Dissertations / Theses on the topic 'Algorithme LMS (Least Mean Square)'

Effort to estimate unknown time-varying channels as a part of high-speed mobile communication systems is of interest especially for next-generation wireless systems. The high computational complexity of the optimal Wiener estimator usually makes its use impractical in fast time-varying channels. As a powerful candidate, the adaptive least mean squares (LMS) algorithm offers a computationally efficient solution with its simple first-order weight-vector update equation. However, the performance of the LMS algorithm deteriorates in time-varying channels as a result of the eigenvalue disparity, i.e., spread, of the input correlation matrix in such chan nels. In this work, we incorporate the L MS algorithm into the well-known bidirectional processing idea to produce an extension called the bidirectional LMS. This algorithm is shown to be robust to the adverse effects of time-varying channels such as large eigenvalue spread. The associated tracking performance is observed to be very close to that of the optimal Wiener filter in many cases and the bidirectional LMS algorithm is therefore referred to as near-optimal. The computational complexity is observed to increase by the bidirectional employment of the LMS algorithm, but nevertheless is significantly lower than that of the optimal Wiener filter. The tracking behavior of the bidirectional LMS algorithm is also analyzed and eventually a steady-state step-size dependent mean square error (MSE) expression is derived for single antenna flat-fading channels with various correlation properties. The aforementioned analysis is then generalized to include single-antenna frequency-selective channels where the so-called ind ependence assumption is no more applicable due to the channel memory at hand, and then to multi-antenna flat-fading channels. The optimal selection of the step-size values is also presented using the results of the MSE analysis. The numerical evaluations show a very good match between the theoretical and the experimental results under various scenarios. The tracking analysis of the bidirectional LMS algorithm is believed to be novel in the sense that although there are several works in the literature on the bidirectional estimation, none of them provides a theoretical analysis on the underlying estimators. An iterative channel estimation scheme is also presented as a more realistic application for each of the estimation algorithms and the channel models under consideration. As a result, the bidirectional LMS algorithm is observed to be very successful for this real-life application with its increased but still practical level of complexity, the near-optimal tracking performa nce and robustness to the imperfect initialization.

L’objectif principal de cette thèse est de décliner et d’analyser l’algorithme kernel-LMS à noyau Gaussien dans trois cadres différents: celui des noyaux uniques et multiples, à valeurs réelles et à valeurs complexes, dans un contexte d’apprentissage distributé et coopératif dans les réseaux de capteurs. Plus précisement, ce travail s’intéresse à l’analyse du comportement en moyenne et en erreur quadratique de cas différents types d’algorithmes LMS à noyau. Les modèles analytiques de convergence obtenus sont validés par des simulations numérique. Tout d’abord, nous introduisons l’algorithme LMS, les espaces de Hilbert à noyau reproduisants, ainsi que les algorithmes de filtrage adaptatif à noyau existants. Puis, nous étudions analytiquement le comportement de l’algorithme LMS à noyau Gaussien dans le cas où les statistiques des éléments du dictionnaire ne répondent que partiellement aux statistiques des données d’entrée. Nous introduisons ensuite un algorithme LMS modifié à noyau basé sur une approche proximale. La stabilité de l’algorithme est également discutée. Ensuite, nous introduisons deux types d’algorithmes LMS à noyaux multiples. Nous nous concentrons en particulier sur l’analyse de convergence de l’un d’eux. Plus généralement, les caractéristiques des deux algorithmes LMS à noyaux multiples sont analysées théoriquement et confirmées par les simulations. L’algorithme LMS à noyau complexe augmenté est présenté et ses performances analysées. Enfin, nous proposons des stratégies de diffusion fonctionnelles dans les espaces de Hilbert à noyau reproduisant. La stabilité́ de cas de l’algorithme est étudiée
