A evolução dos sistemas de comunicação sem fio ou wireless apresentam até agora três gerações em menos de duas décadas. Fazendo parte desta evolução estão os sistemas de telefonia celular e os emergentes Sistemas de Comunicação Pessoal ou PCS (Personal Communications Systems). Este trabalho visa apresentar duas questões importantes na evolução destes sistemas, primeiro a questão da segurança e segundo a questão da interconexão com redes heterogêneas. No trabalho, abordando a questão de segurança, são estudados, analisados e comparados os mecanismos de autenticação e privacidade implementados nos atuais padrões de telefonia celular digital e analógico, como sistemas AMPS (celular analógico americano), USCD (celular digital americano) e GSM (celular digital europeu). São identificadas a vulnerabilidade e os fraudes mais comuns nestes sistemas. Também são analisados as propostas das recentes pesquisas e o state of art em termos de segurança, para os sistemas PCS emergentes. Como conclusão apresentado um quadro comparativo resumindo as principais características de segurança adotados pelos sistemas abordados neste estudo. Uma vez apresentado os aspectos de segurança em forma isolada para cada um dos sistemas acima mencionados, é apresentado a questão segurança no contexto da interconexão com redes heterogêneas. A interconexão com redes heterogêneas é outro problema a ser resolvido na implementação da terceira geração de sistemas wireless, para fornecer o roaming automático e a mobilidade pessoal e de terminal. Neste trabalho são revisados os protocolos de sinalização SS7 (Signaling System Number 7) e MAP (Mobile Application Part), como requisitos importantes na solução da interconexão e interoperabilidade entre as redes fixas atuais com as futuras redes móveis. Como conclusão deste estudo é apresentado a proposta de uma arquitetura de protocolos de sinalização, representando a interconexão de um sistema PCS baseado no padrão J-STD-007, com a rede de telefonia celular IS-95. Esta interconexão é realizada através de uma interface de rede denominada IIF (Interworking and Interoperability Function) usando protocolos de sinalização por canal comum SS7 e MAP. Finalmente são apresentados as conclusões quanto aos objetivos alcançados, e é proposto um trabalho futuro, tomando como base o desenvolvido neste trabalho. / The evolution of wireless communications systems has developed into the third generation which is mainly represented by the Telephone Cellular Systems and PCS (Personal Communication systems). This work presents an overview about two importante issues in the evolution of the Wireless Communication Systems: Security and Interworking. Initially we carry out our study on the wireless communication security issue by analyzing and comparing some major authentication features and privacy characteristics implemented in the currently standardized cellular phone systems such as AMPS (American Analog Cellular), USCD (American Digital Cellular) and GSM (Euroupean Digital Cellular). For this end. we tentatively determine how vulnerable to the fraudulent attacks these systems are and what are those frauds commonly occurring in these systems. Also we analyze the state of art and some proposals for security problems in PCS systems found in the literature. We conclude our preliminary study with a table summarizing some principal systems' characteristics in the security issue. Next, we extend our discussion to the case of heterogeneous networks. In fact, the interconnection of heterogeneous networks is another important issue that needs to be deeply investigated in order to develop a rebust third generation of wireless communication systems, special those capable of providing automatic "roaming" and personal as well as terminal mobility. In this work we particularly discuss the protocols employed in the signaling system SS7 ( Signaling Systems Number 7) and MAP ( Mobile Application Part) which are important issues in terms of the interworking and interoperability of wireless and wireline networks. As a conclusion of this discussion, we propose a protocol architecture based on the RM-OSI model relating to the interconnection of a PCS system, J-STD-007, with the IS-95 cellular phone networks. Note that the proposed model uses the signaling systems SS7 and MAP. Finally we present some importante conclusion with respect to the objetives achieved in this work, and propose some future research activities based on this work.

