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El presente proyecto de tesis consiste en realizar el diseño de una red de tercera generación para la ciudad de Arequipa; para esto se ha decidido utilizar la tecnología HSDPA que evoluciona a partir de la tecnología UMTS. Durante el desarrollo de este proyecto veremos el porqué de la elección de dicha tecnología y analizaremos el mercado de dicha ciudad para ver si es que requiere de la implementación de una red de tercera generación y la rentabilidad de dicha inversión.

Le conflit entre la demande de services multimédia en multidiffusion à haut débit (MBMS) et les limites en ressources radio demandent une gestion efficace de l'allocation des ressources radio (RRM) dans les réseaux 3G UMTS. À l'opposé des travaux existant dans ce domaine, cette thèse se propose de résoudre le problème de RRM dans les MBMS par une approche d’optimisation combinatoire. Le travail commence par une modélisation formelle du problème cible, désigné comme Flexible Radio Resource Management Model (F2R2M). Une analyse de la complexité et du paysage de recherche est effectuée à partir de ce modèle. Tout d’abord on montre qu'en assouplissant les contraintes de code OVSF, le problème de RRM pour les MBMS peut s'apparenter à un problème de sac à dos à choix multiples (MCKP). Une telle constatation permet de calculer les limites théoriques de la solution en résolvant le MCKP similaire. En outre, l'analyse du paysage montre que les espaces de recherche sont accidentés et constellés d'optima locaux. Sur la base de cette analyse, des algorithmes métaheuristiques sont étudiés pour résoudre le problème. Nous montrons tout d'abord que un Greedy Local Search (GLS) et un recuit simulé (SA) peuvent trouver de meilleures solutions que les approches existantes implémentées dans le système UMTS, mais la multiplicité des optima locaux rend les algorithmes très instables. Un algorithme de recherche tabou (TS) incluant une recherche à voisinage variable (VNS) est aussi développé et comparé aux autres algorithmes (GLS et SA) et aux approches actuelles du système UMTS ; les résultats de la recherche tabou dépassent toutes les autres approches. Enfin les meilleures solutions trouvées par TS sont également comparées avec les solutions théoriques générées par le solveur MCKP. On constate que les meilleures solutions trouvées par TS sont égales ou très proches des solutions optimales théoriques. / The high throughputs supported by the multimedia multicast services (MBMS) and the limited radio resources result in strong requirement for efficient radio resource management (RRM) in UMTS 3G networks. This PhD thesis proposes to solve the MBMS RRM problem as a combinatorial optimization problem. The work starts with a formal modeling of the problem, named as the Flexible Radio Resource Management Model (F2R2M). An in-depth analysis of the problem complexity and the search landscape is done from the model. It is showed that, by relaxing the OVSF code constraints, the MBMS RRM problem can be approximated as a Multiple-Choice Knapsack Problem (MCKP). Such work allows us to compute the theoretical solution bounds by solving the approximated MCKP. Then the fitness landscape analysis shows that the search spaces are rough and reveal several local optimums. Based on the analysis, some metaheuristic algorithms are studied to solve the MBMS RRM problem. We first show that a Greedy Local Search (GLS) and a Simulated Annealing (SA) allow us to find better solutions than the existing approaches implemented in the UMTS system, however the results are instable due to the landscape roughness. Finally we have developed a Tabu Search (TS) mixed with a Variable Neighborhood Search (VNS) algorithm and we have compared it with GLS, SA and UMTS embedded algorithms. Not only the TS outperforms all the other approaches on several scenarios but also, by comparing it with the theoretical solution bounds generated by the MCKP solver, we observe that TS is equal or close to the theoretical optimal solutions.

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.