The main objective of this thesis is to derive and analyze the Gaussian kernel least-mean-square (LMS) algorithm within three frameworks involving single and multiple kernels, real-valued and complex-valued, non-cooperative and cooperative distributed learning over networks. This work focuses on the stochastic behavior analysis of these kernel LMS algorithms in the mean and mean-square error sense. All the analyses are validated by numerical simulations. First, we review the basic LMS algorithm, reproducing kernel Hilbert space (RKHS), framework and state-of-the-art kernel adaptive filtering algorithms. Then, we study the convergence behavior of the Gaussian kernel LMS in the case where the statistics of the elements of the so-called dictionary only partially match the statistics of the input data. We introduced a modified kernel LMS algorithm based on forward-backward splitting to deal with $\ell_1$-norm regularization. The stability of the proposed algorithm is then discussed. After a review of two families of multikernel LMS algorithms, we focus on the convergence behavior of the multiple-input multikernel LMS algorithm. More generally, the characteristics of multikernel LMS algorithms are analyzed theoretically and confirmed by simulation results. Next, the augmented complex kernel LMS algorithm is introduced based on the framework of complex multikernel adaptive filtering. Then, we analyze the convergence behavior of algorithm in the mean-square error sense. Finally, in order to cope with the distributed estimation problems over networks, we derive functional diffusion strategies in RKHS. The stability of the algorithm in the mean sense is analyzed

Dernier-né des services de télédétection, le système commercial SPOT conçu par le Centre National des Études Spatiales (CNES) et opérationnel depuis 1986, transmet vers le sol les informations images numérisées. Pour diverses configurations du satellite, la qualité de la liaison est fortement dégradée par la présence de multi-trajet, dû aux interactions entre l'antenne d'émission et la structure du satellite. Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le cadre de l'étude de l'adaptativité d'antenne bord et sol intervenant dans les liaisons de télémesure de charge utile (TMCU) à haut débit. Dans un premier temps, les conséquences du multi-trajet ont été quantifiées en terme d'interférence intersymboles et de taux d'erreurs sur les bits. On a déterminé la rejection nécessaire sur les trajets retardés pour approcher les performances nominales. Divers traitements au sol ont par la suite été envisagés sous forme d'un égaliseur. Une étude théorique des performances d'un égaliseur, menée sur une structure linéaire et sur une structure à décision dans la boucle (DFE), a permis de prédire les performances en taux d'erreurs et en erreur quadratique moyenne. Les résultats obtenus sont ceux de l'algorithme global et sont complétés par un test des autres principaux algorithmes adaptatifs. De plus, un ensemble de traitements a été simulé sur une chaine idéale et sur deux liaisons de TMCU. L'algorithme du gradient stochastique LMS a été testé sur un modèle de canal le plus probable. Les performances des structures d'égaliseur ont été élaborées sous une forme comparative. En vue d'une implantation pratique, la structure à décision dans la boucle fournit des meilleures performances avec deux coefficients dans la branche linéaire et deux coefficients dans la branche récursive DFE (2,2). Un traitement à bord du satellite a été proposé. Il consiste à adapter le diagramme de rayonnement de l'antenne active après son optimisation suivant un certain critère d'adaptation. Sur le plan matériel, en raison du grand débit numérique de transmission (50 mbit/s) de la liaison TMCU, les implémentations classiques d'un égaliseur ne peuvent pas être utilisées. Deux solutions de réalisation matérielle ont été proposées: la première est une solution hybride mêlant les techniques analogiques pour le filtrage et une approche numérique pour le calcul des coefficients. La seconde est totalement analogique. L'algorithme proposé est l'algorithme LMS intégré au démodulateur cohérent à quatre états de phase (mdp4). Cette approche a été simulée avec une structure DFE (2,2). Une étude de sensibilité aux défauts de réalisation a permis d'évaluer de façon plus approfondie la faisabilité de ces implémentations