A evolução dos sistemas de comunicação sem fio ou wireless apresentam até agora três gerações em menos de duas décadas. Fazendo parte desta evolução estão os sistemas de telefonia celular e os emergentes Sistemas de Comunicação Pessoal ou PCS (Personal Communications Systems). Este trabalho visa apresentar duas questões importantes na evolução destes sistemas, primeiro a questão da segurança e segundo a questão da interconexão com redes heterogêneas. No trabalho, abordando a questão de segurança, são estudados, analisados e comparados os mecanismos de autenticação e privacidade implementados nos atuais padrões de telefonia celular digital e analógico, como sistemas AMPS (celular analógico americano), USCD (celular digital americano) e GSM (celular digital europeu). São identificadas a vulnerabilidade e os fraudes mais comuns nestes sistemas. Também são analisados as propostas das recentes pesquisas e o state of art em termos de segurança, para os sistemas PCS emergentes. Como conclusão apresentado um quadro comparativo resumindo as principais características de segurança adotados pelos sistemas abordados neste estudo. Uma vez apresentado os aspectos de segurança em forma isolada para cada um dos sistemas acima mencionados, é apresentado a questão segurança no contexto da interconexão com redes heterogêneas. A interconexão com redes heterogêneas é outro problema a ser resolvido na implementação da terceira geração de sistemas wireless, para fornecer o roaming automático e a mobilidade pessoal e de terminal. Neste trabalho são revisados os protocolos de sinalização SS7 (Signaling System Number 7) e MAP (Mobile Application Part), como requisitos importantes na solução da interconexão e interoperabilidade entre as redes fixas atuais com as futuras redes móveis. Como conclusão deste estudo é apresentado a proposta de uma arquitetura de protocolos de sinalização, representando a interconexão de um sistema PCS baseado no padrão J-STD-007, com a rede de telefonia celular IS-95. Esta interconexão é realizada através de uma interface de rede denominada IIF (Interworking and Interoperability Function) usando protocolos de sinalização por canal comum SS7 e MAP. Finalmente são apresentados as conclusões quanto aos objetivos alcançados, e é proposto um trabalho futuro, tomando como base o desenvolvido neste trabalho. / The evolution of wireless communications systems has developed into the third generation which is mainly represented by the Telephone Cellular Systems and PCS (Personal Communication systems). This work presents an overview about two importante issues in the evolution of the Wireless Communication Systems: Security and Interworking. Initially we carry out our study on the wireless communication security issue by analyzing and comparing some major authentication features and privacy characteristics implemented in the currently standardized cellular phone systems such as AMPS (American Analog Cellular), USCD (American Digital Cellular) and GSM (Euroupean Digital Cellular). For this end. we tentatively determine how vulnerable to the fraudulent attacks these systems are and what are those frauds commonly occurring in these systems. Also we analyze the state of art and some proposals for security problems in PCS systems found in the literature. We conclude our preliminary study with a table summarizing some principal systems' characteristics in the security issue. Next, we extend our discussion to the case of heterogeneous networks. In fact, the interconnection of heterogeneous networks is another important issue that needs to be deeply investigated in order to develop a rebust third generation of wireless communication systems, special those capable of providing automatic "roaming" and personal as well as terminal mobility. In this work we particularly discuss the protocols employed in the signaling system SS7 ( Signaling Systems Number 7) and MAP ( Mobile Application Part) which are important issues in terms of the interworking and interoperability of wireless and wireline networks. As a conclusion of this discussion, we propose a protocol architecture based on the RM-OSI model relating to the interconnection of a PCS system, J-STD-007, with the IS-95 cellular phone networks. Note that the proposed model uses the signaling systems SS7 and MAP. Finally we present some importante conclusion with respect to the objetives achieved in this work, and propose some future research activities based on this work.

