WCDMA multiclass downlink capacity and interference statistics of cigar-shaped microcells in highways

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s11277-013-1048-5In this paper, the multiclass downlink capacity and the interference statistics of the sectors of a cigar-shaped microcells using wideband code-division multiple-access with soft handover mode are analyzed. The two-slope propagation model with log-normal shadowing is used in the analysis where a model of 8 cigar-shaped microcells is utilized. The performance of the downlink is studied for different [sector range R, standard deviation of the shadowing (σ1 and σ2) and propagation exponents (s1 and s2)]. It is found that increasing the sector range from 500 to 1,000 m will increase the sector downlink capacity. Also, it is found that increasing the value of the propagation parameters (σ1 and σ2) will reduce the downlink sector capacity. It is noticed that, the effect of changing the propagation exponent s1 is null while increasing the propagation exponent s2 will increase the downlink capacit

Multipath effect on the WCDMA uplink capacity of highways cigar-shaped microcells with users within cars and buses

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s11277-012-0900-3In this work, the effect of the multipath on the capacity and the interference statistics of the sectors of the highways cigar-shaped W-CDMA microcells is studied. A model of five microcells is used to analyze the uplink. The capacity and the interference statistics of the microcell are studied for different antenna sidelobe levels and different sector ranges. In the study, imperfect power control and limited transmitted power are assumed. Users are assumed to be within equally spaced buses and cars. The uplink capacity of the sector is studied assuming three types of services, namely, voice, 3G data and 3.75G data (representing the High Speed Uplink Packet Access). It is shown that, the sector uplink capacity depends on the buses and cars density within the sector. The capacity is also given as a function of the number of buses and cars within the sector

WCDMA downlink capacity of cigar-shaped microcells using soft hand-over with SIR-based power control for over-ground train service

In this paper, the downlink sector capacity of a cigar-shaped microcells using wideband code-division multiple-access (WCDMA) with soft hand-over (SHO) mode is analyzed. The two-slope propagation loss with log-normal shadowing is used in the analysis where a model of eight cigar-shaped microcells is utilized to calculate the downlink sector capacity. The performance of the downlink is studied for different sector radii, standard deviations of the shadowing and propagation exponents. It is found that, for a sector range higher than 940 m, increasing the sector range will reduce the downlink sector capacity. Also it is found that increasing the value of the propagation parameters will reduce the downlink sector capacity. In many cases, the downlink sector capacity will be code limited since the theoretical downlink sector capacity is higher than the number of codes assigned to each sector. The high theoretical downlink sector capacity is due to the low value (0.06–0.1) of the WCDMA orthogonality factor of rural zone microcells

WCDMA Uplink Capacity of a Long Tunnel Cigar-shaped Microcells for Underground Train Service

In this paper, the capacity and the interference statistics of the sectors of the cigar-shaped WCDMA microcells are studied using the hybrid model of propagation. A model of nine microcells in a metro tunnel is used to analyze the uplink capacity and the interference statistics. The capacity and the interference statistics of the microcells in metro tunnels are studied in this work for different propagation parameters, antenna side lobe levels, sector ranges and bends losses

UMTS multi-service uplink capacity and interference statistics of femtocells

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s11277-012-0860-7In this work, the multiservice uplink capacity of single and multiple femtocells is given. The COST231 multiwall and multifloor indoor propagation model has been used to calculate the indoor propagation loss. Results show that the uplink capacity of a deployed femtocell will reduce by 2 % if two extra femtocells are deployed in the same building higher and lower of it. Results also show that the uplink capacity is slightly affected if there are several femtocells deployed in the buildings around the one at which the femtocell under study is already exists. It is demonstrated that uplink capacity is interference limited if the femtocell is deployed to serve the users in three floors. Results show that the uplink capacity will be interference and noise limited if the femtocell is deployed to serve the users in five floors. Finally, it is found that the effect of the interference due to the uniformly distributed users within the macrocell around the femtocell is insignificant

