Development of dimensioning methodology for multi-service network site density estimation, utilising the modelling of power control headroom, transmit power increase, soft handover and Eb/N0. Development of radio network planning process for multi-service environment including capacity and coverage evaluation for a given traffic mixture, quality and area requirements. Analysis of means to improve radio network performance with Mast Head Amplifier (MHA), diversity reception, sectorisation and proper antenna selection. In the area of optimisation of the operational network the contribution of this thesis is as follows: Definition for optimisation target in the case of 3G. The optimisation will be capacity-quality trade-off management instead of plain quality improvement process. Introduction of Self Organizing Map (SOM) in the analysis of cellular networks. Analysis of the applicability of SOM in WCDMA cellular network optimisation. Introduction of SOM based applications to support network capacity-quality trade-off management. It is worth noting that process and methods described in this work are not limited to 3G systems with WCDMA radio access technology, but they are applicable to other CDMA standards as well.reviewe

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

Desarrollo de un simulador celular a nivel de llamada para WCDMA

This article deals with the development of a cell simulator for WCDMA systems. The objective of this tool is to test the results of different algorithms for the cell radius calculation. This simulation tool is conceived on a call/connection level rather than on a packet level. This means that each user connection is considered as a single event independently of the type of service. The article also shows an independent tool for the cell radius calculation which results over different service scenarios are tested with the simulator. Finally the future enhancements of the simulator are presented

QoS management in UMTS terrestrial radio access FDD networks

This work investigates the role and importance of some of the key aspects of QoS planning, provisioning, monitoring and optimisation (QoS Management) for UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA) FDD networks within the framework of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Firstly, the differences between Quality of end user Experience (QoE) and Quality of Service (QoS) are explained. This is followed by a review of 3GPP requirements for QoS concept and architecture. Then all models and the main assumptions in this dissertation are presented. Based on these, original QoS mechanisms in the radio access network domain, means and methods for QoS provisioning, planning, monitoring and "optimisation" are discussed. Simulation results showed substantial spectral efficiency gains provided by service (or user) differentiation in UTRAN by means of priorities and differentiated parameter settings. When appropriately configured, the proposed QoS mechanisms can greatly reduce the need for bandwidth. Performance results proved also the proposed virtual time simulator to be an appropriate tool for service driven WCDMA radio interface dimensioning and detailed radio network planning. It is also shown that measuring QoS performance by a proper classification of counters (and or gauges), based on a particular subset of radio access bearer attributes, is a promising technique for assessing performances of service applications through WCDMA networks. With this new method there is no need to trace upper layer protocols at different interfaces or dumping data in mobile terminals. The proposed metrics allow operators to measure the bandwidth required for robust statistical reliability, to assess and exploit statistical sharing of resources, to configure QoS functions effectively, and to monitor QoE. The application of the proposed technique is not limited to the WCDMA Radio Network Subsystem (RNS), yet it can be deployed in any radio access and packet core network supporting mapping of performance indicators onto a particular subset of QoS attributes. Finally, in order to maximise the performance of the available services in UTRAN, at a given QoE, simulation results showed clear needs for the network administrator to adapt the parameter settings to diverse input application traffic conditions and the proposed genetic approach to be an appropriate solution space search algorithm for this purpose.reviewe

Dynamic Capacity Enhancement using a Smart Antenna in Mobile Telecommunications Networks

This work describes an investigation into the performance of antennas for mobile base station applications and techniques for improving the coverage and capacity within a base station cell. The work starts by tracing the development of mobile systems, both in technical and commercial terms, from the earliest analogue systems to present day broadband systems and includes anticipated future developments. This is followed by an outline of how smart antenna systems can be utilised to improve cell coverage and capacity. A novel smart antenna system incorporating an array of slant ± 450 dual- polarised stacked patch elements four columns wide excited by a novel multi-beam forming and beam shaping network has been designed, simulated and implemented. It is found that for an ideal smart antenna array, four narrow overlapping beams, one wide “broadcast channel” beam and right and left shaped beams can be provided. Results are presented for the simulation of the smart antenna system using CST EM simulation software which inherently includes mutual coupling and the effects of a truncated ground plane on the element patterns. The results show some significant changes to the desired set of coverage patterns and various mutual coupling compensation techniques have been reviewed. An improved design technique has been developed for compensating the performance degrading effects of mutual coupling and finite ground plane dimensions in microstrip antenna arrays. The improved technique utilises combination of two previously known techniques: complex excitation weights compensation by inversion of the array mutual coupling scattering matrix and the incorporation of a WAIM (wide angle impedance matching) sheet. The technique has been applied to a novel multi-beam smart antenna array to demonstrate the efficacy of the technique by electromagnetic simulation. In addition, a demonstrator array has been constructed and tested which has yielded a positive conformation of the simulation results. For the developed demonstrator array which provides seven different beams, beams “footprints” have been predicted both for free space propagation and for urban propagation to evaluate the dynamic capacity performance of the smart antenna in a 3G mobile network. The results indicate that sector capacity can be dynamically tailored to user demand profiles by selection of the appropriate beam patterns provided by the novel smart antenna system