Dissertations / Theses on the topic 'Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)'

The successful deployment of Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) is heavily dependent on Quality of Service (QoS) to be achieved. This thesis addresses a few facets of the QoS issues in UMTS, including traffic shaping and policing, conformance consistency, Call Admission Control (CAC) and resource allocation.

The main focus of this thesis is traffic conditioning related issues for QoS provisioning in UMTS. Assuming an end-to-end QoS scenario supported by IntServ or/and Diffserv architectures, the thesis initially presents an all nodes traffic conditioning-enabled framework in UMTS. Under this framework, the traffic generated at each User Equipment (UE) is regulated by a traffic shaper in the form of a token bucket, and the conformance of the traffic flow is policed at the policing node. The performance of imposing traffic shaping at the UE is studied and compared with the case without shaping. Next, having observed that the performance of the traffic conditioned system is sensitive to the values of the token bucket parameters, the thesis proposes a heuristic approach for searching local and global QoS-aware token bucket parameters. By tuning the system operating at the obtained ’optimal’ shaping parameters, the requirements for all concerned QoS attributes are guaranteed. Furthermore, the thesis studies conformance consistency in a traffic conditioned multi-hop network, by monitoring the conformance status of a traffic flow using an identical token bucket for both traffic shaping and policing. In the presence of variable packet size, the thesis gives a quantitative result, for a simple case, on how much percent of the originally conformant packets may misbehave at further policing node(s). The performance of the aggregated traffic flows and the measures to minimize the effect of conformance deterioration are also studied in the thesis.

Another facet of the QoS issues in UMTS, CAC together with resource allocation, is also studied in the thesis. A priority-oriented framework for QoS management of multimedia services in UMTS is proposed. Based on a traffic class priority definition, the framework is implemented through a priority-oriented CAC, channel congestion control and adaptive bandwidth allocation.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações
O objectivo desta dissertação é estender o conceito das técnicas PIC (Parallel Interference Cancellation) a receptores com agregados de antenas e avaliar o desempenho das diferentes estruturas PIC em vários cenários no sistema UMTS-TDD (Universal Mobile Telecommunication System). Para tal, a dissertação inclui secções de preparação, onde é efectuado uma revisão da evolução das comunicações móveis celulares, de alguns aspectos fundamentais das técnicas de espalhamento de espectro, das especificações do sistema UMTS-TDD relevantes para o trabalho e a nível mais avançado uma síntese das principais técnicas MUD (Multiuser Detection) propostas na literatura. Após a apresentação deste material preparatório necessário para compreender o trabalho realizado, são descritos, caracterizados, avaliados e comparados os vários algoritmos. Foram implementadas numa cadeia de simulação vários tipos de estruturas PIC, designadamente, com um e dois estágios, com cancelamento parcial e completo, com estimativas hard e soft, com uma antena e com um agregado circular uniforme de M elementos. De forma a avaliar o desempenho destas estruturas PIC foram obtidos resultados em vários cenários, nomeadamente, com estimativas perfeitas dos parâmetros do canal e controlo de potência perfeito; com estimativas imperfeitas dos parâmetros do canal e controlo de potência perfeito; com factores de espalhamento variáveis e estimativas perfeitas dos parâmetros do canal. Os parâmetros necessários para efectuar simulações ao nível do sistema foram, também, calculados. Como conclusão principal deste trabalho, ressalta que a estrutura HD_PIC (hard decision - PIC) com um estágio é a que apresenta a melhor relação desempenho/complexidade, verificando-se que a combinação desta estrutura com um agregado de antenas é uma técnica extremamente promissora para o UMTS_TDD. Palavras Chave: detecção multi-utilizador, cancelamento de interferência, agregados de antenas, filtragem espacio-temporal, DS_CDMA, PIC e UMTSTDD

