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As a result of the constant efforts to improve mobile system performance and spectral efficiency, the 3GPP standardization forum is currently defining new architectural and functional requirements that hope to ensure long-term evolution (specifically defined as the “Long-Term Evolution (LTE) concept”) and general future competitiveness of the 2G and 3G radio access technologies. Previous discussions on LTE efficiency have been focused on general assumptions on signaling overhead and overall system capacity, based on experience from existing mobile systems. However, as 3GPP standardization has become more mature (although not yet settled), there is a need to investigate how different potential LTE services will be affected by the use of available overhead information and basic scheduling algorithms. This thesis investigates the lower protocol layers’ overhead impacts on the downlink for different packet switched services, in an LTE radio access network (RAN). Results show that the use of RTP/TCP/IP header compression (ROHC) is the single most important factor to reduce payload overhead, for packet sizes of ~1kB or smaller. However, for packets larger than ~1 kB, the use of ROHC becomes insignificant. Protocol headers – including the AMR frame header, RLC/MAC headers, and CRC where applicable – remain the largest part of payload overhead regardless of packet size and header compression (ROHC). For VoIP over the UDP protocol (with ROHC), RLC/MAC headers constitute the largest part of protocol headers. For TCP/IP applications (without ROHC), TCP/IP headers are predominant. Services that require packet sizes beyond ~1 kB will require about the same power per payload bit regardless of percentage of payload overhead. / Som ett resultat av ständiga ansträngningar att förbättra såväl prestanda som spektrumeffektivitet för mobila system, definierar 3GPPs standardiseringsforum nya krav på arkitektur och funktionalitet. Dessa är avsedda att säkerställa långsiktig utveckling (explicit definierat som konceptet “Long-Term Evolution (LTE)”, samt framtida konkurrenskraft för både 2G och 3G som radioaccess-teknologier. Tidigare diskussioner rörande effektivitet inom LTE har fokuserat på allmänna antaganden vad gäller kontrolldata för signallering och övergripande systemprestanda. Dessa har i sin tur baserats på erfarenheter från existerande mobilsystem. När standardiseringen inom 3GPP mognar uppstår nu ett behov av att undersöka hur olika tjänster inom LTE påverkas, av såväl hur man använder den kontrollinformation som finns tillgänglig, som av basala algoritmer for schemaläggning av resurser. Denna rapport undersöker påverkan från lägre protokoll-lagers kontrollinformation på nerlänken hos olika paket-kopplade tjänster inom ett radioaccessnät för LTE. Resultaten visar att användandet av ROHC (som packar kontrollinformation för protokollen RTP/TCP/IP), är det ensamt viktigaste bidraget till minskad kontrollinformation i relation till informationsbitar för paketstorlekar upp till c:a 1kB. För större paket är vinsten med ROHC dock försumbar. Kontrollinformation för protokoll – inkluderat data avsett för AMR-tal-ramen, RLC/MAC-protokollen, samt CRC – utgör för övrigt en stor del av kontrollinformationen relativt informationsbitar, oavsett paketstorlek och packning av kontrolldata. Tjänster som kräver paketstorlekar på över c:a 1 kB kräver uppskattningsvis samma mängd energi per informationsbit, oavsett andelen kontrollinformation.

In a telecommunications network locating user equipment (paging) is a common procedure. Proposed functionality for 4G and 5G allows for eNB initiated paging via X2 interfaces. In this thesis machine learning algorithms were evaluated in order to reduce page signalling. Additionally, two paging schemes based on machine learning were proposed and compared to a common method of paging through cost models. The results show that signalling cost can be reduced by up to 80%.

