Diseño de la topología de una red ad-hoc

Las redes ad-hoc de comunicación están formadas por diferentes dispositivos, normalmente inalámbricos, que pueden situarse en cualquier punto del espacio. Para poder comunicarse se han de definir enlaces entre los diferentes nodos de manera que exista conectividad entre todos los nodos de la red. Este proyecto, continuación de trabajos anteriores, tiene como objetivo el diseño de la topología de una red ad-hoc con un doble requerimiento. Por un lado, se ha de garantizar conectividad entre todos los nodos de la red (y ello bajo la posibilidad de utilizar cualquier dispositivo como nodo intermedio de conmutación). Por otro lado, se ha de conseguir que el consumo total de las baterías de los dispositivos sea mínimo. El problema presentado por los anteriores proyectos, conocido como subgrafo de difusión de energía mínima (MECBS), fue resuelto mediante la utilización de algoritmos probabilistas –simulated annealing y hormigas– y un algoritmo determinista basado en la obtención de árboles generadores mínimos mediante Kruskal. En ese caso, un único nodo raíz debe mandar información al resto de la red. El presente proyecto trata de añadir pequeñas variaciones a los algoritmos de simulated annealing y hormigas para mejorar sus resultados y generaliza el problema para el caso en que todos los nodos deban enviar información al resto de nodos (problema que hemos denominado subgrafo de gossiping de energía mínima, MECGS), lo que ha de dar como resultado –en comparación con el caso en que sólo un nodo manda información al resto de la red– topologías ligeramente distintas y de mayor densidad de enlaces

Contribution to the optimization of 4G mobile communications by means of advanced carrier aggregation strategies