Mes travaux de recherche se déclinent suivant deux directions : Techniques avancées du traitement du signal pour la localisation de sources. Application à la localisation et poursuite de mobile en UMTS. Méthodes rapides et stables pour la poursuite des sous-espaces. Techniques avancées du traitement du signal pour la localisation de sources : Application à la localisation et poursuite de mobile en UMTS. Depuis que la FCC (Federal Communications Commission) a demandé aux opérateurs américains d'assurer la localisation de tout terminal appelant les services d'urgence (avec une précision de 125 m dans 67 \% des cas), les opérateurs s'intéressent de plus en plus à la localisation de mobile. Ils y voient un moyen de proposer de nouveaux services comme la tarification par zone, la recherche de services proches (hôtels, restaurants), etc. De plus, cela leur permettrait d'avoir un indicateur géographique du trafic, pratique pour l'optimisation de leur réseau. Toutefois, bien que le nombre d'applications possibles soit important, la localisation de mobile n'a été prévue dans aucun système radio-mobile. C'est pourquoi, depuis quelques années, les opérateurs en ont fait un de leur sujet prioritaire de recherche. Plusieurs idées ont ainsi été proposées comme l'utilisation d'un récepteur GPS (Global Positionning Satellite) donnant la position du mobile à partir des temps d'arrivée de signaux issus de trois satellites. Cette solution, bien qu'étant d'une grande précision, n'est pas pour autant optimale. En effet, elle nécessite non seulement une visibilité directe du mobile avec trois satellites (ce qui pose un problème pour la localisation à l'intérieur des bâtiments, des reliefs montagneux. . . ) mais représente également un coût non négligeable à la charge des opérateurs. C'est pourquoi, certains opérateurs préfèrent s'orienter vers les solutions n'utilisant que les signaux radio. C'est cette approche que nous avons choisi de présenter dans cette thèse. Trois classes de méthodes sont utilisées pour la localisation du mobile : La première approche concerne méthodes basées sur l'estimation de la distance entre le mobile et la station de base, obtenue à partir des mesures des temps d'arrivée (TOA). Ces méthodes peuvent aussi bien être envisagées en liaison montante qu'en liaison descendante. Trois mesures impliquant des stations de base (BS) différentes sont au minimum nécessaires pour déterminer la position du mobile. La seconde approche concerne les méthodes basées sur l'estimation des angles d'arrivées(AOA). Celles-ci nécessitent l'installation d'antennes complexes et ne peut donc être envisagées qu'en liaison montante. Chaque AOA estimé définit une demi-droite, de sommet la station de base concernée, sur laquelle se trouve le mobile. Deux mesures de AOAs sont donc nécessaires pour localiser le mobile. Enfin, la troisième approche concerne les méthodes dites conjointes utilisant simultanément l'estimation des angles et des retards. La localisation de mobile ne nécessite alors que l'écoute d'une seule BS. Quelque soit la méthode choisie, les solutions proposées seront différentes selon la norme considérée. En effet, au problème d'absence de trajet direct (Non Line Of Sight (NLOS)) qui est caractéristique de l'ensemble des systèmes radio-mobile, s'ajoute un problème inhérent au système UMTS-FDD : le problème d'écoute (Near-Far Effect (NFE)). Il correspond à la difficulté pour les stations de base (BS) et les mobiles (MS) d'écouter des mobiles ou des BSs éloignés, i. E. Appartenant à des cellules voisines. Il est lié au fait que dans les réseaux UMTS-FDD les stations de base (respectivement les mobiles) émettent simultanément et sur la même bande de fréquence. Mon travail de recherche s'est donc attaché à proposer pour les systèmes UMTS-FDD, des solutions de localisation réalisites, efficaces et qui tiennent compte de ces deux problèmes. Un simulateur UMTS-FDD, construit suivant la norme, a permis de valider l'ensemble des solutions proposées. Enfin, une méthode adaptative de poursuite de mobile en UMTS est proposée. Cette méthode utilise l'estimation adaptative des sous-espaces qui occupe une partie de la thèse. Méthodes rapides et stables pour la poursuite des sous-espaces. Dans cette partie nous nous sommes intéressés à développer des techniques adaptatives capables d'exécuter un suivi de sous-espaces. L'ingrédient principal commun dans toutes ces méthodologies sera l'hypothèse que le rang du sous-espace est connu. La littérature existante sur le suivi de sous-espace est extrêmement riche, offrant une grande variété des schémas avec différentes complexités du calcul. Les algorithmes adaptatifs de suivi de sous-espace sont de grande importance, puisqu'ils peuvent être employés dans de nombreuses applications comme les systèmes de télécommunication, le filtrage adaptatif, la direction des arrivées, le traitement des rangées d'antenne, les systèmes linéaires, etc. Nous nous concentrons sur le problème du suivi de sous-espace lui-même, où nous sommes concernées par estimer les vecteurs singuliers (Minor and Principal Componet Analysis, MCA and PCA) ou une base orthonormale pour le sous-espace d'intérêt (Minor and Principal Subspace Analysis, MSA and PSA. Nos algorithmes proposés sont capables d'estimer le sous-espace (MSA and PSA) correspondant aux plus grandes et plus petites valeurs singulières (et même les vectuers propres correpondant, MCA and PCA). Leur caractéristique principale est leur faible complexité informatique, qui est accompagnée de stabilité numérique, même dans le cas des plus petites valeurs singulières. On devrait mentionner que toutes les techniques existantes de même complexité visant à estimer les plus petites valeurs singulières sont numériquement instables. En conclusion, avec l'aide des simulations, nous démontrons la meilleure exécution de notre méthode contre d'autres schémas populaires de la même complexité
The purpose of this thesis is to provide solutions to challenges facing the wireless localization and tracking techniques, with a special focus on Non Line of Sight (NLoS) effect arising from the presence of obstacles between the mobile station and the base station. In the case of mobile tracking algorithms, adaptive component and subspace analysis are important tools frequently used for different parametric estimation. We present in the first part of this thesis, an extensive study of this subject and we propose fast and efficient subspace tracking methods. The document is structured in three parts gathering several chapters: Subspace Tracking for Signal Processing. Mobile Localization in Wireless Networks. Appendix. Part I: Subspace Tracking for Signal Processing. In the first part, various theoretical aspects for adaptive subspace tracking in signal processing are presented. We start first by a global introduction. In chapter 1, an overview of subspace tracking methods is illustrated. In chapter 2, we propose fast adaptive algorithms for minor and principal component analysis. We start first by proposing new fast methods using Householder Transformation for extracting the desired minor eigenvectors of a covariance matrix. The two proposed methods are referred to as; MCA Orthogonal OJA using Householder Transform (MCA-OOJAH) and MCA Orthogonal FRANS using Householder Transform (MCA-OFRANSH). We propose next a fast PCA algorithm using Givens Rotations for tracking the desired principal eigenvectors of a covariance matrix, we refer to this new algorithm as Principal Component extraction using the Orthogonal PAST method (PC-OPAST). Finally, we study the MCA case where we elaborate a fast MCA algorithm for positive Hermitian covariance matrix associated with time series. This latter method is referred to as Minor Component extraction using the YAST-PGS algorithm (MC-YAST-PGS). Theoretical Convergence analysis and numerical stability analysis are provided in this chapter. Simulation results are presented to assess the performance of our algorithms and compare them with other existing methods. Chapter 3 relates to subspace analysis. To this end, we propose fast adaptive algorithms for minor and principal subspace analysis. The first new method referred to as Fast Orthogonal OJA (FOOJA) estimates the minor or the principal desired subspace of a covariance matrix. Another fast MSA method (YAST-PGS) is proposed in this chapter to extract the desired minor subspace of a positive Hermitian covariance matrix associated with time series. Theoretical stability analysis and simulation results are provided to illustrate the tracking capacity of the proposed algorithms. In chapter 4, we present an application of the subspace tracking for mobile localization. Indeed, we propose an adaptive mobile localization method using Time Of Arrival (TOA) and Direction Of Arrival (DOA) estimates. Simulation results prove the good estimation and tracking performance of the proposed method in typical propagation environments. Part II: Mobile Localization in Wireless Networks. This part deals with mobile localization in wireless networks and more precisely in the UMTS-FDD mode. Before presenting our contributions, we show in chapter 5, a brief summary on the evolution of cellular systems, and an overview of UMTS positioning methods. In chapter 6, we present an efficient TOA estimation method using RAKE-CFAR technique that reduces the effect of the hearability problem on mobile positioning in UMTS-FDD mode. Realistic simulation results show the accuracy improvement provided by the proposed method over a simple Rake receiver. In chapter 7, a new Mobile Station (MS) localization method is provided using Round Trip Time (RTT) measurements in the UMTS-FDD mode. The new methods take into account possible large RTT error measurements caused by Non Line of Sight (NLoS). The mobile position is then obtained only from the three most reliable RTT among the set of all RTT estimates when available. This method is also efficient even if all RTT measurements correspond to the LoS case. More precisely, this algorithm allows the selection of the least ’noisy’ RTT when all measurements are of LoS type. Simulation results show the gain of positioning accuracy provided by the proposed algorithm. In chapter 8, we propose an adaptive Interactive Multiple Models (IMM) Unscented Kalman Filter (UKF) with an efficient RAKE-CFAR method for mobile tracking in NLoS situation. This new algorithm is based first on an efficient and adaptive TOA estimation method, and an IMM-UKF method in order to operate in Non-Line-of-Sight situations and to track manoeuvring mobile. Realistic simulation results are presented in the UMTS-FDD mode to show the tracking accuracy provided by our proposed algorithm. Part III: Appendix. The appendix provides in chapters 9 and 10 complete proofs of some results of Part I and II and contains some details about the UMTS simulator