Abstract Radio resource management techniques for broadband wireless systems beyond the existing cellular systems are developed while considering their special characteristics such as multi-carrier techniques, adaptive radio links and multiple-input multiple-output (MIMO) antenna techniques. Special focus is put on the design of linear transmission strategies in a cooperative cellular system where signal processing can be performed in a centralised manner across distributed base station (BS) antenna heads. A time-division duplex cellular system based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with adaptive MIMO transmission is considered in the case where the received signals are corrupted by non-reciprocal inter-cell interference. A bandwidth efficient closed-loop compensation algorithm combined with interference suppression at the receiver is proposed to compensate for the interference and to guarantee the desired Quality of Service (QoS) when the interference structure is known solely at the receiver. A greedy beam ordering and selection algorithm is proposed to maximise the sum rate of a multiuser MIMO downlink (DL) with a block zero forcing (ZF) transmission. The performance of the block-ZF transmission combined with the greedy scheduling is shown to approach the sum capacity as the number of users increases. The maximum sum rate is often found to be achieved by transmitting to a smaller number of users or beams than the spatial dimensions allow. In addition, a low complexity algorithm for joint user, bit and power allocation with a low signalling overhead is proposed. Different linear transmission schemes, including the ZF as a special case, are developed for the scenario where the cooperative processing of the transmitted signal is applied to users located within a soft handover (SHO) region. The considered optimisation criteria include minimum power beamformer design; balancing the weighted signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) values per data stream; weighted sum rate maximisation; and balancing the weighted rate per user with additional QoS constraints such as guaranteed bit rate per user. The method can accommodate supplementary constraints, e.g., per antenna or per BS power constraints, and upper/lower bounds for the SINR values of the data streams. The proposed iterative algorithms are shown to provide powerful solutions for difficult non-convex transceiver optimisation problems. System level evaluation is performed in order to assess the impact of a realistic multi-cell environment on the performance of a cellular MIMO-OFDM system. The users located in the SHO region are shown to benefit from greatly increased transmission rates. Consequently, significant overall system level gains result from cooperative SHO processing. The proposed SHO scheme can be used for providing a more evenly distributed service over the entire cellular network.

[pt] O problema de localização de estações móveis pessoais em sistemas celulares de comunicações vem recebendo grande atenção nos últimos anos, tanto por questões ligadas à segurança como por suas amplas aplicações comerciais no desenvolvimento de novos serviços e aplicações. Nesta dissertação foi desenvolvido um ambiente de simulação de localização de estações móveis em ambiente micro celulares empregando um programa de traçado de raios pelo método da força bruta (lançamento de raios), já disponível, para estimar os comprimentos de percursos e tempos de chegada entre diversas estações rádio base e a estação móvel em cenários urbanos modelados por sólidos multifacetados. Os perfis de retardo gerados por este programa são usados como dados de entrada para um programa desenvolvido nesta dissertação que estima a localização dos móveis utilizando os métodos de Taylor e de Chan. O processo desenvolvido foi testado em ambientes de geometria simples fornecendo resultados bastante consistentes e mostrando que a técnica de traçado de raios é uma ferramenta útil para a simulação e desenvolvimento de algoritmos de localização, cujo teste em situações reais exige grande volume de medidas de alta complexidade cujos exemplos na literatura técnica são escassos. Com base nas simulações foi investigadas a influência do número de estações rádio base na precisão das estimativas de localização e realizada uma comparação do desempenho dos métodos em situações com visibilidade (LOS) e sem visibilidade (NLOS). Foi analisado ainda o efeito da altura das estações na precisão dos resultados de localização. / [en] The location of mobile terminals in mobile cellular systems has been receiving increasing attention in the last few years. This interest in focused not only in security aspects but also in the development of new services for commercial application. In this Dissertation a simulation environment for mobile stations location in microcellular systems was developed. The simulation tools include a ray tracing software, previously implemented using the ray launching technique, to estimate the path lengths and time of arrival of signals from the mobile station to several radio base stations, and new software implementing terminal location methods using the Taylor linearization and the Chan methods. The simulation tools were tested in scenarios of simple geometry producing consistent results and showing that ray tracing can be a useful tool for simulation and development of location algorithms. The simulations allowed the investigation of location precision dependence on the number of radio bases employed and the evaluation of the estimation methods in visibility (LOS) and non- visibility (NLOS) conditions. The influence of base station antennas heights was also investigated.