Robust signal acquisition is an important task in DS-SS receivers. The objective of the acquisition is to coarsely estimate the signal parameters such that the succeeding parameter tracking algorithms can be initialized. In particular, acquisition is needed to coarsely synchronize the receiver to the timing and frequency of the received signal. For this purpose mainly data aided and feedforward algorithms are applied. Using the maximum likelihood (ML) criterion, an estimator for the joint estimation of receive timing and frequency offset can be derived which determines the maximum of the Likelihood function over the whole parameter uncertainty region. Due to its high complexity the ML synchronizer is difficult to implement for practical applications. Hence, complexity reduced algorithms need to be derived. This thesis gives a systematic survey of acquisition algorithms and of performance analysis methods for analyzing such algorithms under mobile radio propagation conditions. The exploitation of multiple observations is investigated in order to improve the acquisition performance in terms of false alarm rate and acquisition time. In particular, optimal and suboptimal combining schemes for a fixed observation interval as well as sequential utilization of successive observations resulting in a variable observation length are analyzed. Another possibility to make the signal acquisition more efficient in terms of the acquisition time is to use multi stage acquisition algorithms. One class of those algorithms are the well known multiple dwell algorithms. A different approach is to design acquisition procedures in which the information about the unknown parameters is distributed among several stages such that each stage has to cope with a smaller uncertainty region in comparison to the overall parameter uncertainty. Analysis of multi stage algorithms followed by an extensive discussion of the 3GPP FDD downlink acquisition procedure as an example of a multi stage procedure with distributed information conclude the work. / Die zuverlässige Signalakquisition, die auch als Grobsynchronisation bezeichnet wird, stellt eine wichtige Aufgabe in DS-SS-Systemen dar. Das Ziel hierbei ist es, Schätzwerte fur die Übertragungsparameter derart zu bestimmen, dass die der Grobsynchronisation nachfolgende Feinsynchronisation initialisiert werden kann, d. h. dass die bestimmten Schätzwerte innerhalb des Fangbereiches der Feinsynchronisationsalgorithmen liegen. Insbesondere ist es für die Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Frequenzversatz sinnvoll, eine Grobsynchronisation durchzuführen. Im Interesse einer begrenzten Komplexität sowie einer möglichst schnellen Akquisition finden vor allem datengestützte und vorwärtsverarbeitende Algorithmen Anwendung. Ausgehend vom Maximum-Likelihood-Kriterium (ML-Kriterium) können geeignete Schätzer für die gemeinsame Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Frequenzversatz abgeleitet werden. Dabei ist das Maximum der Likelihood-Funktion innerhalb der Parameterunsicherheitsregion zu bestimmen. Aufgrund seiner hohen Komplexität ist der ML-Schatzer fur die Akquisition wenig geeignet; vielmehr müssen aufwandsgünstige Algorithmen mit ausreichender Leistungsfähigkeit gefunden werden. In dieser Arbeit werden verschiedene Algorithmen zur Parameterakquisition systematisierend gegenübergestellt. Weiterführend sind Verfahren zur Verbesserung des Akquisitionsverhaltens bezüglich Fehlalarm-Wahrscheinlichkeit und Akquisitionszeit unter Ausnutzung mehrfacher Beobachtung Gegenstand der Betrachtungen. Insbesondere optimale und suboptimale Verfahren mit fester Beobachtungsdauer sowie die sequentielle Auswertung aufeinander folgender Beobachtungen, bei der sich die Beobachtungsdauer nach der erreichten Entscheidungssicherheit bestimmt, werden analysiert. Als eine weitere Möglichkeit, die Signalakquisition in Bezug auf die Akquisitionszeit effizienter zu gestalten, werden mehrstufige Akquisitionsverfahren diskutiert. Es werden zum einen die häufig genutzten Mehrfach-Dwell-Algorithmen sowie mehrstufige Algorithmen mit verteilter Information betrachtet. Bei Letzteren Algorithmen wird jeder Akquisitionsstufe ein Teil der zur Synchronisation benötigten Information zugeordnet, wodurch sich die Parameter-Unsicherheit für jede einzelne Stufe verringert. Ziel hierbei ist es, durch Erhöhung der Entscheidungssicherheit der einzelnen Stufen die mittlere Akquisitionszeit zu reduzieren. Die Diskussion und die Analyse von mehrstufigen Akquisitionsverfahren bilden den Abschluss der Arbeit, wobei besonders auf die 3GPP-FDD Downlink-Akquisition als ein Beispiel fur mehrstufige Verfahren mit verteilter Information eingegangen wird.