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações
Com esta dissertação pretende-se estudar e projectar um sistema de controlo e comunicação Machine to Machine que monitorize elementos móveis, por recurso a comunicações via GSM/UMTS (Global System for Mobile Communications/Universal Mobile Telecommunications System). A ideia do projecto é monitorizar e recolher informação telemática de um veículo utilizando a rede GSM/UMTS. As informações colectadas são, as coordenadas GPS, e informações referentes à antena GSM à qual o dispositivo se encontra ligado, assim como a recolha de fotografias. O dispositivo criado permite assim a georreferenciação fotográfica, sendo um excelente método para segurança e monitorização remota.
This dissertation's concern is the study and design of a system for control and communication Machine to Machine for mobile elements monitorization, communicating by GSM / UMTS (Global System for Mobile Communications / Universal Mobile Telecommunications System). The project goal is to collect and monitorize a vehicle's telematic information using the GSM / UMTS. The collected information consists of the GPS coordinates and information about the GSM antenna to which the device is connected, as well as a collection of photographs. Hence, the created device allows for photographic geo-reference, which is a reliable solution for both security and remote monitorization.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações
The dissertation deals with measuring and analyzing spectrum occupancy of a GSM900 band, DCS1800 band and all UMTS bandwidth. A modelization for analog power and binary quantized power is given. In the case of analog power, histograms of the power distribution during one working day are presented. In the case of quantized power the two time statistics, the time period of opportunities distribution and the time between opportunities distribution are presented, described and modeled. The measurement setup is standing in line of sight with the base station. Also, in terms of maximum sensitivity the measurement setup is described and analyzed. Spectrum non occupancy in terms of total time for the GSM900 band and the DCS1800 band is given, for a working day.
Nesta dissertação são feitas medidas e a análise de ocupação de espectro em uma banda de GSM900, uma banda de DCS1800 e toda a largura de banda do UMTS. É apresentada uma modelização para potência analógica e para a potência binária quantizada. No caso da potência analógica são apresentados histogramas da distribuição de potência ao longo de um dia útil. No caso da potência quantizada as duas estatísticas, distribuição do período de tempo de oportunidades e distribuição do tempo entre oportunidades, são apresentadas, descritas e modeladas. O setup de medida encontra-se em linha de vista com a estação base. O setup é descrito e analisado em termos de máxima sensibilidade. A desocupação de espectro em termos de tempo total para a banda de GSM900 e para a banda DCS1800 é fornecida, para um dia de útil.

SIP (Session Initiation Protocol) est un protocole de signalisation conçu pour le contrôle de session multimédia dans un réseau IP. Le protocole SIP est déjà largement adopté par l’industrie pour les services convergents de prochaine génération qui incluent notamment voix, vidéo, jeux, information de Présence, Chat, conférences multimédia. L’IP Multimedia Subsystem (IMS) constitue l’évolution majeure du Cœur de Réseau UMTS permettant l'utilisation du protocole SIP en adéquation avec les contraintes des réseaux mobiles. L’objet de cette thèse est d’analyser les obstacles existants au déploiement de services multimédia basés sur le protocole SIP dans les réseaux fixes et mobiles et de proposer des solutions aux verrous correspondants. Les études menées se décomposent en deux principaux volets : d’une part on analyse l’architecture multimédia SIP définie par l’IP Multimédia Subsystem afin de le mutualiser à partir d’accès hétérogènes (xDSL, câble, 3G). D’autre part on analyse les aspects relatifs aux architectures de service, en particulier : mécanismes de déclenchement, gestion des interactions entre services ou entre primitives, prise en compte des caractéristiques des terminaux dans la logique de service et commande de média. Pour chacun de ces domaines nous proposons les modifications protocolaires et d’architecture ainsi que les mécanismes correspondants. Le but de ces évolutions est de permettre - ou de faciliter- la mise en œuvre de services convergents et innovants dans les réseaux fixes et mobiles.

Cette thèse traite de l'intégration du trafic multimédia sur la voie montante de l'interface radio de l'UMTS. Le problème est abordé dans sa globalité, considérant à la fois les possibilités de partage de la ressource, une bonne caractérisation du trafic à transmettre et les possibilités ouvertes dans la norme UMTS. L'attention est plus particulièrement portée sur la vidéo MPEG4 et les données de type Internet. La première partie de la thèse dégage une approche du partage de ressource radio en mode WCDMA. Les performances du mécanisme de multiplexage de niveau couche physique avec qualité de transmission différenciée et l'impact du mécanisme d'adaptation de débit sont évalués. Cette analyse débouche sur la construction d'une fonction de coût pour l'estimation de la capacité cellulaire multiservice et la proposition d'une méthode d'équilibrage adaptatif de la qualité de transmission. La seconde partie de la thèse présente un nouveau modèle statistique pour le trafic vidéo MPEG4. Ce modèle consiste en une particularisation du processus DBMAP et permet d'évaluer analytiquement les performances de transmission à la traversée d'un système à file d'attente. La dernière partie de la thèse intègre l'ensemble de ces travaux pour aboutir à une stratégie d'ordonnancement coopérative multiplexant efficacement les paquets issus d'applications multimédia temps réel et non temps réel, dans le respect des contraintes d'intégrité et de retard. Une méthode analytique faisant appel à la théorie des files d'attente de type M/G/1 est fournie pour le calcul des retards subis par les paquets vidéo MPEG4 et les données lorsque cette stratégie est mise en œuvre au sein d'un réseau UMTS
This thesis deals with the integration of multimedia traffic on the uplink of the UMTS radio interface. The problem is tackled in its globality, considering jointly the resource sharing possibilities, a good characterization of the traffic to transmit and the possibilities opened in the UMTS standard. The attention is more particularly focused on MPEG4 video and data of the Internet type. The first part of the thesis provides an approach of radio resource sharing in WCDMA mode. The performances of the physical layer multiplexing mechanism with quality of transmission differentiation and the impact of the rate matching mechanism are evaluated. This analysis serves as a basis for the construction of a cost function for estimating the multiservice cellular capacity and the proposition of a quality of transmission adaptive balancing method. The second part of the thesis presents a new statistical model for MPEG4 video traffic. This model consists in a customization of the DBMAP process and allows evaluating the queueing performances analytically. The last part of the thesis integrates this set of works yielding a cooperative scheduling strategy that efficiently multiplexes the packets generated by real time and non real time multimedia applications while respecting the integrity and delay constraints. An analytical method based on M/G/1 type queueing systems theory is given for computing the delays incurred by MPEG4 video and data packets when this strategy is implemented in a UMTS network