Mobile broadband subscriptions and data traffic have increasingly grown in the past years with the deployment of the 3G and 4G technologies and the massive use of mobile devices. In this sense, LTE-A has been presented as the next step in wireless communications where higher data rates are targeted and fully packet switched services are held. The ultimate goal of 4G and the forthcoming 5G technology is to increase the Quality of Experience (QoE) of users. In this context, several challenges open up to face the increased bandwidth demands in both uplink (UL) and downlink (DL). To this end, LTE-A has proposed the use of Carrier Aggregation (CA) which allows the simultaneous data transmission in separate fragments of spectrum. The improvements brought by CA in the DL can be almost straightforward appreciable, since the evolved Node B (eNB) is in charge of transmissions, and power availability is not typically an issue. Conversely, the UL presents many open challenges to introduce aggregated transmissions, since it relies on the user terminal for transmission procedures. Lower transmission power and increased interference variability turn the UL more complex than the DL. For this reason, this Ph.D. thesis provides a contribution to the field of CA for UL mobile systems. The novelties here presented address the main limitations the UL encounters when introducing CA; new methods and strategies are proposed with the final aim of enhancing the UL communications with the use of increased bandwidth transmissions, and reducing the unbalanced data rate between the UL and DL. Throughout an exhaustive literature review, the main research opportunities to successfully implement CA in the UL were identified. In particular, three main blocks can be recognized. First, the need for introducing intelligent Radio Resource Management procedures that provide the user with increased QoE, specially in the cell edge, where users are more likely to be power limited, and CA is typically discarded. Consequently, the first part of this dissertation places emphasis on topics related to scheduling and the power limitations to face the increased bandwidth. In this sense, mechanisms that tackle the throughput improvement are proposed and scheduling schemes that specifically assess the gain or deterioration of CA are designed. Indeed, these strategies strongly rely on an accurate Channel State Information (CSI); it is of utmost importance to possess precise CSI to effectively support these assessments. In this line, the second part deals with the imperfect CSI where the efficient use of reference signals provides a high value. Channel prediction techniques have been proposed with the use of the splines method. However, the increased variability of interferences and the high delay in measurements still impairs the CSI accuracy. In this manner, interference management methods are introduced to support the CSI acquisition process. Finally, since CA constitutes the most transverse topic of the new features added to the 4G standard, the last block of research focuses on the opportunities that emerge with the use of CA in the context of heterogeneous networks, and new system designs are addressed. It is proposed to use dual connectivity in the form of decoupled uplink and downlink connections in a CA context, where aggregated carriers may have different coverage footprints. An analysis of two different cell association cases that arise has been driven. Stochastic geometry is used to study the system analytically, propagation conditions in the different tiers and frequencies are considered and the different association cases are compared to a classical downlink received power association rule. Conclusions show that decoupling the uplink provides the system with outstanding gains, however, being connected to the cell that receives the highest received power may not always be profitable, since issues like interferences or load conditions shall be also considered.El número de usuarios móviles y el tráfico de datos generado han aumentado en los últimos años con el despliegue de redes 3G y 4G y el uso masivo de dispositivos móviles. De este modo, LTE-A surge como el siguiente escalón de las comunicaciones móviles, dónde se apunta a mayores velocidades de transmisión y los servicios se basan en la conmutación de paquetes. El objetivo principal de las redes 4G y de la inminente red 5G es mejorar la experiencia del usuario. En este contexto, se presentan nuevos retos para hacer frente a las demandas de incrementar el ancho de banda en ambos enlaces: ascendente (UL) y descendente (DL). Por ello, LTE-A propone el uso de portadoras agregadas (Carrier Aggregation (CA)), tecnología que permite la transmisión simultánea en dos fragmentos del espectro. Las mejoras que aporta CA en el DL son casi inmediatas dado que las transmisiones corren a cargo de la base, la cual no sufre la falta de potencia. Al contrario, el UL presenta más retos para introducir CA, ya que es el terminal quién se encarga de la transmisión. La baja disponibilidad de potencia y la alta variabilidad de la interferencia lo convierten en un entorno mucho más complejo. Por ello, esta disertación presenta una contribución al campo de CA en el UL de comunicaciones móviles. Las novedades presentadas tratan las principales limitaciones para incorporar CA; se proponen nuevos métodos y estrategias con el objetivo de mejorar las comunicaciones en el UL mediante el uso de CA; todo ello, para reducir el desajuste que existe entre la velocidad de transmisión del UL y DL. Mediante una extensa revisión de la literatura, se han detectado las principales líneas de investigación y potenciales mejoras para incorporar CA exitosamente. Se han identificado tres grandes bloques de investigación. Primero, la necesidad de introducir estrategias de gestión de recursos inteligentes, que proporcionen al usuario una mejora de la experiencia, especialmente en el límite de la celda. Es allí donde los usuarios tienen una mayor probabilidad de estar limitados en potencia, razón por la que se les aparta de CA. Consecuentemente, la primera parte de esta tesis pone énfasis en la asignación de recursos y las limitaciones en potencia por parte del usuario para hacer frente a un incremento del ancho de banda. Se proponen mecanismos que mejoran la velocidad de transmisión evaluando las ganancias o pérdidas de incorporar CA a la transmisión. Para apoyar el funcionamiento de estas estrategias de asignación, y asegurar su máximo rendimiento, es necesario un método que proporcione un conocimiento preciso y fidedigno del estado del canal (Channel State Information (CSI)). De este modo, la segunda parte de la investigación lidia con el CSI, donde el uso eficiente de las señales de referencia es de gran importancia. Se proponen técnicas de predicción de señal mediante el uso de Splines; sin embargo, la alta variabilidad de las interferencias y el gran retardo entre dos muestras de CSI perjudican la precisión. Por ello, se introducen métodos de gestión de interferencias que apoyan el proceso de adquisición del CSI. Finalmente, dado que CA es una de las funciones más transversales de las introducidas por el estándar 4G, la última parte de investigación se centra en las oportunidades que surgen con su uso en las redes heterogéneas. Se propone el uso de la conectividad dual, desacoplando el UL del DL junto con CA, donde el área de cobertura de las portadoras puede ser diferente. Se analizan dos escenarios de asociación posibles. Con el uso de geometría estocástica se estudia analíticamente el sistema, considerando diferentes condiciones de propagación en los distintos tipos de celda y frecuencias; los escenarios de asociación se comparan a uno tradicional, en el cual los usuarios se asocian en función de la potencia recibida de las bases. Las conclusiones destacan que el desacoplo aporta mejoras en el UL. Sin embargo, temas como interferencias o carga deben también considera

Improved scheduling techniques for efficient uplink communications with carrier aggregation