Robust signal acquisition is an important task in DS-SS receivers. The objective of the acquisition is to coarsely estimate the signal parameters such that the succeeding parameter tracking algorithms can be initialized. In particular, acquisition is needed to coarsely synchronize the receiver to the timing and frequency of the received signal. For this purpose mainly data aided and feedforward algorithms are applied. Using the maximum likelihood (ML) criterion, an estimator for the joint estimation of receive timing and frequency offset can be derived which determines the maximum of the Likelihood function over the whole parameter uncertainty region. Due to its high complexity the ML synchronizer is difficult to implement for practical applications. Hence, complexity reduced algorithms need to be derived. This thesis gives a systematic survey of acquisition algorithms and of performance analysis methods for analyzing such algorithms under mobile radio propagation conditions. The exploitation of multiple observations is investigated in order to improve the acquisition performance in terms of false alarm rate and acquisition time. In particular, optimal and suboptimal combining schemes for a fixed observation interval as well as sequential utilization of successive observations resulting in a variable observation length are analyzed. Another possibility to make the signal acquisition more efficient in terms of the acquisition time is to use multi stage acquisition algorithms. One class of those algorithms are the well known multiple dwell algorithms. A different approach is to design acquisition procedures in which the information about the unknown parameters is distributed among several stages such that each stage has to cope with a smaller uncertainty region in comparison to the overall parameter uncertainty. Analysis of multi stage algorithms followed by an extensive discussion of the 3GPP FDD downlink acquisition procedure as an example of a multi stage procedure with distributed information conclude the work. / Die zuverlässige Signalakquisition, die auch als Grobsynchronisation bezeichnet wird, stellt eine wichtige Aufgabe in DS-SS-Systemen dar. Das Ziel hierbei ist es, Schätzwerte fur die Übertragungsparameter derart zu bestimmen, dass die der Grobsynchronisation nachfolgende Feinsynchronisation initialisiert werden kann, d. h. dass die bestimmten Schätzwerte innerhalb des Fangbereiches der Feinsynchronisationsalgorithmen liegen. Insbesondere ist es für die Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Frequenzversatz sinnvoll, eine Grobsynchronisation durchzuführen. Im Interesse einer begrenzten Komplexität sowie einer möglichst schnellen Akquisition finden vor allem datengestützte und vorwärtsverarbeitende Algorithmen Anwendung. Ausgehend vom Maximum-Likelihood-Kriterium (ML-Kriterium) können geeignete Schätzer für die gemeinsame Bestimmung von Synchronisationszeitpunkt und Frequenzversatz abgeleitet werden. Dabei ist das Maximum der Likelihood-Funktion innerhalb der Parameterunsicherheitsregion zu bestimmen. Aufgrund seiner hohen Komplexität ist der ML-Schatzer fur die Akquisition wenig geeignet; vielmehr müssen aufwandsgünstige Algorithmen mit ausreichender Leistungsfähigkeit gefunden werden. In dieser Arbeit werden verschiedene Algorithmen zur Parameterakquisition systematisierend gegenübergestellt. Weiterführend sind Verfahren zur Verbesserung des Akquisitionsverhaltens bezüglich Fehlalarm-Wahrscheinlichkeit und Akquisitionszeit unter Ausnutzung mehrfacher Beobachtung Gegenstand der Betrachtungen. Insbesondere optimale und suboptimale Verfahren mit fester Beobachtungsdauer sowie die sequentielle Auswertung aufeinander folgender Beobachtungen, bei der sich die Beobachtungsdauer nach der erreichten Entscheidungssicherheit bestimmt, werden analysiert. Als eine weitere Möglichkeit, die Signalakquisition in Bezug auf die Akquisitionszeit effizienter zu gestalten, werden mehrstufige Akquisitionsverfahren diskutiert. Es werden zum einen die häufig genutzten Mehrfach-Dwell-Algorithmen sowie mehrstufige Algorithmen mit verteilter Information betrachtet. Bei Letzteren Algorithmen wird jeder Akquisitionsstufe ein Teil der zur Synchronisation benötigten Information zugeordnet, wodurch sich die Parameter-Unsicherheit für jede einzelne Stufe verringert. Ziel hierbei ist es, durch Erhöhung der Entscheidungssicherheit der einzelnen Stufen die mittlere Akquisitionszeit zu reduzieren. Die Diskussion und die Analyse von mehrstufigen Akquisitionsverfahren bilden den Abschluss der Arbeit, wobei besonders auf die 3GPP-FDD Downlink-Akquisition als ein Beispiel fur mehrstufige Verfahren mit verteilter Information eingegangen wird.