Tato práce je psaná v angličtině a je zaměřená na problematiku ekvalizace v digitálních komunikačních systémech. Teoretická část zahrnuje stručné pozorování různých způsobů návrhu ekvalizérů. Praktická část se zabývá implementací nejčastěji používaných ekvalizérů a s jejich adaptačními algoritmy. Cílem praktické části je porovnat jejich charakteristiky a odhalit činitele, které ovlivňují kvalitu ekvalizace. V rámci problematiky ekvalizace jsou prozkoumány tři typy ekvalizérů. Lineární ekvalizér, ekvalizér se zpětnou vazbou a ML (Maximum likelihood) ekvalizér. Každý ekvalizér byl testován na modelu, který simuloval reálnou přenosovou soustavu s komplexním zkreslením, která je složena z útlumu, mezisymbolové interference a aditivního šumu. Na základě implenentace byli určeny charakteristiky ekvalizérů a stanoveno že optimální výkon má ML ekvalizér. Adaptační algoritmy hrají významnou roli ve výkonnosti všech zmíněných ekvalizérů. V práci je nastudována skupina stochastických algoritmů jako algoritmus nejmenších čtverců(LMS), Normalizovaný LMS, Variable step-size LMS a algoritmus RLS jako zástupce deterministického přístupu. Bylo zjištěno, že RLS konverguje mnohem rychleji, než algoritmy založené na LMS. Byly nastudovány činitele, které ovlivnili výkon popisovaných algoritmů. Jedním z důležitých činitelů, který ovlivňuje rychlost konvergence a stabilitu algoritmů LMS je parametr velikosti kroku. Dalším velmi důležitým faktorem je výběr trénovací sekvence. Bylo zjištěno, že velkou nevýhodou algoritmů založených na LMS v porovnání s RLS algoritmy je, že kvalita ekvalizace je velmi závislá na spektrální výkonové hustotě a a trénovací sekvenci.

Submitted by Automação e Estatística (sst@bczm.ufrn.br) on 2018-04-11T20:06:38Z No. of bitstreams: 1 BrunoJacomeCavalcanti_TESE.pdf: 5397909 bytes, checksum: 5a245eec570a69adf8ca5d791aaddf70 (MD5)
Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2018-04-16T20:46:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 BrunoJacomeCavalcanti_TESE.pdf: 5397909 bytes, checksum: 5a245eec570a69adf8ca5d791aaddf70 (MD5)
Made available in DSpace on 2018-04-16T20:46:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BrunoJacomeCavalcanti_TESE.pdf: 5397909 bytes, checksum: 5a245eec570a69adf8ca5d791aaddf70 (MD5) Previous issue date: 2017-10-20
A perfeita funcionalidade dos sistemas de comunicações de 3ª. e 4ª. gerações requerem, entre outras coisas, do conhecimento dos valores numéricos da predição das perdas de propagação dos sinais propagantes nos ambientes urbano, suburbano e rural. Portanto, o estudo das condições de propagação em um ambiente qualquer sempre será uma preocupação dos engenheiros projetistas. A análise e desenvolvimento de modelos robustos de predição de perdas de propagação em redes de comunicações Long Term Evolution (LTE) e Long Term Evolution Advanced (LTE-A) usando técnicas de Inteligência Artificial são realizadas neste trabalho. Os procedimentos metodológicos empregados foram aplicados no melhoramento da predição dos modelos de perda de propagação empíricos SUI, ECC-33, Ericsson 9999, TR 36.942 e o modelo do Espaço Livre, aplicados em redes LTE e LTE-A nas frequências de 800 MHz, 1800 MHz e 2600 MHz, para ambientes suburbanos em cidades de porte médio do nordeste do Brasil. Assim, nesta tese propõem-se dois modelos de Redes Neurais Artificiais (RNA): (i) o modelo de rede neural com entradas baseadas em erro (RNBE), utilizando como principal alimentador da rede o erro entre dados medidos e simulados, e, (ii) o modelo de rede neural com entradas baseadas no terreno (RNBT). O desempenho desses modelos foram comparados com os modelos de propagação considerados no trabalho e também as versões otimizadas utilizando Algoritmos Genéticos (AG) e o Método dos Mínimos Quadrados (LMS). Também foram realizadas comparações com valores medidos, obtidos a partir de uma campanha de medição realizada na cidade de Natal, Estado do Rio Grande do Norte. Os resultados finais obtidos através de simulações e medições apresentaram boas concordâncias métricas, com destaque para a performance do modelo RNBE. A principal contribuição dessa tese é que, ao utilizar essas técnicas que fazem uso de maneira mais eficiente dos modelos de propagação empíricos, pode-se estimar sinais propagantes realistas, evitando erros no planejamento e implementações de redes sem fio LTE e LTE-A em áreas suburbanas.