Transmitted power in Long Term Evolution - Advanced (LTE-A) uplink (UL) is strongly related to the number of physical resource blocks (PRBs) allocated. As the transmitted bandwidth increases power does so. However, this rise in power is also required to increase throughput. It is necessary to create efficient techniques that allows sending more information (bits) with the same power requirements. Against previous LTE releases, LTE-A allows the use of non-contiguous resource allocation in the UL together with the simultaneous transmission along multiple component carriers named, carrier aggregation. These features lead to an increase in spectral efficiency thanks to ling performance gains obtained from frequency diversity. This work studies the effect of scheduling techniques on the throughput performance and power consumption of users. Results show that cell edge performance is very sensitive to the scheduling decisions, therefore, limitations in bandwidth are introduced in order to reduce power consumption and improve throughput. Carrier Aggregation turns out to be more efficient as users can be classified and improve spectral and energy efficiency.Peer ReviewedPostprint (published version

Diseño de la topología de una red ad-hoc

Las redes ad-hoc de comunicación están formadas por diferentes dispositivos, normalmente inalámbricos, que pueden situarse en cualquier punto del espacio. Para poder comunicarse se han de definir enlaces entre los diferentes nodos de manera que exista conectividad entre todos los nodos de la red. Este proyecto, continuación de trabajos anteriores, tiene como objetivo el diseño de la topología de una red ad-hoc con un doble requerimiento. Por un lado, se ha de garantizar conectividad entre todos los nodos de la red (y ello bajo la posibilidad de utilizar cualquier dispositivo como nodo intermedio de conmutación). Por otro lado, se ha de conseguir que el consumo total de las baterías de los dispositivos sea mínimo. El problema presentado por los anteriores proyectos, conocido como subgrafo de difusión de energía mínima (MECBS), fue resuelto mediante la utilización de algoritmos probabilistas –simulated annealing y hormigas– y un algoritmo determinista basado en la obtención de árboles generadores mínimos mediante Kruskal. En ese caso, un único nodo raíz debe mandar información al resto de la red. El presente proyecto trata de añadir pequeñas variaciones a los algoritmos de simulated annealing y hormigas para mejorar sus resultados y generaliza el problema para el caso en que todos los nodos deban enviar información al resto de nodos (problema que hemos denominado subgrafo de gossiping de energía mínima, MECGS), lo que ha de dar como resultado –en comparación con el caso en que sólo un nodo manda información al resto de la red– topologías ligeramente distintas y de mayor densidad de enlaces

Diseño de la topología de una red ad-hoc

Las redes ad-hoc de comunicación están formadas por diferentes dispositivos, normalmente inalámbricos, que pueden situarse en cualquier punto del espacio. Para poder comunicarse se han de definir enlaces entre los diferentes nodos de manera que exista conectividad entre todos los nodos de la red. Este proyecto, continuación de trabajos anteriores, tiene como objetivo el diseño de la topología de una red ad-hoc con un doble requerimiento. Por un lado, se ha de garantizar conectividad entre todos los nodos de la red (y ello bajo la posibilidad de utilizar cualquier dispositivo como nodo intermedio de conmutación). Por otro lado, se ha de conseguir que el consumo total de las baterías de los dispositivos sea mínimo. El problema presentado por los anteriores proyectos, conocido como subgrafo de difusión de energía mínima (MECBS), fue resuelto mediante la utilización de algoritmos probabilistas –simulated annealing y hormigas– y un algoritmo determinista basado en la obtención de árboles generadores mínimos mediante Kruskal. En ese caso, un único nodo raíz debe mandar información al resto de la red. El presente proyecto trata de añadir pequeñas variaciones a los algoritmos de simulated annealing y hormigas para mejorar sus resultados y generaliza el problema para el caso en que todos los nodos deban enviar información al resto de nodos (problema que hemos denominado subgrafo de gossiping de energía mínima, MECGS), lo que ha de dar como resultado –en comparación con el caso en que sólo un nodo manda información al resto de la red– topologías ligeramente distintas y de mayor densidad de enlaces