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

Spatio-Temporal processing for Optimum Uplink-Downlink WCDMA Systems

The capacity of a cellular system is limited by two different phenomena, namely multipath fading and multiple access interference (MAl). A Two Dimensional (2-D) receiver combats both of these by processing the signal both in the spatial and temporal domain. An ideal 2-D receiver would perform joint space-time processing, but at the price of high computational complexity. In this research we investigate computationally simpler technique termed as a Beamfom1er-Rake. In a Beamformer-Rake, the output of a beamfom1er is fed into a succeeding temporal processor to take advantage of both the beamformer and Rake receiver. Wireless service providers throughout the world are working to introduce the third generation (3G) and beyond (3G) cellular service that will provide higher data rates and better spectral efficiency. Wideband COMA (WCDMA) has been widely accepted as one of the air interfaces for 3G. A Beamformer-Rake receiver can be an effective solution to provide the receivers enhanced capabilities needed to achieve the required performance of a WCDMA system. We consider three different Pilot Symbol Assisted (PSA) beamforming techniques, Direct Matrix Inversion (DMI), Least-Mean Square (LMS) and Recursive Least Square (RLS) adaptive algorithms. Geometrically Based Single Bounce (GBSB) statistical Circular channel model is considered, which is more suitable for array processing, and conductive to RAKE combining. The performances of the Beam former-Rake receiver are evaluated in this channel model as a function of the number of antenna elements and RAKE fingers, in which are evaluated for the uplink WCDMA system. It is shown that, the Beamformer-Rake receiver outperforms the conventional RAKE receiver and the conventional beamformer by a significant margin. Also, we optimize and develop a mathematical formulation for the output Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) of a Beam former-Rake receiver. In this research, also, we develop, simulate and evaluate the SINR and Signal to Noise Ratio (Et!Nol performances of an adaptive beamforming technique in the WCDMA system for downlink. The performance is then compared with an omnidirectional antenna system. Simulation shows that the best perfom1ance can be achieved when all the mobiles with same Angle-of-Arrival (AOA) and different distance from base station are formed in one beam

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

Spatio-Temporal processing for Optimum Uplink-Downlink WCDMA Systems

The capacity of a cellular system is limited by two different phenomena, namely multipath fading and multiple access interference (MAl). A Two Dimensional (2-D) receiver combats both of these by processing the signal both in the spatial and temporal domain. An ideal 2-D receiver would perform joint space-time processing, but at the price of high computational complexity. In this research we investigate computationally simpler technique termed as a Beamfom1er-Rake. In a Beamformer-Rake, the output of a beamfom1er is fed into a succeeding temporal processor to take advantage of both the beamformer and Rake receiver. Wireless service providers throughout the world are working to introduce the third generation (3G) and beyond (3G) cellular service that will provide higher data rates and better spectral efficiency. Wideband COMA (WCDMA) has been widely accepted as one of the air interfaces for 3G. A Beamformer-Rake receiver can be an effective solution to provide the receivers enhanced capabilities needed to achieve the required performance of a WCDMA system. We consider three different Pilot Symbol Assisted (PSA) beamforming techniques, Direct Matrix Inversion (DMI), Least-Mean Square (LMS) and Recursive Least Square (RLS) adaptive algorithms. Geometrically Based Single Bounce (GBSB) statistical Circular channel model is considered, which is more suitable for array processing, and conductive to RAKE combining. The performances of the Beam former-Rake receiver are evaluated in this channel model as a function of the number of antenna elements and RAKE fingers, in which are evaluated for the uplink WCDMA system. It is shown that, the Beamformer-Rake receiver outperforms the conventional RAKE receiver and the conventional beamformer by a significant margin. Also, we optimize and develop a mathematical formulation for the output Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) of a Beam former-Rake receiver. In this research, also, we develop, simulate and evaluate the SINR and Signal to Noise Ratio (Et!Nol performances of an adaptive beamforming technique in the WCDMA system for downlink. The performance is then compared with an omnidirectional antenna system. Simulation shows that the best perfom1ance can be achieved when all the mobiles with same Angle-of-Arrival (AOA) and different distance from base station are formed in one beam