The main objectives of this research are to investigate and design low profile antennas for mobile handsets applications using the balanced concept. These antennas are considered to cover a wide range of wireless standards such as: DCS (1710¿1880 MHz), PCS (1850¿1990 MHz), UMTS (1920¿2170 MHz), WLAN (2400¿2500 MHz and 5000 ¿ 5800 MHz) and UWB frequency bands. Various antennas are implemented based on built-in planar dipole with a folded arm structure. The performance of several designed antennas in terms of input return loss, radiation patterns, radiation efficiency and power gain are presented and several remarkable results are obtained. The measurements confirm the theoretical design concept and show reasonable agreement with computations. The stability performance of the proposed antenna is also evaluated by analysing the current distribution on the mobile phone ground plane. The specific absorption rate (SAR) performance of the antenna is also studied experimentally by measuring antenna near field exposure. The measurement results are correlated with the calculated ones. A new dual-band balanced antenna using coplanar waveguide structure is also proposed, discussed and tested; this is intended to eliminate the balanced feed network. The predicted and measured results show good agreement, confirming good impedance bandwidth characteristics and excellent dual-band performance. In addition, a hybrid method to model the human body interaction with a dual band balanced antenna structure covering the 2.4 GHz and 5.2 GHz bands is presented. Results for several test cases of antenna locations on the body are presented and discussed. The near and far fields were incorporated to provide a full understanding of the impact on human tissue. The cumulative distribution function of the radiation efficiency and absorbed power are also evaluated.
UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC)

The main objectives of this research are to investigate and design low profile antennas for mobile handsets applications using the balanced concept. These antennas are considered to cover a wide range of wireless standards such as: DCS (1710-1880 MHz), PCS (1850-1990 MHz), UMTS (1920-2170 MHz), WLAN (2400-2500 MHz and 5000-5800 MHz) and UWB frequency bands. Various antennas are implemented based on built-in planar dipole with a folded arm structure. The performance of several designed antennas in terms of input return loss, radiation patterns, radiation efficiency and power gain are presented and several remarkable results are obtained. The measurements confirm the theoretical design concept and show reasonable agreement with computations. The stability performance of the proposed antenna is also evaluated by analysing the current distribution on the mobile phone ground plane. The specific absorption rate (SAR) performance of the antenna is also studied experimentally by measuring antenna near field exposure. The measurement results are correlated with the calculated ones. A new dual-band balanced antenna using coplanar waveguide structure is also proposed, discussed and tested; this is intended to eliminate the balanced feed network. The predicted and measured results show good agreement, confirming good impedance bandwidth characteristics and excellent dual-band performance. In addition, a hybrid method to model the human body interaction with a dual band balanced antenna structure covering the 2.4 GHz and 5.2 GHz bands is presented. Results for several test cases of antenna locations on the body are presented and discussed. The near and far fields were incorporated to provide a full understanding of the impact on human tissue. The cumulative distribution function of the radiation efficiency and absorbed power are also evaluated.

La presente tesina consiste en el diseño de migración de nodos B aplicado para una RNC caída de una red móvil, con la finalidad de solucionar los problemas que se presenten ante un incidente que afecte los servicios de voz y datos de los usurarios de una red móvil. En el desarrollo de la tesina, se describe el planteamiento del problema, el marco teórico de la tecnología UMTS y posteriormente nos centramos en los elementos principales de esta tecnología. También describimos los equipos importantes a utilizar en desarrollo del proyecto, en este caso nos enfocamos en la descripción de la RNC. Y finalmente describimos el desarrollo del proyecto, el diseño de la solución e implementación de la misma, y en donde se presentan los resultados del diseño. This thesis is the design of migration of nodes B and its a applied when RNC fall for a mobile network, in order to solve the problems that arise before an incident affecting voice and data services from a mobile network. In developing the thesis, we describe the theoretical framework of UMTS technology and then we focus on the main elements of this technology. We also describe the important equipment used in project development; in this case we focus on the description of the RNC. And finally we describe the solution of design and implementation .Also, the results of this project.

Originally presented as the author's thesis (Swiss Federal Institute of Technology), Diss. ETH No. 16687.
Summary in German and English, text in English. Includes bibliographical references (p. 175-180).

No
A method and apparatus are provided for ad hoc networking over a universal mobile telecommunications system (UMTS) . In the method, if user equipment (40A) (such as a mobile phone) is not within normal cell coverage (20) , then in an uplink procedure a message which would normally have not be able to be transmitted directly from the User Equipment (40A) to a Base Station (10) is instead forwarded towards the Base Station (10) via one or more intermediate User Equipments (40B) . In the method, the user equipment (40A) is arranged to synchronise itself with the Base Station (10) to acquire timeslot and frame synchronisations and thence perform probing activities to build up a list of neighbouring User Equipments. From this list and power and signal to interference calculations the user equipment (40A) is able to work out the relative positions of its neighbours with respect to the Base Station and itself and come to a routing decision for forwarding its message towards the Base Station.

M. Tech. Electrical Engineering.
Discusses how to find the best set of base station locations in 3G networks that cover a given number of mobile users with a good quality signal at optimal cost, using Genetic algorithms. The selected approach must alleviate the inefficiencies introduced traditional planning approaches.