Planning optimization software tool for DVB-T and DVB-T2

Nowadays the implementation of the Digital Terrestrial Television network is an actual fact in the Spanish territory. Its development is crucial for the digital transition in those countries which mainly depend on the terrestrial networks for the reception of multimedia contents. With the aim of giving the users a high quality signal but with an economic cost reduced for the operator arises the necessity of an optimization of the transmission network. In this way, there are variables that can be modified to obtain this goal, some of them are uncontrollable by the operators and the others are susceptible of optimization. In this last group, it can be found the static internal delays of the transmitters which are of special interest because changes can be done with cost zero. The main objective of this project is the design and implementation of a Planning optimization software tool that adjust the variable of the static delay in the transmitters of a digital broadcasting network in order to minimize the self-interfered areas and with the correspondent increase in coverage. The Planning optimization software tool makes use of the metaheuristic algorithm and can obtain different layers of study with its corresponding results. This report describes the problems raised by the current network, the algorithm adapted to the needs of the network to optimize, the implementation of the simulation platform as well as its subsequent validation stage, including several graphical results that allow the evaluation of the improvements introduced over the realistic scenario tested. Finally it has to be mentioned that this work has been performed within the context of a project called FURIA, which is a strategic research project funded by the Spanish Ministry of Industry, Tourism and Commerce

Planning optimization software tool for DVB-T and DVB-T2

Nowadays the implementation of the Digital Terrestrial Television network is an actual fact in the Spanish territory. Its development is crucial for the digital transition in those countries which mainly depend on the terrestrial networks for the reception of multimedia contents. With the aim of giving the users a high quality signal but with an economic cost reduced for the operator arises the necessity of an optimization of the transmission network. In this way, there are variables that can be modified to obtain this goal, some of them are uncontrollable by the operators and the others are susceptible of optimization. In this last group, it can be found the static internal delays of the transmitters which are of special interest because changes can be done with cost zero. The main objective of this project is the design and implementation of a Planning optimization software tool that adjust the variable of the static delay in the transmitters of a digital broadcasting network in order to minimize the self-interfered areas and with the correspondent increase in coverage. The Planning optimization software tool makes use of the metaheuristic algorithm and can obtain different layers of study with its corresponding results. This report describes the problems raised by the current network, the algorithm adapted to the needs of the network to optimize, the implementation of the simulation platform as well as its subsequent validation stage, including several graphical results that allow the evaluation of the improvements introduced over the realistic scenario tested. Finally it has to be mentioned that this work has been performed within the context of a project called FURIA, which is a strategic research project funded by the Spanish Ministry of Industry, Tourism and Commerce

MPR-aware scheduler for carrier aggregation transmissions in LTE uplink

La publicació final està disponible a Springer a través de http: //dx.doi. org /10.1007/s11277-015-2695-5Unlike previous Long Term Evolution (LTE) releases, LTE - Advanced (LTE-A) allows the use of non-contiguous resource allocation in the uplink (UL). This feature leads to increase the spectral efficiency thanks to link performance gains obtained from frequency diversity. At the same time, non-contiguous allocations bring higher peak to average power ratio (PAPR) and so potentially higher intermodulation distortion and adjacent channel leakage-power ratio (ACLR). Power derating has been proposed as a means to avoid this problem and thus user equipments (UEs) must reduce their maximum transmitted power. However, the additional link loss on power limited UEs partially counteracts the gain brought by multi-cluster allocation. In this sense, this paper proposes to include Maximum Power Reduction (MPR) information in opportunistic scheduling decisions. The new scheduling proposal is able to determine whether multi-clustering leads to a net gain in instantaneous throughput or if localized allocation is preferred. The proposed method is compared to other scheduling techniques and it is also analyzed in different inter-site distance scenarios. Results show that considering MPR in opportunistic decisions can lead to overall cell performance improvements.Peer Reviewe

Modelling channel estimation error in LTE link level simulations

Channel estimation is a key aspect for the performance of the physical layer in all MIMO-OFDM systems. In order to obtain realistic performance assessments from the LTE link level simulator, channel estimation errors must be taken into account. Implementing a detailed channel estimation algorithm may lead to long simulation time, in particular for wideband MIMO transmission modes where many channels have to be estimated, and for procedures like Wiener filtering which require matrix multiplications. In this paper we propose to simulate channel estimation errors by a Gaussian additive noise error model. The noise variance of the model is calibrated as a function of the received SNR for different channel models and Doppler spreads. The model is validated by comparing the BLER curves obtained with the model with the curves obtained when using real channel estimation.Peer Reviewe