This thesis deals with the problem of estimating the velocity of a mobile station (MS)in a mobile communication system using the instantaneous frequency (IF) of the received signal at the MS antenna. This estimate is essential for satisfactory handover performance, effective dynamic channel assignment, and optimisation of adaptive multiple access wireless receivers. Conventional methods for estimating the MS velocity are based either on the statistics of the envelope or quadrature components of the received signal. In chapter 4 of the thesis, we show that their performance deteriorates in the presence of shadowing. Other velocity estimators have also been proposed which require prior estimation of the channel or the average received power. These are generally difficult to obtain due to the non-stationary nature of the received signal. An appropriate window which depends on the unknown MS velocity must first be applied in order to accurately estimate the required quantities. Using the statistics of the IF of the received signal at the MS antenna given in chapter 3, new velocity estimators are proposed in chapter 4 of this thesis. The proposed estimators are based on the moments, zero-crossing rate, and covariance of the received IF. Since the IF of the received signal is not affected by any amplitude distortion, the proposed IF-based estimators are robust to shadowing and propagation path-loss. The estimators for the MS velocity in a macro- and micro-cellular system are presented separately. A macro-cell system can be considered as a special case of a micro-cell in which there is no line-of-sight component at the receiver antenna. It follows that those estimators which are derived for micro-cells can be used in a macro-cell as well. In chapter 4, we analyse the performance of the proposed velocity estimators in the presence of additive noise, non-isotropic scattering, and shadowing. We also prove analytically that the proposed velocity estimators outperform the existing methods in the presence of shadowing and additive noise. The proposed IF-based estimators need prior estimation of both the IF of the received signal and Ricean K-factor. The IF estimation in a typical wireless environment, can be considered as a special case of a general problem of IF estimation in the presence of multiplicative and additive noise. In chapter 5, we show that current time-frequency approaches to this problem which are based on the peak of a time-frequency distribution (TFD) of the signal, fail because of the special shape of the power spectral density of the multiplicative noise in a wireless environment. To overcome this drawback, the use of the first-order moment of a TFD is studied in chapter 5. Theoretical analysis and simulations show that the IF estimator based on the first-order moment of a TFD exhibits negligible bias when the signal-to-additive noise ratio is more than 10 dB. The Ricean K-factor is not only necessary for velocity estimation in micro-cells, but also is a measure of the severity of fading and a good indicator of the channel quality. Two new methods for estimating the Ricean K-factor based on the first two moments of the envelope of the received signal, are proposed in chapter 6. Performance analysis presented in chapter 6, prove that the proposed K estimators are robust to non-isotropic scattering. Theoretical analysis and simulations which are presented in chapters 4 and 7 of this thesis, prove that the proposed velocity and K estimators outperform existing estimators in the presence of shadowing and additive noise.

Předkládaná disertační práce je zaměřena na „Výzkum spolehlivé komunikace pro IoT aplikace v bezdrátových sítích využívajících technologie Multi-RAT LPWAN“. Navzdory značnému pokroku v oblasti vývoje LPWA technologií umožňující masivní komunikace mezi zařízeními (mMTC), nemusí tyto technologie výkonnostně dostačovat pro nově vznikající aplikace internetu věcí. Hlavním cílem této disertační práce je proto nalezení a vyhodnocení limitů současných LPWA technologií. Na základě těchto dat jsou nevrženy nové mechanismy umožňující snazší plánování a vyhodnocování síťového pokrytí. Navržené nástroje jsou vyladěny a validovány s využitím dat získaných z rozsáhlých měřících kampaních provedených v zákaznických LPWA sítích. Tato disertační práce dále obsahuje návrh LPWA zařízení vybavených více komunikačními rozhraními (multi-RAT) které mohou umožnit překonání výkonnostních limitů jednotlivých LPWA technologií. Současná implementace se zaměřuje zejména na snížení spotřeby zařízení s více rádiovými rozhraními, což je jejich největší nevýhodou. K tomuto účelu je využito algoritmů strojového učení, které jsou schopné dynamicky vybírat nejvhodnější rozhraní k přenosu.