The perfect functionality of the 3rd and 4th generation of wireless systems requires, among other parameters, knowledge of the numerical values of the prediction of loss of propagation of propagation signals in urban, suburban and rural environments. Therefore, the study of propagation conditions in any environment will always be a concern of design engineers. The analysis and development of robust propagation loss prediction models in Long Term Evolution (LTE) and Long Term Evolution Advanced (LTE-A) communications networks using Artificial Intelligence techniques is performed in this work. The methodologies used were applied to improve the prediction of loss of empirical propagation SUI, ECC-33, Ericsson 9999, TR 36.942 models and the Free Space model applied in LTE and LTE-A networks in the frequencies of 800 MHz, 1800 MHz and 2600 MHz, for suburban environments in mid-sized cities in northeastern Brazil. Thus, in these thesis two models of Artificial Neural Networks (RNA) are proposed: (i) the neural network model with inputs based on error (RNBE) using as main feeder of the network the error between measured and simulated data, and (ii) the neural network model with land-based inputs (RNBT). The performance of these models was compared with the models of propagation considered in the work and also the versions optimized using Genetic Algorithms (AG) and the Least Square Method (LMS). Comparisons were also made with measured values, obtained from a measurement campaign carried out in the city of Natal, state of Rio Grande do Norte. The final results obtained through simulations and measurements presented good metric concordances, with emphasis on the performance of the RNBE model. Thus, the main contribution of this thesis is that, by using these techniques that make more efficient use of empirical propagation models, we can estimate realistic propagation signals, avoiding errors in the planning and implementations of LTE and LTE- A wireless networks in suburban areas.

Noise emission is a major drawback of the positive displacement machine. The noise source can be divided into structure borne noise source (SBNS) and fluid borne noise source (FBNS). Passive techniques such as valve plate optimization have been used for noise reduction of axial piston machines. However, passive techniques are only effective for limited operating conditions or at least need compromises in design. In this paper, active vibration control of swash plate is investigated for vibration and noise reduction over a wide range of operating conditions as an additional method to passive noise reduction techniques. A 75cc pump has been modified for implementation of active vibration control using the swash plate. One tri-axial acceleration sensor and one angle sensor are installed on the swash plate and a high speed servovalve is used for the swash plate actuation. The multi-frequency two-weight least mean square (LMS) filter synthesizes the servovalve input signal to generate a destructive interference force which minimizes the swash plate vibration. An experimental test setup has been realized using Labview field-programmable gate array (FPGA) via cRIO. Simulation and experimental studies are conducted to investigate the possibility of active vibration control.

Submitted by Rosivalda Pereira (mrs.pereira@ufma.br) on 2017-06-23T20:42:44Z No. of bitstreams: 1 CesarCasteloBranco.pdf: 11257769 bytes, checksum: 911c33f2f0ba5c1c0948888e713724f6 (MD5)
Made available in DSpace on 2017-06-23T20:42:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CesarCasteloBranco.pdf: 11257769 bytes, checksum: 911c33f2f0ba5c1c0948888e713724f6 (MD5) Previous issue date: 2016-12-12
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ)
This work proposes new methodologies to optimize the choice of the parameters of the proportionate normalized least-mean-square (PNLMS) adaptive algorithms. The proposed approaches use procedures based on two optimization methods, namely, the golden section and tabu search methods. Such procedures are applied to determine the optimal parameters in each iteration of the adaptation process of the PNLMS and improved PNLMS (IPNLMS) algorithms. The objective function for the proposed procedures is based on the a posteriori estimation error. Performance studies carried out to evaluate the impact of the PNLMS and IPNLMS parameters in the behavior of these algorithms shows that, with the aid of optimization techniques to choose properly such parameters, the performance of these algorithms may be improved in terms of convergence speed for the identification of plants with high sparseness degree. The main goal of the proposed methodologies is to improve the distribution of the adaptation energy between the coefficients of the PNLMS and IPNLMS algorithms, using parameter values that lead to the minimal estimation error of each iteration of the adaptation process. Numerical tests performed (considering various scenarios in which the plant impulse response is sparse) show that the proposed methodologies achieve convergence speeds faster than the PNLMS and IPNLMS algorithms, and other algorithms of the PNLMS class, such as the sparseness controlled IPNLMS (SC-IPNLMS) algorithm.