Πρόθεση της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και υλοποίηση συγκεκριμένης τεχνικής προσδιορισμού της θέσης του συνδρομητή (η γνωστή Power of Arrivals), καθώς αυτά τα δεδομένα μπορούσαν να μας παραχωρηθούν από την εταιρία Vodafone. Έως και σήμερα, στα Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) δίκτυα δεν υπάρχει κανένας συγκεκριμένος αλγόριθμος, ενσωματωμένος στο λογισμικό, για τον προσδιορισμό της θέσης ενός συνδρομητή. Η μόνη δυνατότητα εντοπισμού που υλοποιείται ως και σήμερα, είναι είτε χρησιμοποιώντας τεχνολογία Global Positioning System (GPS) είτε κάποιο ειδικό σταθερό τμήμα λογισμικού υπολογιστή (firmware). Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μια λεπτομερής περιγραφή της πλέον γνωστής μεθόδου Power Of Arrivals (POA). Η προσπάθεια που καταβλήθηκε είχε ως βασικό άξονα την εφαρμογή αυτής της τεχνικής με τις ελάχιστες δυνατές τροποποιήσεις στο δίκτυο αλλά και έχοντας ως γνώμονα ότι η εταιρία Vodafone είναι αυτή που μας παραθέτει τα δεδομένα λήψης των σημάτων.
-

no
This paper is focused on the design of an adaptive Connection Admission Control (CAC) algorithm for a Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) based satellite system with variable link capacity. The main feature of the proposed algorithm is to maximize the resource utilization by adapting to the link conditions and the antenna gain of the users. The link quality of the user may vary depending on the weather condition, user mobility and any other propagation factors. The algorithm is compared against a non-adaptive admission control algorithm under different test cases. The proposed CAC algorithm is simulated using MATLAB and the performance results are obtained for a mix of multimedia traffic classes such as video streaming, web browsing, netted voice and email. The simulation results indicate a higher system performance in terms of the blocking ratio and the number of admitted connections.

Τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό που προτυποποιεί τις νέες τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής (multicasting) δεδομένων στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast), επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία παρουσιάζουμε αναλυτικά τον multicast τρόπο λειτουργίας του MBMS και αναλύουμε την απόδοσή του με βάση το κόστος μετάδοσης των πακέτων κάτω από διάφορες τοπολογίες δικτύου και κατανομές χρηστών. Η ανάλυση του συνολικού κόστους μετάδοσης λαμβάνει υπόψη το κόστος αποστολής των πακέτων από τον αποστολέα στους παραλήπτες συμπεριλαμβανομένου του κόστους για το paging των χρηστών, το κόστος επεξεργασίας και μετάδοσης στους κόμβους του δικτύου και το κόστος που υπεισέρχεται στους συνδέσμους της τοπολογίας. Στα πλαίσια της αξιολόγηση της ανάλυσης εξετάζουμε όλα τα κανάλια μεταφοράς που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετάδοση των multicast δεδομένων πάνω από την ασύρματη διεπαφή του δικτύου. Η ανάλυση θα φανερώσει πως ανάλογα με την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου (πλήθος χρηστών, κατανομή χρηστών, κοκ), όλα τα διαθέσιμα κανάλια μεταφοράς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποδοτική μετάδοση των multicast δεδομένων στους κινητούς χρήστες
In the recent years, the usage of third generation (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) cellular networks has begun to rise in most European countries, as in Greece. 3G networks replace the second generation mobile networks and moreover, are in position of offering advanced services to mobile users. However, the need for higher (broadband) speeds led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. However, despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), that constitutes the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel project is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to UMTS and HSPA networks. Simultaneously, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and re-use the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today, however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a ‘killer’ application for 3G’s. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia and application services such as IP Video Conferencing and Video Streaming. In this thesis, we analytically present the multicast mode of MBMS and analyze its performance in terms of packet delivery cost under various network topologies and multicast users’ distributions. The analysis of total packet delivery cost takes into account the paging cost, the processing cost and the transmission cost at nodes and links of the topology. Furthermore, for the evaluation of the scheme, we consider different transport channels for the transmission of the multicast data over the Iub and Uu interfaces of the UMTS architecture. The analysis reveals that depending on the current network conditions (user population, user distribution, etc.), all the available transport channels could be used for the efficient delivery of multicast data to mobile users.