Le secteur des télécommunications mobiles a connu une croissance très rapide dans un passé récent avec pour résultat d'importantes évolutions technologiques et architecturales des réseaux sans fil. L'expansion et l'hétérogénéité de ces réseaux ont engendré des coûts de fonctionnement de plus en plus importants. Les dysfonctionnements typiques de ces réseaux ont souvent pour origines des pannes d'équipements ainsi que de mauvaises planifications et/ou configurations. Dans ce contexte, le dépannage automatisé des réseaux sans fil peut s'avérer d'une importance particulière visant à réduire les coûts opérationnels et à fournir une bonne qualité de service aux utilisateurs. Le dépannage automatisé des pannes survenant sur les réseaux sans fil peuvent ainsi conduire à une réduction du temps d'interruption de service pour les clients, permettant ainsi d'éviter l'orientation de ces derniers vers les opérateurs concurrents. Le RAN (Radio Access Network) d'un réseau sans fil constitue sa plus grande partie. Par conséquent, le dépannage automatisé des réseaux d'accès radio des réseaux sans fil est très important. Ce dépannage comprend la détection des dysfonctionnements, l'identification des causes des pannes (diagnostic) et la proposition d'actions correctives (déploiement de la solution). Tout d'abord, dans cette thèse, les travaux antérieurs liés au dépannage automatisé des réseaux sans-fil ont été explorés. Il s'avère que la détection et le diagnostic des incidents impactant les réseaux sans-fil ont déjà bien été étudiés dans les productions scientifiques traitant de ces sujets. Mais étonnamment, aucune référence significative sur des travaux de recherche liés aux résolutions automatisées des pannes des réseaux sans fil n'a été rapportée. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de présenter mes travaux de recherche sur la " résolution automatisée des dysfonctionnements des réseaux sans fil LTE (Long Term Evolution) à partir d'une approche statistique ". Les dysfonctionnements liés aux paramètres RRM (Radio Resource Management) seront particulièrement étudiés. Cette thèse décrit l'utilisation des données statistiques pour l'automatisation du processus de résolution des problèmes survenant sur les réseaux sans fil. Dans ce but, l'efficacité de l'approche statistique destinée à l'automatisation de la résolution des incidents liés aux paramètres RRM a été étudiée. Ce résultat est obtenu par la modélisation des relations fonctionnelles existantes entre les paramètres RRM et les indicateurs de performance ou KPI (Key Performance Indicator). Une architecture générique automatisée pour RRM 8 a été proposée. Cette dernière a été utilisée afin d'étudier l'utilisation de l'approche statistique dans le paramétrage automatique et le suivi des performances des réseaux sans fil. L'utilisation de l'approche statistique dans la résolution automatique des dysfonctionnements des réseaux sans fil présente deux contraintes majeures. Premièrement, les mesures de KPI obtenues à partir du réseau peuvent contenir des erreurs qui peuvent partiellement masquer le comportement réel des indicateurs de performance. Deuxièmement, ces algorithmes automatisés sont itératifs. Ainsi, après chaque itération, la performance du réseau est généralement évaluée sur la durée d'une journée avec les nouveaux paramètres réseau implémentés. Les algorithmes itératifs devraient donc atteindre leurs objectifs de qualité de service dans un nombre minimum d'itérations. La méthodologie automatisée de diagnostic et de résolution développée dans cette thèse, basée sur la modélisation statistique, prend en compte ces deux difficultés. Ces algorithmes de la résolution automatisé nécessitent peu de calculs et convergent vers un petit nombre d'itérations ce qui permet leur implémentation à l'OMC (Operation and Maintenace Center). La méthodologie a été appliquée à des cas pratiques sur réseau LTE dans le but de résoudre des problématiques liées à la mobilité et aux interférences. Il est ainsi apparu que l'objectif de correction de ces dysfonctionnements a été atteint au bout d'un petit nombre d'itérations. Un processus de résolution automatisé utilisant l'optimisation séquentielle des paramètres d'atténuation des interférences et de packet scheduling a également été étudié. L'incorporation de la "connaissance a priori" dans le processus de résolution automatisé réduit d'avantage le nombre d'itérations nécessaires à l'automatisation du processus. En outre, le processus automatisé de résolution devient plus robuste, et donc, plus simple et plus pratique à mettre en œuvre dans les réseaux sans fil. / The mobile telecommunication industry has experienced a very rapid growth in the recent past. This has resulted in significant technological and architectural evolution in the wireless networks. The expansion and the heterogenity of these networks have made their operational cost more and more important. Typical faults in these networks may be related to equipment breakdown and inappropriate planning and configuration. In this context, automated troubleshooting in wireless networks receives a growing importance, aiming at reducing the operational cost and providing high-quality services for the end-users. Automated troubleshooting can reduce service breakdown time for the clients, resulting in the decrease in client switchover to competing network operators. The Radio Access Network (RAN) of a wireless network constitutes its biggest part. Hence, the automated troubleshooting of RAN of the wireless networks is very important. The troubleshooting comprises the isolation of the faulty cells (fault detection), identifying the causes of the fault (fault diagnosis) and the proposal and deployement of the healing action (solution deployement). First of all, in this thesis, the previous work related to the troubleshooting of the wireless networks has been explored. It turns out that the fault detection and the diagnosis of wireless networks have been well studied in the scientific literature. Surprisingly, no significant references for the research work related to the automated healing of wireless networks have been reported. Thus, the aim of this thesis is to describe my research advances on "Automated healing of LTE wireless networks using statistical learning". We focus on the faults related to Radio Resource Management (RRM) parameters. This thesis explores the use of statistical learning for the automated healing process. In this context, the effectiveness of statistical learning for automated RRM has been investigated. This is achieved by modeling the functional relationships between the RRM parameters and Key Performance Indicators (KPIs). A generic automated RRM architecture has been proposed. This generic architecture has been used to study the application of statistical learning approach to auto-tuning and performance monitoring of the wireless networks. The use of statistical learning in the automated healing of wireless networks introduces two important diculties: Firstly, the KPI measurements obtained from the network are noisy, hence this noise can partially mask the actual behaviour of KPIs. Secondly, these automated healing algorithms are iterative. After each iteration the network performance is typically evaluated over the duration of a day with new network parameter settings. Hence, the iterative algorithms should achieve their QoS objective in a minimum number of iterations. Automated healing methodology developped in this thesis, based on statistical modeling, addresses these two issues. The automated healing algorithms developped are computationaly light and converge in a few number of iterations. This enables the implemenation of these algorithms in the Operation and Maintenance Center (OMC) in the off-line mode. The automated healing methodolgy has been applied to 3G Long Term Evolution (LTE) use cases for healing the mobility and intereference mitigation parameter settings. It has been observed that our healing objective is achieved in a few number of iterations. An automated healing process using the sequential optimization of interference mitigation and packet scheduling parameters has also been investigated. The incorporation of the a priori knowledge into the automated healing process, further reduces the number of iterations required for automated healing. Furthermore, the automated healing process becomes more robust, hence, more feasible and practical for the implementation in the wireless networks.