Neste trabalho, novas metodologias para otimizar a escolha dos parâmetros dos algoritmos adaptativos LMS normalizados proporcionais (PNLMS) são propostas. As abordagens propostas usam procedimentos baseados em dois métodos de otimização, a saber, os métodos da razão áurea e da busca tabu. Tais procedimentos são empregados para determinar os parâmetros ótimos em cada iteração do processo de adaptação dos algoritmos PNLMS e PNLMS melhorado (IPNLMS). A função objetivo adotada pelos procedimentos propostos é baseada no erro de estimação a posteriori. O estudo de desempenho realizado para avaliar o impacto dos parâmetros dos algoritmos PNLMS e IPNLMS no comportamento dos mesmos mostram que, com o auxílio de técnicas de otimização para escolher adequadamente tais parâmetros, o desempenho destes algoritmos pode ser melhorado, em termos de velocidade de convergência, para a identificação de plantas com elevado grau de esparsidade. O principal objetivo das metodologias propostas é melhorar a distribuição da energia de ativação entre os coeficientes dos algoritmos PNLMS e IPNLMS, usando valores de parâmetros que levam ao erro de estimação mínimo em cada iteração do processo de adaptação. Testes numéricos realizados (considerando diversos cenários nos quais a resposta impulsiva da planta é esparsa) mostram que as metodologias propostas alcançam velocidades de convergência superiores às dos algoritmos PNLMS e IPNLMS, além de outros algoritmos da classe PNLMS, tais como o algoritmo IPNLMS com controle de esparsidade (SCIPNLMS).

La quinta generación de redes móviles (5G) se encuentra a la vuelta de la esquina. Se espera provea de beneficios extraordinarios a la población y que resuelva la mayoría de los problemas de las redes 4G actuales. El éxito de 5G, cuya primera fase de estandarización ha sido completada, depende de tres pilares: comunicaciones tipo-máquina masivas, banda ancha móvil mejorada y comunicaciones ultra fiables y de baja latencia (mMTC, eMBB y URLLC, respectivamente). En esta tesis nos enfocamos en el primer pilar de 5G, mMTC, pero también proveemos una solución para lograr eMBB en escenarios de distribución masiva de contenidos. Específicamente, las principales contribuciones son en las áreas de: 1) soporte eficiente de mMTC en redes celulares; 2) acceso aleatorio para el reporte de eventos en redes inalámbricas de sensores (WSNs); y 3) cooperación para la distribución masiva de contenidos en redes celulares. En el apartado de mMTC en redes celulares, esta tesis provee un análisis profundo del desempeño del procedimiento de acceso aleatorio, que es la forma mediante la cual los dispositivos móviles acceden a la red. Estos análisis fueron inicialmente llevados a cabo por simulaciones y, posteriormente, por medio de un modelo analítico. Ambos modelos fueron desarrollados específicamente para este propósito e incluyen uno de los esquemas de control de acceso más prometedores: access class barring (ACB). Nuestro modelo es uno de los más precisos que se pueden encontrar en la literatura y el único que incorpora el esquema de ACB. Los resultados obtenidos por medio de este modelo y por simulación son claros: los accesos altamente sincronizados que ocurren en aplicaciones de mMTC pueden causar congestión severa en el canal de acceso. Por otro lado, también son claros en que esta congestión se puede prevenir con una adecuada configuración del ACB. Sin embargo, los parámetros de configuración del ACB deben ser continuamente adaptados a la intensidad de accesos para poder obtener un desempeño óptimo. En la tesis se propone una solución práctica a este problema en la forma de un esquema de configuración automática para el ACB; lo llamamos ACBC. Los resultados muestran que nuestro esquema puede lograr un desempeño muy cercano al óptimo sin importar la intensidad de los accesos. Asimismo, puede ser directamente implementado en redes celulares para soportar el tráfico mMTC, ya que ha sido diseñado teniendo en cuenta los estándares del 3GPP. Además de los análisis descritos anteriormente para redes celulares, se realiza un análisis general para aplicaciones de contadores inteligentes. Es decir, estudiamos un escenario de mMTC desde la perspectiva de las WSNs. Específicamente, desarrollamos un modelo híbrido para el análisis de desempeño y la optimización de protocolos de WSNs de acceso aleatorio y basados en cluster. Los resultados muestran la utilidad de escuchar el medio inalámbrico para minimizar el número de transmisiones y también de