Předkládaná disertační práce je zaměřena na "heterogenní propojení mobilních zařízení v bezdrátových systémech 5. generace". Navzdory nepochybnému pokroku v rámci navržených komunikačních řešení postrádají mobilní sítě nastupující generace dostatečnou šířku pásma a to hlavně kvůli neefektivnímu využívání rádiového spektra. Tato situace tedy v současné době představuje řadu otázek v oblasti výzkumu. Hlavním cílem této disertační práce je proto návrh nových komunikačních mechanismů pro komunikaci mezi zařízeními v bezprostřední blízkosti s asistencí mobilní sítě a dále pak návrh a implementace algoritmů pro dynamické přidělování frekvenčního spektra v nastupujících mobilních sítích 5G. Navrhnuté komunikační mechanismy a algoritmy jsou následně komplexně vyhodnoceny pomocí nově vyvinutých simulačních nástrojů (kalibrovaných s využitím 3GPP trénovacích dat) a zejména pak v experimentální mobilní síti LTE-A, která se nachází v prostorách Vysokého učení technického v Brně, Česká Republika. Získané praktické výsledky, které jsou podpořeny zcela novou matematickou analýzou ve speciálně navržených charakteristických scénářích, představují řešení pro vlastníka spektra v případě požadavků na jeho dynamické sdílení. Tato metoda tedy představuje možnost pro efektivnější využití spektra v rámci mobilních sítí 5G bez degradace kvality služeb (QoS) a kvality zážitků (QoE) pro koncové uživatele. Vědecký přínos dosažených výsledků dokazuje fakt, že některé z principů představených v této disertační práci byly zahrnuty do celosvětově uznávaného standardu (specifikace) 3GPP Release 12.

[pt] O problema do cálculo de cobertura em sistemas celulares operando em regiões urbanizadas tem sido bastante estudado por diversos autores, existindo um conjunto de métodos de previsão amplamente testados e implementados em ferramentas computacionais. Atualmente, com a aplicação da tecnologia celular a sistemas de transmissão de dados de faixa larga, o foco dos estudos nesta área deslocou-se para o cálculo de cobertura em micro e picocélulas. Este trabalho apresenta uma revisão dos principais métodos empíricos para a previsão da propagação em sistemas micro e picocelulares. A seguir é realizado o estudo de uma técnica mais precisa para estes cálculos, empregando traçado de raios e o rastreamento do campo eletromagnético ao longo dos mesmos segundo a Teoria Uniforme da Difração (UTD). É desenvolvido todo um conjunto de algoritmos para a aplicação do traçado de raios, considerados os problemas de reflexão, refração (transmissão) e difração num cenário tridimensional (problema vetorial). A difração é tratada a partir da generalização das formulações assintóticas disponíveis para tratar o espalhamento por obstáculos perfeitamente condutores. Parte destes algoritmos, referentes aos problemas de reflexão múltipla, foi implementada em linguagem C++ e alguns exemplos de aplicação são apresentados neste trabalho. / [en] The problem of the electromagnetic coverage in cellular systems designed to operate in urban regions has being massively studied by many authors, existing a set of prediction models largely tested and implemented in computational tools. Nowadays, with the application of the cellular technology in broadband data transmission systems, the focus of the research in this area has moved to the coverage computation in micro and picocells. This work presents a review of the main empirical methods for the propagation prediction in micro and picocellular systems. Following it, a study is made of a more precise technique for these computations, employing ray tracing and the tracking of the electromagnetic field in each point of the ray trajectory by using the Uniform Theory of Diffraction (UTD). It is developed a pack of algorithms for the application of the ray tracing techniques, to the problems of reflection, refraction (transmission through slabs) and diffraction in a tridimensional scene (vectorial problem). Diffraction is dealed with by extending available asymptotic formulations for scattering by perfectly conducting obstacles. A portion of these algorithms, refering to the problem of multiple reflections, has been implemented in a C++ computer code and applied herein to selected case studies. / [es] El problema del cálculo de cobertura en sistemas celulares que operan en regiones urbanizadas ha sido bastante estudiado por diversos autores. Como resultado, existe un conjunto