The advent of new standards in wireless communication like the Long Term Evolution (LTE) has resulted in a need for newer and better design of receivers for wireless communication systems, the first step of which is to design a tunable integrated filter on the receiver front end. In this work we propose a new design for a passive tunable integrated Roofing filter for LTE bands. The role of the Roofing filter is to protect the rest of the circuitry from overloading and distortions caused due to large out-of-band signals. This filter protects the rest of the circuitry and hence it gets the name Roofing filter. The Roofing filter is present on the receiver front-end. The filter has a low insertion loss and a high return loss at the input. The bandwidth of the Roofing filter is around 200MHz at the highest values. The filter uses off-chip inductors. The filter has a continuous center frequency tuning range of 2GHz from 0.7GHz to 2.7GHz, which is the allocated frequency range for LTE bands. This continuous tuning is achieved by the use of MOSFET based varactors. The filter is a narrowband filter. The design is implemented in TSMC 65nm CMOS technology.

Yes / This study presents a wideband multiple-input-multiple-output (MIMO) antenna for Wifi/WLAN/LTE applications. The antenna consists of two triangular patches as the radiating elements placed orthogonally to each other. Two T-slots and a rectangular slot were etched on the ground plane to improve return loss and isolation. The total dimension of the proposed antenna is 30 x 30 mm2. The antenna yields impedance bandwidth of 101.7% between 2.28 GHz up to 7 GHz with a reflection coefficient of < -10 dB, and mutual coupling of < -14 dB. The results including S-Parameters, MIMO characteristics with analysis of envelope correlation coefficient (ECC), total active reflection coefficient (TARC), capacity loss, channel capacity, VSWR, antenna gain and radiation patterns are evaluated. These characteristics indicate that the proposed antenna is suitable for MIMO wireless applications.

This thesis investigates the application of an iterative leakage-based precoding algorithm to practical multiuser-MIMO systems. We consider the effect of practical impairments including imperfect channel state information, transmit antenna correlation, and time-varying channels. Solutions are derived which improve performance of the algorithm with imperfect channel state information at the transmitter by leveraging knowledge of the second-order statistics of the error. From this work we draw a number of conclusions on how imperfect channel state information may impact the system design including the importance of interference suppression at the receiver and the selection of the number of co-scheduled users. We also demonstrate an efficient approach to improve the convergence of the algorithm when using interference-rejection-combining receivers. Finally, we conduct simulations of an LTE-A system employing the improved algorithm to show its utility for modern communication systems. / Master of Science

Long Term Evolution (LTE) was designed to provide fast data rates to replace 3G service for mobile devices. As LTE networks and the user base for those networks grow, it becomes necessary for the resources used for those networks to be used as efficiently as possible. This thesis presents an implementation which utilizes an algorithm extended upon the Frank Kelly algorithm to determine resource allocation for UEs and shapes traffic for each UE to meet those allocation limits. The implementation's network represents what an LTE network would do to manage data rates for a UE through a distributed algorithm for rate allocation. The main focus of the implementation is on the UE, where traffic shaping limits application rates by an elastic or inelastic classification through the use of Hierarchical Token Bucket (HTB) queuing disciplines. / Master of Science

No / Enabling D2D communications over LTE-A networks can provide many benefits in terms of throughput, energy consumption, traffic load, and so on. It also enables new commercial services such as location-based advertising. For these reasons, D2D communications has become a hot topic in both the academic and industrial communities. However, many research works are focused on node discovery, radio resource management, and other aspects, while the issue of security is less addressed. In this article, we intend to provide an overview of the security architecture, threads, and requirements. Based on these requirements, we propose several potential solutions by reusing the existing security mechanisms. Promising topics related to secure D2D communications for future research are also discussed.