Performance evaluation of a 40 GHz broadband cellular system

Doutoramento em Engenharia ElectrónicaO trabalho apresentado nesta tese enquadra-se na área das comunicações móveis celulares e tem subjacente a utilização de um protótipo de um sistema de comunicações móveis de banda larga desenvolvido no âmbito do projecto Europeu SAMBA. Este protótipo apresenta como principais características inovadoras as taxas de transmissão, a frequência de operação, a mobilidade e os protocolos de handover rádio. Inicialmente são descritos aspectos relacionados com a evolução das comunicações móveis ao longo do tempo e apresentados conceitos teóricos fundamentais para compreender o comportamento do canal rádio móvel e os mecanismos de propagação. São identificados os tipos de desvanecimento e descritos os vários parâmetros que permitem caracterizar o canal rádio. A descrição do impacto do desvanecimento e as formas de o mitigar são apresentadas para contextualizar o trabalho desenvolvido em termos da especificação do protótipo e as opções escolhidas. As características globais do protótipo são apresentadas o que inclui a descrição do interface rádio, da arquitectura, dos módulos de RF, dos módulos de processamento de banda base, protocolos e algoritmo de transferência rádio. O protótipo foi avaliado em vários cenários com diferentes características. No cenário exterior foi analisada uma rua urbana típica do tipo canyon. Em termos de configuração do sistema foram consideradas e analisadas várias alturas da Estação Base, anglos de inclinação das antenas, várias velocidades da Terminal Móvel, operação com e sem linha de vista e a penetração do sinal rádio em ruas transversais. No cenário interior foram realizados testes similares e medidas relativas às transferências que só foram executadas para este cenário por questões logísticas. Numa primeira abordagem foi analisada a cobertura oferecida por cada célula e posteriormente activada a funcionalidade de transferência. Foram também efectuados estudos com uma única Estação Base cobrindo toda a área. Em termos de caracterização do canal rádio em banda larga são apresentadas medidas da resposta impulsiva para dois cenários interiores e complementados por outros estudos via simulação utilizando uma ferramenta de ray tracing. Nas medidas foi utilizado um método de medição do canal no domínio da frequência. A relação entre o Espalhamento do Atraso e a Banda de Coerência em diferentes cenários foi analisada em detalhe e feita a verificação em termos da violação do limite teórico de Fleury. Como consequência dos tópicos abordados, esta tese apresenta um estudo abrangente de aspectos relacionados com o comportamento do canal rádio na faixa dos 40 GHz e a análise das opções técnicas do protótipo em termos do seu desempenho no âmbito dos sistemas de comunicações móveis 4G.The work presented in this thesis addresses the area of mobile cellular broadband communications and encompasses the utilization of a prototype developed in the framework of the European project SAMBA. This prototype has as main innovative characteristics the transmission rates, the frequency band of operation, the mobility and the radio handover protocols. Initially are described aspects related with the historical evolution of the mobile communications and presented fundamental theoretical concepts to understand the behaviour of the radio channel and the propagation mechanisms. The different types of fading are identified as well as the various parameters that allow the characterisation of the radio channel. The fading impact and its mitigation techniques are presented to contextualise the work developed in terms of the specification of the features implemented in the prototype and the options available. The global characteristic of the prototype are presented namely the radio interface, the architecture, the RF modules, the baseband modules, protocols and the algorithm for the radio handover. The prototype was evaluated in various scenarios with different characteristics. In the outdoor scenario a canyon type street was analysed. Several heights of the Base Station, antenna tilting angles, Mobile Terminal velocities, operation in line-of-sight and non line-of-sight and the penetration of the signal in a transversal street. In the indoor scenario similar measurements were performed. The handover feature was analysed just for this scenario due to logistic reasons. In a first phase the coverage provided by each Base Station was analysed and subsequently activated the handover functionality. Studies using a single Base Station to cover the whole pavilion were also performed. In terms of broadband analysis, channel impulse response measurements were performed using a frequency domain technique in two scenarios and complemented by others analysed only using a ray tracing simulation tool. The relationship between the radio channel Delay Spread and the Coherence Bandwidth was analysed in different scenarios and the possible violation of the Fleury lower bond checked. As a consequence of the several topics covered in this thesis, a deep study of the aspects related with the behaviour of the radio channel in the 40 GHz band and the performance of the technical options implemented in the prototype is presented in the framework of 4G mobile communication systems