de métodos de previsión ampliamente probados e implementados computacionalmente. Actualmente, con la aplicación de la tecnología celular a sistemas de transmisión de datos de larga faja, el foco de los estudios en esta área ha pasado a ser el cálculo de cobertura en micro e picocélulas. Este trabajo presenta una revisión de los principales métodos empíricos para la previsión de propagación en sistemas micro e picocelulares. A seguir se estudia una técnica más precisa para estos cálculos, que utiliza trazado de rayos y rastreamiento del campo eletromagnético según la Teoría Uniforme de la Difracción (UTD). Se desarrolla un conjunto de algoritmos para la aplicación del trazado de rayos, considerando los problemas de reflexión, refracción (transmisión) y difracción en un escenario tridimensional (problema vectorial). La difracción es tratada a partir de la generalización de las formulaciones asintóticas disponibles para tratar la dispersión por obstáculos perfectamente conductores. Una parte de estos algoritmos, referidos a los problemas de reflexión múltiple, fueron implementada en lenguaje C++ y algunos ejemplos de aplicación se apresentan en este trabajo.

En la actualidad, la Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) es una tecnología esencial para la próxima generación de sistemas inalámbricos. La conectividad es la base de IoT, y el tipo de acceso requerido dependerá de la naturaleza de la aplicación. Uno de los principales facilitadores del entorno IoT es la comunicación machine-to-machine (M2M) y, en particular, su enorme potencial para ofrecer conectividad ubicua entre dispositivos inteligentes. Las redes celulares son la elección natural para las aplicaciones emergentes de IoT y M2M. Un desafío importante en las redes celulares es conseguir que la red sea capaz de manejar escenarios de acceso masivo en los que numerosos dispositivos utilizan comunicaciones M2M. Por otro lado, los sistemas celulares han experimentado un tremendo desarrollo en las últimas décadas: incorporan tecnología sofisticada y nuevos algoritmos para ofrecer una amplia gama de servicios. El modelado y análisis del rendimiento de estas redes multiservicio es también una tarea desafiante que podría requerir un gran esfuerzo computacional. Para abordar los desafíos anteriores, nos centramos en primer lugar en el diseño y la evaluación de las prestaciones de nuevos mecanismos de control de acceso para hacer frente a las comunicaciones masivas M2M en redes celulares. Posteriormente nos ocupamos de la evaluación de prestaciones de redes multiservicio y proponemos una nueva técnica analítica que ofrece precisión y eficiencia computacional. Nuestro principal objetivo es proporcionar soluciones para aliviar la congestión en la red de acceso radio cuando un gran número de dispositivos M2M intentan conectarse a la red. Consideramos los siguientes tipos de escenarios: (i) los dispositivos M2M se conectan directamente a las estaciones base celulares, y (ii) forman grupos y los datos se envían a concentradores de tráfico (gateways) que les proporcionan acceso a la infraestructura. En el primer escenario, dado que el número de dispositivos añadidos a la red aumenta continuamente, esta debería ser capaz de manejar el considerable incremento en las solicitudes de acceso. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha propuesto el access class barring (ACB) como una solución práctica para el control de congestión en la red de acceso radio y la red troncal. El ajuste correcto de los parámetros de ACB de acuerdo con la intensidad del tráfico es crítico, pero cómo hacerlo de forma dinámica y autónoma es un problema complejo cuya solución no está recogida en las especificaciones del 3GPP. Esta tesis doctoral contribuye al análisis del rendimiento y al diseño de nuevos algoritmos que implementen efectivamente este mecanismo, y así superar los desafíos introducidos por las comunicaciones masivas M2M. En el segundo escenario, dado que la heterogeneidad de los dispositivos IoT y las arquitecturas celulares basadas en hardware imponen desafíos aún mayores para permitir una comunicación flexible y eficiente en los sistemas inalámbricos 5G, esta tesis doctoral también contribuye al diseño de software-defined gateways (SD-GWs) en una nueva arquitectura propuesta para redes inalámbricas definidas por software que se denomina SoftAir. Esto permite manejar tanto un gran número