Η ασύρματη επικοινωνία αποκτά ιδιαίτερη αξία σε μια χώρα όπως η Ελλάδα, που η μορφολογία του εδάφους της δεν επιτρέπει πολλές φορές τη χρήση εναλλακτικών μέσων μετάδοσης όπως για παράδειγμα οι οπτικές ίνες. Ειδικότερα ο τομέας της κινητής τηλεφωνίας είναι ένας ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας ο οποίος στις μέρες μας βρίσκεται σε ένα στάδιο μετεξέλιξής του καθώς το πέρασμα από τη δεύτερη στην τρίτη γενιά είναι πλέον γεγονός. Στη μεγάλη εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις των σύγχρονων καιρών για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας πληθώρα υπηρεσιών στους πελάτες – χρήστες του. Είναι γεγονός ότι, τα τελευταία χρόνια, η χρήση των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) έχει αρχίσει να επεκτείνεται. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Στην πραγματικότητα είμαστε περισσότερο κοντά παρά ποτέ στο όραμα της ενοποίησης των δικτύων παγκοσμίως καθώς επίσης και στο όραμα του “Mobile Broadband”. Είναι εύλογο λοιπόν, οι χρήστες των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς να έχουν πλέον την απαίτηση να εκτελούν εφαρμογές και να προσπελαύνουν υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας ακούμε για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η ανάλυση των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από τις παραπάνω εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Πρόκειται για μια προσπάθεια να αναλυθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων σε πραγματικό χρόνο πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών αλλά επίσης και να προταθούν νέοι μηχανισμοί για την όσο το δυνατόν βέλτιστη (από άποψη απόδοσης και ικανοποίησης του τελικού χρήστη) μετάδοση των δεδομένων. Γενικότερα οι μηχανισμοί μετάδοσης δεδομένων διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων σημείου προς σημείο (point-to-point data transmission - Unicast). • Μηχανισμοί για μετάδοση δεδομένων από ένα σημείο προς πολλά σημεία (point-to-multipoint data transmission). Όσον αφορά την πρώτη κατηγορία μηχανισμών στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και προτείνονται μηχανισμοί οι οποίοι προσαρμόζουν το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων ανάλογα με τις συνθήκες φόρτου που επικρατούν στο δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί που ονομάζονται μηχανισμοί προσαρμογής του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων είναι κυρίως μηχανισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μετάδοση εφαρμογών πραγματικού χρόνου όπως είναι για παράδειγμα η μετάδοση video σε πραγματικό χρόνο ή μια βιντεοκλήση μεταξύ δύο συνδρομητών ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Οι μηχανισμοί προσαρμογής της μετάδοσης πολυμέσων είναι μηχανισμοί μετάδοσης πολυμεσικών (adaptive streaming multimedia) δεδομένων πάνω από δίκτυα, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να προσαρμόζουν τη μετάδοση των πολυμεσικών δεδομένων στην τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Για την υλοποίηση μηχανισμών προσαρμογής της μετάδοσης απαιτείται ανάπτυξη μηχανισμών τόσο για την παρακολούθηση της κατάστασης του δικτύου όσο και για την προσαρμογή των πολυμεσικών δεδομένων στις εκάστοτε δικτυακές συνθήκες. Ο κύριος στόχος αυτών των μηχανισμών είναι η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο δίκτυο κάθε φορά που οι δικτυακές συνθήκες μεταβάλλονται. Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός δικτύου κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). To MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast) επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Έτσι λοιπόν, όσον αφορά τη δεύτερη κατηγορία μηχανισμών, η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς. Είναι προφανής η αύξηση της απόδοσης που προσφέρει το multicasting λόγω του γεγονότος ότι εκμεταλλεύεται την κατανομή των χρηστών μέσα στο δίκτυο προς όφελος της οικονομίας στην αποστολή πακέτων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται ένας multicast μηχανισμός ο οποίος προσφέρει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων από έναν κεντρικό εξυπηρετητή προς μια ομάδα κινητών χρηστών ενός δικτύου UMTS. Ο συγκεκριμένος μηχανισμός εκτός από τη λειτουργικότητα της multicast δρομολόγησης των πακέτων στους κόμβους του δικτύου, υποστηρίζεται επίσης από ένα σχήμα διαχείρισης της ομάδας των multicast χρηστών. Επιπλέον, στο μηχανισμό έχει ενσωματωθεί επιπλέον λειτουργικότητα η οποία εξασφαλίζει την αδιάλειπτη μετάδοση των δεδομένων στην ομάδα των multicast χρηστών ακόμα και όταν αυτοί βρίσκονται σε διαρκή κίνηση (Handover functionality). Επιπλέον, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μια προσπάθεια να αξιολογηθούν όλοι οι υπάρχοντες μηχανισμοί που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο UMTS για μετάδοση δεδομένων από έναν αποστολέα προς μια ομάδα παραληπτών. Συγκεκριμένα, οι τρεις μηχανισμοί που αναλύονται είναι ο Broadcast μηχανισμός, o Multiple Unicast μηχανισμός και ο Multicast μηχανισμός. Η αξιολόγηση των μηχανισμών γίνεται με χρήση ενός αναλυτικού μοντέλου το οποίο μετρά το τηλεπικοινωνιακό κόστος μετάδοσης των δεδομένων από τον έναν κόμβο του δικτύου στον άλλον. Το συγκεκριμένο μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι μηχανισμοί αξιολογούνται για διάφορες τοπολογίες του δικτύου και διαφορετικές κατανομές των χρηστών στο δίκτυο. Τέλος, αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η αξιολόγηση των καναλιών μεταφοράς του UMTS και τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση των δεδομένων. Ειδικότερα, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία ενός ολόκληρου κελιού. Τα κανάλια τα οποία αξιολογούνται είναι τα: Forward Access Channel, High Speed – Downlink Shared Channel και Dedicated Channel. Τα παραπάνω κανάλια μεταφοράς αξιολογούνται με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν και τέλος την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη.
As communications technology is being developed, users’ demand for multimedia services raises. Meanwhile, the Internet has enjoyed tremendous growth in recent years. Consequently, there is a great interest in using the IP-based networks to provide multimedia services. One of the most important areas in which the issues are being debated, is the development of standards for the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS). UMTS constitutes the third generation (3G) of cellular wireless networks which aims to provide high-speed data access along with real time voice calls. Wireless data is one of the major boosters of wireless communications and one of the main motivations of the next generation standards. The recent years, the usage of third generation cellular networks has begun to rise all over the world. These new infrastructures substitute the existed second generation cellular networks and offer broadband services to mobile users. Through the 3G mobile networks, the mobile users have the opportunity to run applications and realize services that offered until today only by wired networks. Such broadband services are mobile Internet, mobile TV, mobile gaming, mobile streaming, video calls etc. The main target of this dissertation is the study and the analysis of the mechanisms that are operated behind the above mentioned services and applications. More specifically, we analyze already existed mechanisms used for the transmission of real time services over 3G networks and furthermore we propose new mechanisms for the effective data transmission in 3G networks in terms of network performance and satisfaction of the mobile user. Generally, we consider two categories of mechanisms for the data transmission: • Mechanisms for point to point data transmission. • Mechanisms for point to multipoint data transmission. Regarding the first category of the mechanisms, in this dissertation, we analyze and propose mechanisms for real time data transmission in 3G networks. We focus firstly on schemes that reliable transmit the real time data to mobile users and secondly on mechanisms for adaptive multimedia transmission in UMTS. Bandwidth is a valuable and limited resource for UMTS and every wireless network, in general. Therefore, it is of extreme importance to exploit this resource in the most efficient way. It is essential for a wireless network to have an efficient bandwidth allocation scheme in order the mobile user to experience both real time applications and Internet applications such as HTTP or SMTP. Consequently, when a user experiences a real time application, there should be enough bandwidth available at any time for any other application that the mobile user might realize. In addition, when two different applications run together, the network should guarantee that there is no possibility for any of the above-mentioned applications to prevail against the other by taking all the available channel bandwidth. Taking into consideration the fact that Internet applications adopt mainly TCP as the transport protocol, while real time applications mainly use RTP, the network should guarantee that RTP does not prevail against the TCP traffic. Consequently, this means that there should be enough bandwidth available in the wireless channel for the Internet applications to run properly. To this direction, rate control of real time applications is an important issue in mobile networks. With the aid of rate control schemes the network could adapt the packet transmission rate of real time applications according to the current network conditions giving the opportunity to the mobile users to experience both real time and non real time applications at the same time in their mobile devices. Regarding the second category of the mechanisms, although UMTS networks offer high capacity, the expected demand will certainly overcome the available resources. Thus, the multicast transmission over the UMTS networks constitutes a challenge and an area of research. To this direction the third Generation Partnership Project (3GPP) is currently standardizing the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) framework of UMTS. In this dissertation, we present a new mechanism for the efficient multicast data routing in UMTS. The proposed mechanism is enhanced with multicast group management functionality as well as with functionality related to the user mobility (handover and relocation). Furthermore, it is known that multicasting is more efficient method of supporting group communication than unicasting or broadcasting, as it allows transmission and routing of packets to multiple destinations using fewer network resources. In this dissertation, the three above mentioned methods of supporting group communication in UMTS are analyzed in terms of their performance. The critical parameters of primary interest for the evaluation of any method are the packet delivery cost and the scalability of the method. Finally, this dissertation analyses the role of power control in the multicast transmission in UMTS. It is proposed a power control scheme for the efficient radio bearer selection in MBMS. The choice of the most efficient transport channel in terms of power consumption is a key point for the MBMS since a wrong transport channel selection for the transmission of the MBMS data could result to a significant decrease in the total capacity of the system. Various UMTS transport channels are examined for the transmission of the multicast data and a new algorithm is proposed for the more efficient usage of power resources in the base station.