modificar las probabilidades de transmisión después de una colisión. En lo que respecta a eMBB, nos enfocamos en un escenario de distribución masiva de contenidos, en el que un mismo contenido es enviado de forma simultánea a un gran número de usuarios móviles. Este escenario es problemático, ya que las estaciones base de la red celular no cuentan con mecanismos eficientes de multicast o broadcast. Por lo tanto, la solución que se adopta comúnmente es la de replicar e contenido para cada uno de los usuarios que lo soliciten; está claro que esto es altamente ineficiente. Para resolver este problema, proponemos el uso de esquemas de network coding y de arquitecturas cooperativas llamadas nubes móviles. En concreto, desarrollamos un protocolo para la distribución masiva de contenidos, junto con un modelo analítico para su optimización. Los resultados demuestran que el modelo propuesto es simple y preciso, y que el protocolo puede reducir el con
La cinquena generació de xarxes mòbils (5G) es troba molt a la vora. S'espera que proveïsca de beneficis extraordinaris a la població i que resolga la majoria dels problemes de les xarxes 4G actuals. L'èxit de 5G, per a la qual ja ha sigut completada la primera fase del qual d'estandardització, depén de tres pilars: comunicacions tipus-màquina massives, banda ampla mòbil millorada, i comunicacions ultra fiables i de baixa latència (mMTC, eMBB i URLLC, respectivament, per les seues sigles en anglés). En aquesta tesi ens enfoquem en el primer pilar de 5G, mMTC, però també proveïm una solució per a aconseguir eMBB en escenaris de distribució massiva de continguts. Específicament, les principals contribucions són en les àrees de: 1) suport eficient de mMTC en xarxes cel·lulars; 2) accés aleatori per al report d'esdeveniments en xarxes sense fils de sensors (WSNs); i 3) cooperació per a la distribució massiva de continguts en xarxes cel·lulars. En l'apartat de mMTC en xarxes cel·lulars, aquesta tesi realitza una anàlisi profunda de l'acompliment del procediment d'accés aleatori, que és la forma mitjançant la qual els dispositius mòbils accedeixen a la xarxa. Aquestes anàlisis van ser inicialment dutes per mitjà de simulacions i, posteriorment, per mitjà d'un model analític. Els models van ser desenvolupats específicament per a aquest propòsit i inclouen un dels esquemes de control d'accés més prometedors: el access class barring (ACB). El nostre model és un dels més precisos que es poden trobar i l'únic que incorpora l'esquema d'ACB. Els resultats obtinguts per mitjà d'aquest model i per simulació són clars: els accessos altament sincronitzats que ocorren en aplicacions de mMTC poden causar congestió severa en el canal d'accés. D'altra banda, també són clars en què aquesta congestió es pot previndre amb una adequada configuració de l'ACB. No obstant això, els paràmetres de configuració de l'ACB han de ser contínuament adaptats a la intensitat d'accessos per a poder obtindre unes prestacions òptimes. En la tesi es proposa una solució pràctica a aquest problema en la forma d'un esquema de configuració automàtica per a l'ACB; l'anomenem ACBC. Els resultats mostren que el nostre esquema pot aconseguir un acompliment molt proper a l'òptim sense importar la intensitat dels accessos. Així mateix, pot ser directament implementat en xarxes cel·lulars per a suportar el trànsit mMTC, ja que ha sigut dissenyat tenint en compte els estàndards del 3GPP. A més de les anàlisis descrites anteriorment per a xarxes cel·lulars, es realitza una anàlisi general per a aplicacions de comptadors intel·ligents. És a dir, estudiem un escenari de mMTC des de la perspectiva de les WSNs. Específicament, desenvolupem un model híbrid per a l'anàlisi de prestacions i l'optimització de protocols de WSNs d'accés aleatori i basats en clúster. Els resultats mostren la utilitat d'escoltar el mitjà sense fil per a minimitzar el nombre de transmissions i també de modificar les probabilitats de transmissió després d'una col·lisió. Pel que fa a eMBB, ens enfoquem en un escenari de distribució massiva de continguts, en el qual un mateix contingut és enviat de forma simultània a un gran nombre d'usuaris mòbils. Aquest escenari és problemàtic, ja que les estacions base de la xarxa cel·lular no compten amb mecanismes eficients de multicast o broadcast. Per tant, la solució que s'adopta comunament és la de replicar el contingut per a cadascun dels usuaris que ho sol·liciten; és clar que això és altament ineficient. Per a resoldre aquest problema, proposem l'ús d'esquemes de network coding i d'arquitectures cooperatives anomenades núvols mòbils. En concret, desenvolupem un protocol per a realitzar la distribució massiva de continguts de forma eficient, juntament amb un model analític per a la seua optimització. Els resultats demostren que el model proposat és simple i precís