de dispositivos como el volumen de datos que estarán vertiendo en la red. Otra contribución de esta tesis doctoral es la propuesta de una técnica novedosa para el análisis de prestaciones de redes multiservicio de alta capacidad que se basa en un nuevo enfoque del modelizado analítico de sistemas que operan a diferentes escalas temporales. Este enfoque utiliza el análisis del transitorio de una serie de subcadenas absorbentes y lo denominamos absorbing Markov chain approximation (AMCA). Nuestros resultados muestran que para un coste computacional dado, AMCA calcula los parámetros de prestaciones habituales de un sistema con mayor precisión, en comparación con los resultados obtenidos por otr / Nowadays, Internet of Things (IoT) is an essential technology for the upcoming generation of wireless systems. Connectivity is the foundation for IoT, and the type of access required will depend on the nature of the application. One of the leading facilitators of the IoT environment is machine-to-machine (M2M) communication, and particularly, its tremendous potential to offer ubiquitous connectivity among intelligent devices. Cellular networks are the natural choice for emerging IoT and M2M applications. A major challenge in cellular networks is to make the network capable of handling massive access scenarios in which myriad devices deploy M2M communications. On the other hand, cellular systems have seen a tremendous development in recent decades; they incorporate sophisticated technology and algorithms to offer a broad range of services. The modeling and performance analysis of these large multi-service networks is also a challenging task that might require high computational effort. To address the above challenges, we first concentrate on the design and performance evaluation of novel access control schemes to deal with massive M2M communications. Then, we focus on the performance evaluation of large multi-service networks and propose a novel analytical technique that features accuracy and computational efficiency. Our main objective is to provide solutions to ease the congestion in the radio access or core network when massive M2M devices try to connect to the network. We consider the following two types of scenarios: (i) massive M2M devices connect directly to cellular base stations, and (ii) they form clusters and the data is forwarded to gateways that provide them with access to the infrastructure. In the first scenario, as the number of devices added to the network is constantly increasing, the network should handle the considerable increment in access requests. Access class barring (ACB) is proposed by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) as a practical congestion control solution in the radio access and core network. The proper tuning of the ACB parameters according to the traffic intensity is critical, but how to do so dynamically and autonomously is a challenging task that has not been specified. Thus, this dissertation contributes to the performance analysis and optimal design of novel algorithms to implement effectively this barring scheme and overcome the challenges introduced by massive M2M communications. In the second scenario, since the heterogeneity of IoT devices and the hardware-based cellular architectures impose even greater challenges to enable flexible and efficient communication in 5G wireless systems, this dissertation also contributes to the design of software-defined gateways (SD-GWs) in a new architecture proposed for wireless software-defined networks called SoftAir. The deployment of these SD-GWs represents an alternative solution aiming at handling both a vast number of devices and the volume of data they will be pouring into the network. Another contribution of this dissertation is to propose a novel technique for the performance analysis of large multi-service networks. The underlying complexity of the network, particularly concerning its size and the ample range of configuration options, makes the solution of the analytical models computationally costly. However, a typical characteristic of these networks is that they support multiple types of traffic flows operating at different time-scales. This time-scale separation can be exploited to reduce considerably the computational cost associated to determine the key performance indicators. Thus, we propose a novel analytical modeling approach based on the