Currently, the IPv4 protocol is heavily used by institutions, companies and individuals, but every day there is a higher number of devices connected to the network such as home appliances, mobile phones or tablets. Each machine or device needs to have its own IP address to communicate with other machines connected to Internet. This implies the need for multiple IP addresses for a single user and the current protocol begins to show some deficiencies due to IPv4 address space exhaustion. Therefore, for several years experts have been working on an IP protocol update: the IPv6 128-bit version can address up to about 340 quadrillion system devices concurrently. With IPv6, today, every person on the planet could have millions of devices simultaneously connected to the Internet. The choice of the IP protocol version affects the performance of the UMTS mobile network and the browsers as well. The aim of the project is to measure how the IPv6 protocol performs compared to the previous IPv4 protocol. It is expected that the IPv6 protocol generates a smaller amount of signalling and less time is required to fully load a web page. We have analysed some KPIs (IP data, signalling, web load time and battery) in lab environment using Smartphones, to observe the behaviour of both, the network and the device.  The main conclusion of the thesis is that IPv6 really behaves as expected and generates savings in signalling, although the IP data generated is larger due to the size of the headers. However, there is still much work as only the most important webpages and the applications with a high level of market penetration operate well over the IPv6 protocol. / Cada día existe un mayor número de dispositivos conectados a la red, tales como electrodomésticos, teléfonos móviles inteligentes o tabletas, por lo que la red debe evolucionar constantemente y ser capaz de proveer servicio a todos los usuarios. Cada equipo necesita tener su propia dirección IP para comunicarse con otras máquinas conectadas a Internet, por lo que es necesario tener un gran número de direcciones IP y la versión del protocolo actual comienza a mostrar algunas deficiencias (debido fundamentalmente al agotamiento del espacio de direccionamiento IPv4 y algunas funciones de seguridad que han quedado obsoletas). Desde hace varios años, los expertos están trabajando en una actualización del protocolo IP: la versión seis (llamada IPv6) que utiliza 128 bits para el direccionamiento pudiendo administrar simultáneamente hasta unos 340 trillones de dispositivos al mismo tiempo. La elección de la versión del protocolo IP afecta al comportamiento de la red móvil, ya que los expertos todavía están optimizando y realizando cambios en la arquitectura de red y en los dispositivos para soportar el protocolo IPv6. El objetivo del proyecto consiste en comparar y evaluar las diferentes versiones del protocolo IP utilizado, en gran medida, para acceder a la red de internet. La principal conclusión del proyecto es que IPv6 realmente se comporta como se espera y genera ahorros en la señalización, aunque los datos IP generados son mayores. Sin embargo, aún queda mucho trabajo por hacer, ya que sólo las páginas más importantes y las aplicaciones más utilizadas por los usuarios funcionan bien sobre el protocolo IPv6.

Radio access technologies evolving fast, mobile operators have to handle an increasing amount of base stations and frequency bands for their network to continue to function. This is a costly venture for mobile network operators that continuously have to keep up to date with never-ending advancements in technologies, as base stations are costly to build and to maintain. It is therefore necessary for these companies to investigate when to close down base stations that are not necessary anymore. With the upcoming release of 5G, it is expected that 3G is going to be less and less used—as of 2018, it is already less used than 4G in developed countries.This thesis analyses the corporate data of a mobile operator, Telenor Sweden, in order to make clear which metrics are important to take into account as regards to deciding whether or not to close down a base station. It provides methods and models to help a mobile operator to take such a decision. It focuses on UMTS (3G) base stations, even though the results can be generalized for other technologies as well.It evaluates the economic feasibility of closing a base station, with regards to how many users are still connecting to it. More importantly, it explains for what reasons users’ devices switch to 3G, and investigates what can be done to avoid switching from 4G to 3G, so as to make it easier to close down a 3G site. It provides eventually a model to help to know when closing a site, given the traffic data of the operator. / Radioåtkomstteknologier utvecklas snabbt, mobiloperatörer måste hantera en ökande mängd basstationer och frekvensband för att deras nätverk fortsätter att fungera. Detta är ett dyrt satsning för mobilnätoperatörer som kontinuerligt måste hålla sig uppdaterade med oändliga tekniska framsteg, eftersom basstationerna är kostsamma att bygga och underhålla. Det är därför nödvändigt för dessa företag att undersöka när man ska stänga basstationer som inte längre är nödvändiga. Med den kommande utgåvan av 5G förväntas 3G att bli mindre och mindre används. Från och med 2018 används den redan mindre än 4G i industriländer. Denna avhandling analyserar företagsdata från en mobiloperatör, Telenor, för att klargöra vilka mätvärden som är viktiga att ta hänsyn till när det gäller att avgöra om en basstation ska stängas eller inte. Det ger metoder och modeller för att hjälpa en mobiloperatör att fatta ett sådant beslut. Den fokuserar på UMTS (3G) basstationer, även om resultaten kan generaliseras för annan teknik också. Det utvärderar den ekonomiska möjligheten att stänga en basstation, med tanke på hur många användare som fortfarande ansluter till den. Viktigare är det att det förklaras av vilka anledningar användarens enheter växlar till 3G och undersöker vad som kan göras för att undvika att växla från 4G till 3G, så att det blir lättare att stänga en 3G-basstation. Det ger så småningom en modell som hjälper till att veta när man stänger en webbplats, med tanke på operatörens trafikdata.