Poussé par la demande croissante de services à haut débit sans fil, Long Term Evolution (LTE) a émergé comme une solution prometteuse pour les communications mobiles. Dans plusieurs pays à travers le monde, la mise en oeuvre de LTE est en train de se développer. LTE offre une architecture tout-IP qui fournit des débits élevés et permet une prise en charge efficace des applications de type multimédia. LTE est spécifié par le 3GPP ; cette technologie fournit une architecture capable de mettre en place des mécanismes pour traiter des classes de trafic hétérogènes comme la voix, la vidéo, les transferts de fichier, les courriers électroniques, etc. Ces classes de flux hétérogènes peuvent être gérées en fonction de la qualité de service requise mais aussi de la qualité des canaux et des conditions environnementales qui peuvent varier considérablement sur une courte échelle de temps. Les standards du 3GPP ne spécifient pas l’algorithmique de l’allocation des ressources du réseau d’accès, dont l’importance est grande pour garantir performance et qualité de service (QoS). Dans cette thèse, nous nous focalisons plus spécifiquement sur la QoS de LTE sur la voie descendante. Nous nous concentrons alors sur la gestion des ressources et l’ordonnancement sur l’interface radio des réseaux d’accès. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à des contextes de macro-cellules. Le premier mécanisme proposé pour l’allocation des ressources combine une méthode de jetons virtuels et des ordonnanceurs opportunistes. Les performances obtenues sont très bonnes mais n’assurent pas une très bonne équité. Notre seconde proposition repose sur la théorie des jeux, et plus spécifiquement sur la valeur de Shapley, pour atteindre un haut niveau d’équité entre les différentes classes de services au détriment de la qualité de service. Cela nous a poussé, dans un troisième mécanisme, à combiner les deux schémas. La deuxième partie de la thèse est consacrée aux femto-cellules (ou femtocells) qui offrent des compléments de couverture appréciables. La difficulté consiste alors à étudier et à minimiser les interférences. Notre premier mécanisme d’atténuation des interférences est fondé sur le contrôle de la puissance de transmission. Il fonctionne en utilisant la théorie des jeux non coopératifs. On effectue une négociation constante entre le débit et les interférences pour trouver un niveau optimal de puissance d’émission. Le second mécanisme est centralisé et utilise une approche de division de la bande passante afin d’obliger les femtocells à ne pas utiliser les mêmes sous-bandes évitant ainsi les interférences. Le partage de bande passante et l’allocation sont effectués en utilisant sur la théorie des jeux (valeur de Shapley) et en tenant compte du type d’application. Ce schéma réduit les interférences considérablement. Tous les mécanismes proposés ont été testés et évalués dans un environnement de simulation en utilisant l’outil LTE-Sim au développement duquel nous avons contribué. / Driven by the growing demand for high-speed broadband wireless services, Long term Evolution (LTE) technology has emerged as a competitive alternative to mobile communications solution. In several countries around the world, the implementation of LTE has started. LTE offers an IP-based framework that provides high data rates for multimedia applications. Moreover, based on the 3GPP specifications, the technology provides a set of built in mechanisms to support heterogeneous classes of traffic including data, voice and video, etc. Supporting heterogeneous classes of services means that the traffic is highly diverse and has distinct QoS parameters, channel and environmental conditions may vary dramatically on a short time scale. The 3GPP specifications leave unstandardized the resource management and scheduling mechanisms which are crucial components to guarantee the QoS performance for the services. In this thesis, we evaluate the performance and QoS in LTE technology. Moreover, our research addresses the resource management and scheduling issues on the wireless interface. In fact, after surveying, classifying and comparing different scheduling mechanisms, we propose three QoS mechanisms for resource allocation in macrocell scenarios focused on real time services and two mechanisms for interference mitigation in femtocell scenarios taking into account the QoS of real time services. Our first proposed mechanism for resource allocation in macrocell scenarios combines the well known virtual token (or token buckets) method with opportunistic schedulers, our second scheme utilizes game theory, specifically the Shapley value in order to achieve a higher fairness level among classes of services and our third mechanism combines the first and the second proposed schemes. Our first mechanism for interference mitigation in femtocell scenarios is power control based and works by using non cooperative games. It performs a constant bargain between throughput and SINR to find out the optimal transmit power level. The second mechanism is centralised, it uses a bandwidth division approach in order to not use the same subbands to avoid interference. The bandwidth division and assignation is performed based on game theory (Shapley value) taking into account the application bitrate . This scheme reduces interference considerably and shows an improvement compared to other bandwidth division schemes. All proposed mechanism are performed in a LTE simulation environment. several constraints such as throughput, Packet Loss Ratio, delay, fairness index, SINR are used to evaluate the efficiency of our schemes