transient regime analysis, that we name absorbing Markov chain approximation (AMCA). For a given computational cost, AMCA finds common performance indicators with greater accuracy, when compared to the results obtained by other approximate methods proposed in the literature. / En l'actualitat, la Internet de les Coses (Internet of Things, IoT) és una tecnologia essencial per a la propera generació de sistemes sense fil. La connectivitat és la base d'IoT, i el tipus d'accés requerit dependrà de la naturalesa de l'aplicació. Un dels principals facilitadors de l'entorn IoT és la comunicació machine-to-machine (M2M) i, en particular, el seu enorme potencial per oferir connectivitat ubiqua entre dispositius intel · ligents. Les xarxes mòbils són l'elecció natural per a les aplicacions emergents de IoT i M2M. Un desafiament important en les xarxes mòbils que actualment está rebent molta atenció és aconseguir que la xarxa siga capaç de gestionar escenaris d'accés massiu en què una gran quantitat de dispositius utilitzen comunicacions M2M. D'altra banda, els sistemes mòbils han experimentat un gran desenvolupament en les últimes dècades: incorporen tecnologia sofisticada i nous algoritmes per oferir una àmplia gamma de serveis. El modelatge i análisi del rendiment d'aquestes xarxes multiservei és també un desafiament important que podria requerir un gran esforç computacional. Per abordar els desafiaments anteriors, en aquesta tesi doctoral ens centrem en primer lloc en el disseny i l'avaluació de les prestacions de nous mecanismes de control d'accés per fer front a les comunicacions massives M2M en xarxes cel · lulars. Posteriorment ens ocupem de l'avaluació de prestacions de xarxes multiservei i proposem una nova tècnica analítica que ofereix precisió i eficiència computacional. El nostre principal objectiu és proporcionar solucions per a alleujar la congestió a la xarxa d'accés ràdio quan un gran nombre de dispositius M2M intenten connectar-se a la xarxa. Considerem els dos tipus d'escenaris següents: (i) els dispositius M2M es connecten directament a les estacions base cel · lulars, i (ii) formen grups i les dades s'envien a concentradors de trànsit (gateways) que els proporcionen accés a la infraestructura. En el primer escenari, atès que el nombre de dispositius afegits a la xarxa augmenta contínuament, aquesta hauria de ser capaç de gestionar el considerable increment en les sol · licituds d'accés. El 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha proposat l'access class barring (ACB) com una solució pràctica per al control de congestió a la xarxa d'accès ràdio i la xarxa troncal. L'ajust correcte dels paràmetres d'ACB d'acord amb la intensitat del trànsit és crític, però com fer-ho de forma dinàmica i autònoma és un problema complex, la solució del qual no està recollida en les especificacions del 3GPP. Aquesta tesi doctoral contribueix a l'anàlisi del rendiment i al disseny de nous algoritmes que implementen efectivament aquest mecanisme, i així superar els desafiaments introduïts per les comunicacions massives M2M en les xarxes mòbils actuals i futures. En el segon escenari, atès que l'heterogeneïtat dels dispositius IoT i les arquitectures cel · lulars basades en hardware imposen desafiaments encara més grans per permetre una comunicació flexible i eficient en els sistemes sense fil 5G, aquesta tesi doctoral també contribueix al disseny de software-defined gateways (SD-GWS) en una nova arquitectura proposada per a xarxes sense fils definides per programari que s'anomena SoftAir. Això permet gestionar tant un gran nombre de dispositius com el volum de dades que estaran abocant a la xarxa. Una altra contribució d'aquesta tesi doctoral és la proposta d'una tècnica innovadora per a l'anàlisi de prestacions de xarxes multiservei d'alta capacitat que es basa en un nou enfocament del modelitzat analític de sistemes que operen a diferents escales temporals. Aquest enfocament utilitza l'anàlisi del transitori d'una sèrie de subcadenes absorbents i l'anomenem absorbing Markov chain Approximation (AMCA). Els nostres resultats mostren que per a un cost computacional donat, AMCA calcula els paràmetres de prestacions habituals d / Tello Oquendo, LP. (2018). Design and Performance Analysis of Access Control Mechanisms for Massive Machine-to-Machine Communications in Wireless Cellular Networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107946