Transmission of video content over wireless access networks (in particular, Wireless Local Area Networks (WLAN) and Third Generation Universal Mobile Telecommunication System (3G UMTS)) is growing exponentially and gaining popularity, and is predicted to expose new revenue streams for mobile network operators. However, the success of these video applications over wireless access networks very much depend on meeting the user’s Quality of Service (QoS) requirements. Thus, it is highly desirable to be able to predict and, if appropriate, to control video quality to meet user’s QoS requirements. Video quality is affected by distortions caused by the encoder and the wireless access network. The impact of these distortions is content dependent, but this feature has not been widely used in existing video quality prediction models. The main aim of the project is the development of novel and efficient models for video quality prediction in a non-intrusive way for low bitrate and resolution videos and to demonstrate their application in QoS-driven adaptation schemes for mobile video streaming applications. This led to five main contributions of the thesis as follows:(1) A thorough understanding of the relationships between video quality, wireless access network (UMTS and WLAN) parameters (e.g. packet/block loss, mean burst length and link bandwidth), encoder parameters (e.g. sender bitrate, frame rate) and content type is provided. An understanding of the relationships and interactions between them and their impact on video quality is important as it provides a basis for the development of non-intrusive video quality prediction models.(2) A new content classification method was proposed based on statistical tools as content type was found to be the most important parameter. (3) Efficient regression-based and artificial neural network-based learning models were developed for video quality prediction over WLAN and UMTS access networks. The models are light weight (can be implemented in real time monitoring), provide a measure for user perceived quality, without time consuming subjective tests. The models have potential applications in several other areas, including QoS control and optimization in network planning and content provisioning for network/service providers.(4) The applications of the proposed regression-based models were investigated in (i) optimization of content provisioning and network resource utilization and (ii) A new fuzzy sender bitrate adaptation scheme was presented at the sender side over WLAN and UMTS access networks. (5) Finally, Internet-based subjective tests that captured distortions caused by the encoder and the wireless access network for different types of contents were designed. The database of subjective results has been made available to research community as there is a lack of subjective video quality assessment databases.

Cette étude contribue à la recherche de formes originales et non intuitives d'antennes miniatures. Il s'agit du développement et de l'application d'un code de calcul associant la simulation électromagnétique TLM (Transmission Line Matrix) à un Algorithme Génétique (AG). La partie théorique présente d'une part la méthode TLM et d'autre part les algorithmes génétiques. La méthode TLM, sur calculateur parallèle, permet d'analyser en 3 dimensions des antennes miniatures de formes arbitraires. Ses évolutions successives sont présentées avec l'objectif d'un couplage avec les algorithmes génétiques. Ceux-ci s'inspirent d'une technique d'optimisation stochastique basée sur la sélection naturelle et l'evolution des espèces. Une présentation définissant les grandeurs fondamentales à nos développements est effectuée. Dans la partie suivante, le couplage AG/TLM est décrit. La conception d'antennes, de formes intuitives ou non, est proposée pour deux types d'antennes bien connues, large bande et bi-bande. Il est ensuite propose un micro-algorithme génétique et son couplage avec la TLM (mAG/TLM) permettant d'atteindre une convergence plus rapide vers la solution optimale et d'éviter des convergences prématurées. Le code mAG/TLM a été appliqué à la recherche d'antennes imprimées, pour les normes WLAN2450 et HIPERLAN5250. Plusieurs antennes obtenues, chaque configuration dépend des conditions imposées sur les conditions initiales et sur la définition de la fonction ''objectif'', portant sur l'adaptation. Une étude expérimentale et de comparaisons systématique avec des logiciels commerciaux a été également développée. Enfin, dans la dernière partie, on s'est attache a l'optimisation d'antennes de type PIFA permettant de couvrir plusieurs standards, GSM, DCS, PCS, UMTS ou WLAN. Des résultats originaux sont proposes. En dernier lieu, des antennes filsplaques mono-polaires répondant aux standards WLAN/HIPERLAN2 et UMTS/HIPARLAN2 ont été obtenus.