The 5th generation (5G) of mobile networks is just around the corner. It is expected to bring extraordinary benefits to the population and to solve the majority of the problems of current 4th generation (4G) systems. The success of 5G, whose first phase of standardization has concluded, relies in three pillars that correspond to its main use cases: massive machine-type communication (mMTC), enhanced mobile broadband (eMBB), and ultra-reliable low latency communication (URLLC). This thesis mainly focuses on the first pillar of 5G: mMTC, but also provides a solution for the eMBB in massive content delivery scenarios. Specifically, its main contributions are in the areas of: 1) efficient support of mMTC in cellular networks; 2) random access (RA) event-reporting in wireless sensor networks (WSNs); and 3) cooperative massive content delivery in cellular networks. Regarding mMTC in cellular networks, this thesis provides a thorough performance analysis of the RA procedure (RAP), used by the mobile devices to switch from idle to connected mode. These analyses were first conducted by simulation and then by an analytical model; both of these were developed with this specific purpose and include one of the most promising access control schemes: the access class barring (ACB). To the best of our knowledge, this is one of the most accurate analytical models reported in the literature and the only one that incorporates the ACB scheme. Our results clearly show that the highly-synchronized accesses that occur in mMTC applications can lead to severe congestion. On the other hand, it is also clear that congestion can be prevented with an adequate configuration of the ACB scheme. However, the configuration parameters of the ACB scheme must be continuously adapted to the intensity of access attempts if an optimal performance is to be obtained. We developed a practical solution to this problem in the form of a scheme to automatically configure the ACB; we call it access class barring configuration (ACBC) scheme. The results show that our ACBC scheme leads to a near-optimal performance regardless of the intensity of access attempts. Furthermore, it can be directly implemented in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) cellular systems to efficiently handle mMTC because it has been designed to comply with the 3GPP standards. In addition to the analyses described above for cellular networks, a general analysis for smart metering applications is performed. That is, we study an mMTC scenario from the perspective of event detection and reporting WSNs. Specifically, we provide a hybrid model for the performance analysis and optimization of cluster-based RA WSN protocols. Results showcase the utility of overhearing to minimize the number of packet transmissions, but also of the adaptation of transmission parameters after a collision occurs. Building on this, we are able to provide some guidelines that can drastically increase the performance of a wide range of RA protocols and systems in event reporting applications. Regarding eMBB, we focus on a massive content delivery scenario in which the exact same content is transmitted to a large number of mobile users simultaneously. Such a scenario may arise, for example, with video streaming services that offer a particularly popular content. This is a problematic scenario because cellular base stations have no efficient multicast or broadcast mechanisms. Hence, the traditional solution is to replicate the content for each requesting user, which is highly inefficient. To solve this problem, we propose the use of network coding (NC) schemes in combination with cooperative architectures named mobile clouds (MCs). Specifically, we develop a protocol for efficient massive content delivery, along with the analytical model for its optimization. Results show the proposed model is simple and accurate, and the protocol can lead to energy savings of up to 37 percent when compared to the traditional approach.
Leyva Mayorga, I. (2018). On reliable and energy efficient massive wireless communications: the road to 5G [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115484
TESIS