In this thesis we address the problem of providing end-to-end quality of service (QoS) to real-time and data connections in a third generation (3G) cellular network based on the Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) standard. Data applications usually use TCP (Transmission Control Protocol) and the QoS is a minimum guaranteed mean throughput. For this one first needs to compute the throughput of a TCP connection sending its traffic through the UMTS network (possibly also through the wired part of the Internet). Thus we obtain closed form expressions for a TCP throughput in a UMTS environment. For downloading data at a mobile terminal, the packets of each TCP connection are stored in separate queues at the base station (node B). These are fragmented into Protocol Data Units (PDU). The link layer uses ARQ (Automatic Repeat Request). Thus there can be significant random transmission/queueing delays of TCP packets at the node B. On the other hand the link may not be fully utilized due to the delays of the TCP packets in the rest of the network. In such a scenario the existing models of TCP may not be sufficient. Thus we provide new approximate models for TCP and also obtain new closed form expressions of mean window size. Using these we obtain the throughput of a TCP connection for the scenario where the queueing delays are non-negligible compared to the overall Round Trip Time (RTT) and also the link utilization is less than one. Our approximate models can be useful not only in the UMTS context but also else where. In the second half of the thesis, we use these approximate models of TCP to provide minimum mean throughput to data connections in UMTS. We also consider real-time applications such as voice and video. These can tolerate a little packet loss (~1%) but require an upper Bound on the delay and delay jitter (≤ 150 ms). Thus if the network provides a constant bandwidth and the received SINR is above a specified threshold ( with a certain probability), QoS for the real-time traffic will be satisfied. The 3G cellular systems are interference limited. Thus wise allocation of power is critical in these systems. Hence we consider the problem of providing end-to-end QoS to different users along with the minimization of the downlink power allocation.

博士
國立臺灣大學
資訊工程學研究所
93
The {it Universal Mobile Telecommunications System} (UMTS) adopts WCDMA as the air interface to provide variable data rate services. In WCDMA, Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) codes are assigned to different users to preserve the orthogonality among users'' physical channels. The data rate supported by an OVSF code depends on its Spreading Factor ($SF$). An OVSF code with smaller $SF$ can support higher data rate services than that with larger $SF$s. Four classes of traffics are identified in UMTS, which are conversational, streaming, interactive, and background traffics. The traffic for the conversational and streaming classes has the fairly constant characteristics. The dedicated physical channels (DPCHs) are preferred channels to serve these two classes of traffics. The interactive traffic is highly dependent on request-response patterns of end users, which has the bursty characteristics, and the applications with the background traffic does not request stringent response-time. To efficiently utilize the radio bandwidth, the shared channel technology is proposed to deliver interactive and background traffics. In this dissertation, we study the radio resource allocation for UMTS, where the dedicated and shared channel approaches are considered. For the dedicated code channel assignment, we propose two OVSF code assignment schemes, CADPB1 (Code Assignment with Dynamic Partition and Buffering 1) and CADPB2. Both schemes are simple and only incur low system overhead. The analytic model and simulation experiments are conducted to evaluate the performance of the two schemes. For the shared channel approach, we propose a Shared-Channel Assignment and Scheduling (SCAS) algorithm to allocate shared code channels to interactive and background connections, which incurs low complexity and is considered practical. We formally prove the correctness of the SCAS and also conduct simulation experiments to investigate the performance of the SCAS algorithm.

In this paper, we introduce a framework for the adaptive control of universal mobile telecommunications system (UMTS) networks in order to improve bandwidth utilization of the radio channels. The key contribution of the paper constitutes the introduction of a performance management information base for dynamically adjusting the packet scheduler and admission controller. Thus, the adaptive control framework closes the loop between network operation and network control. Furthermore, the adaptive control framework can effectively deal with the different time scales of packet scheduling and admission control. Moreover, we present a traffic model for non-real-time UMTS traffic based on measured trace data. The analysis and scaling process of the measured trace data with respect to different UMTS bandwidth classes constitutes the basic concept of this traffic characterization. Using this traffic model and simulation on the IP level, the gain of employing the adaptive control framework is illustrated by performance curves for various quality of service measures.

碩士
國立臺灣大學
資訊工程學研究所
95
3GPP 43.318 specifies the it Generic Access Network (GAN) for interworking between Wireless Local Area Network (WLAN) and Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) core network. The dual-mode Mobile Station (MS) is equipped with two communication modules to support both WLAN and UMTS radio technologies, which shortens the battery lifetime of an MS. This study proposes an analytical model and conducts simulation experiments to study the power consumption of a dual-mode MS in terms of power consumption indicator and mean packet waiting time. Our study provide guidelines for designing the WLAN-UMTS dual mode MS.

Ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία. Στη ραγδαία εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας παράλληλα πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους πελάτες - χρήστες του. Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό που προτυποποιεί τις νέες τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Κατά συνέπεια, η αγορά κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας» (Mobile Broadband). Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής (multicasting) δεδομένων στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast), επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Το κρισιμότερο σημείο που εντοπίζεται κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι ο αποτελεσματικός έλεγχος ισχύος. Οι σταθμοί βάσης των κυψελωτών αυτών δικτύων διαθέτουν περιορισμένους πόρους ισχύος, γεγονός που περιορίζει τη χωρητικότητα της κυψέλης (cell) και επιβάλλει τη χρήση μίας βέλτιστης στρατηγικής για την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος στοχεύει στη μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος, στην ελαχιστοποίηση του θορύβου στο κυψελωτό δίκτυο και κατά συνέπεια στη διασφάλιση μεγαλύτερης χωρητικότητας επιπλέον χρηστών. Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς κατά τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων αποτελεί η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς για τη μετάδοση των δεδομένων στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS πρότυπο έχουν αναπτυχθεί διάφοροι μηχανισμοί, με χαρακτηριστικό τον MBMS Counting Mechanism. Στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UMTS/HSPA δικτύου. Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού, καθώς και των αρκετών άλλων μηχανισμών που έχουν προταθεί από το 3GPP, διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα των μηχανισμών αυτών είναι η απουσία ευρυζωνικών χαρακτηριστικών καθώς και η σπατάλη σημαντικού τμήματος των ούτως ή άλλως περιορισμένων πόρων ισχύος. Εν γένει, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των πολυμεσικών δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία μίας ολόκληρης κυψέλης. Γίνεται σαφές λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση των υπαρχόντων μηχανισμών για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων/μηχανισμών για τη βελτιστοποίηση του. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της διατριβής αυτής είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και αξιολογούνται όλα τα υπάρχοντα κανάλια μεταφοράς του UMTS και της τεχνολογίας HSPA τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, και κατά συνέπεια με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν, την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη, τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της κυψέλης κ.α. Οι ιδιαίτερα αυξημένες απαιτήσεις των MBMS υπηρεσιών μας οδήγησαν στη συνέχεια στη διερεύνηση και αξιολόγηση ορισμένων τεχνικών μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος, με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως μία MBMS υπηρεσία με ρυθμό μετάδοσης 128 Kbps μπορεί να καταναλώσει έως και το 80% των πόρων ισχύος ενός σταθμού βάσης. Επομένως, γίνεται κατανοητό ότι η μετάδοση MBMS υπηρεσιών με τόσο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης καθίσταται δύσκολη έως και αδύνατη. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί τεχνικές, όπως η FACH Dynamic Power Setting, η Macro Diversity Combining και το Rate Splitting, ικανές να μειώσουν τα επίπεδα ισχύος κατά τη μετάδοση multicast δεδομένων στους MBMS χρήστες. Η διδακτορική αυτή διατριβή εξετάζει την αποδοτικότητα της χρήσης αυτών των τεχνικών εξοικονόμησης ισχύος και παρουσιάζει πειραματικά αποτελέσματα που αποκαλύπτουν το ποσό ισχύος που εξοικονομείται από κάθε μία τεχνική. Η αξιολόγηση τόσο των καναλιών μεταφοράς όσο και των τεχνικών μείωσης ισχύος θα οδηγήσει στην εύρεση ενός κατάλληλου σχήματος/μηχανισμού, ο οποίος θα εξασφαλίζει την αποδοτική εναλλαγή μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ο μηχανισμός αυτός, τον οποίο καλούμε MBMS Channel Assignment Mechanism (ή χάριν συντομίας «MCAM»), αναμένεται να εξασφαλίσει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με τους αντίστοιχους μηχανισμούς που έχουν προταθεί από το 3GPP, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Ωστόσο, το πιο αξιοπρόσεκτο πλεονέκτημα του προτεινόμενου μηχανισμού, που ουσιαστικά τον διαφοροποιεί από τις άλλες προσεγγίσεις, είναι ότι προσαρμόζεται στις αυξημένες απαιτήσεις των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς για ταυτόχρονη παροχή πολλαπλών πολυμεσικών συνόδων. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών, θέτοντας κατά τον τρόπο αυτό τον MCAM σαν έναν ισχυρό υποψήφιο για τα δίκτυα επόμενης γενιάς.
The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication. The fast development of this area was mainly motivated by the requirements of modern market for a unified and functional system of mobile communications that, at the same time, may provide numerous broadband services to its users. More specifically, in the recent years, the usage of third generation (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) cellular networks has begun to rise in most European countries, as in Greece. 3G networks have replaced the second generation mobile networks and moreover, are in position of offering advanced services to mobile users. However, the need for higher (broadband) speeds led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. However, despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel project is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to UMTS and HSPA networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. Simultaneously, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and re-use the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a “killer” application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. The main requirement during the provision of MBMS multicast services is to make an efficient overall usage of radio and network resources. This necessity mainly translates into improved power control strategies, since the base stations’ transmission power is the limiting factor of downlink capacity in UMTS networks. Under this prism, power control is one of the most critical aspects in MBMS due to the fact that downlink transmission power in UMTS networks is a limited resource and must be shared efficiently among all MBMS users in a cell. Moreover, power control aims at minimizing the transmitted power, eliminating in this way the intercell interference. However, when misused, the use of power control may lead to a high level of wasted power and worse performance results. In order to have efficient power control in MBMS, one of the most critical aspects is the selection of the transport channel for the transmission of MBMS multicast traffic. MBMS services can be provided in each cell by either multiple point-to-point (PTP) channels or by a single point-to-multipoint (PTM) channel. A wrong channel selection may result to a significant capacity decrease, thus, preventing the mass delivery of multimedia applications. It is worth mentioning that channel selection is still an open issue in today’s MBMS infrastructure mainly due to its catalytic role in MBMS performance. In the frame of MBMS power control and transport channel selection several approaches have been proposed, with main representative the 3GPP MBMS Counting Mechanism. However, none of these approaches performs optimal transport channel selection either due to the fact that some of them do not consider the power consumption as the selection criterion or because of the fact that they do not consider all the available transport channels (or combination of them) for the transmission of the MBMS data. All the above stress the need for an advanced version of these mechanisms that could deliver multimedia content to a large number of mobile users in a more efficient and economic way. After taking into account the above analysis, objective of this dissertation is the study of power control issues in next generation mobile communication networks and the development of new approaches/ mechanisms for its optimization. To this direction, this dissertation analyzes and evaluates all the available UMTS and HSPA transport channels that could be used for the transmission of MBMS multicast services. Moreover, this dissertation investigates and evaluates several power saving techniques that aim at the efficient usage of radio and network resources. Techniques, such as Dynamic Power Setting, Macro Diversity Combining and Rate Splitting are capable of decreasing the power consumption during the provision of MBMS services and may enable the mass market delivery of multimedia services to mobile users. The evaluation of the available transport channels and power saving techniques will lead to the development of a novel scheme/mechanism that will enable the efficient selection of transport channels for the transmission of MBMS services. The proposed mechanism, which we call MBMS Channel Assignment Mechanism (or «MCAM»), is expected to optimally utilize the available power resources of base stations to MBMS sessions running in the network, resulting in that way to an extensive increase on the system’s capacity. Therefore, MCAM may allow the mass provision of multimedia data to a large number of mobile users, which makes MCAM a strong candidate for next generation networks.