Bringing broadband access to rural and remote communities has been a very difficult task due to the high cost of installation and complete lack of infrastructure in certain areas. Options currently under serious consideration to enable this access have included GSM, CDMA, Power line telecommunications, and DSL technologies. However, with the addition of the IEEE 802.16 standard - commonly referred to as WiMAX - with its various advantages, another serious option is now being considered. WiMAX is standard developed to provide wireless broadband access to metropolitan area networks. It is capable of providing LOS and NLOS coverage in the range of 350 km with data rates up to 75 Mbps. This research therefore looks at the WiMAX standard MAC and PHY layers with special focus on the PHY layer properties enabling provision ofNLOS coverage (WirelessMAN OFDM PHY). The research evaluates the performance of WiMAX in a rural environment in terms of coverage and traffic analysis. Other aspects include multipath fading and channel estimation. The traffic analysis is carried out using traffic projection formulated over a period often years for Nkandla, a typical rural area in South Africa. This is done to evaluate the sustainability of the designed base stations over the ten-year period with the growing traffic. / Thesis (M.Sc.Eng.)-University of KwaZulu-Natal, Durban, 2006.

Technologies like IEEE 802.16j wireless mesh networks are drawing increasing attention of the research community. Mesh networks are economically viable and may extend services such as Internet to remote locations. This thesis takes interest into a planning problem in IEEE 802.16j networks, where we need to establish minimum cost relay and base stations to cover the bandwidth demand of wireless clients. A special feature of this planning problem is that any node in this network can send data to at most one node towards the next hop, thus traffic flow is unsplittable from source to destination. We study different integer programming formulations of the problem. We propose four types of heuristic algorithms that uses greedy, local search, variable neighborhood search and Lagrangian relaxation based approaches for the problem. We evaluate the algorithms on database of network instances of 500-5000 nodes, some of which are randomly generated network instances, while other network instances are generated over geometric distribution. Our experiments show that the proposed algorithms produce satisfactory result compared to benchmarks produced by generalized optimization problem solver software. / x, 131 leaves : ill. ; 29 cm

O padrão IEEE 802.16e é uma tecnologia emergente para redes de próxima geração com suporte à qualidade de serviço para usuários fixos e móveis. No contexto de aplicações móveis, a técnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) deve ser empregada para multiplexação de canais de rádio frequência, suportando a alocação simultânea do canal para múltiplos usuários. Porém, essa alocação, considerando a estrutura do quadro OFDMA, não é definida pelo padrão IEEE 802.16e. A maioria das pesquisas atuais sobre arquiteturas de escalonamento baseadas nessa técnica de multiplexação estão focadas na transmissão downlink ou consideram apenas parcialmente os aspectos decorrentes do emprego da técnica OFDMA. Sendo assim, neste trabalho é apresentada uma arquitetura de escalonamento hierárquica, com dois níveis, para transmissões uplink em redes IEEE 802.16e, baseadas em OFDMA. A arquitetura proposta aborda a divisão do subquadro uplink entre oportunidades de requisição de banda e oportunidades de transmissão de dados, no Nível 1, e a seleção das requisições de banda para atendimento, no Nível 2. A proposta considera, além da técnica de multiplexação do canal, as cinco classes de serviço previstas pelo padrão IEEE 802.16e e o mecanismo de alocação de banda definido para a tecnologia. Uma ferramenta de simulação foi desenvolvida para avaliar o desempenho da proposta, considerando os diferentes aspectos da arquitetura e comparando com trabalhos relacionados. A avaliação é realizada considerando métricas como atraso médio no atendimento de requisições, percentual de requisições descartadas e a utilização do quadro. / The IEEE 802.16e standard is an emerging next generation network technology, designed to provide guaranteed QoS to both fixed and mobile users. In the context of mobile users, OFDMA technique must be used to multiplex the radio frequency channel. This technique allows to allocate the channel to multiple users at the same time. However, details about this allocation, considering the OFDMA frame structure, are not defined by the IEEE 802.16e standard. In this context, most of the current researches found on literature focus on proposing scheduling architectures for downlink transmissions only. Furthermore, researches that consider uplink transmissions, typically consider OFDMA aspects only partially. Therefore, this work presents an hierarchical scheduling architecture designed for uplink transmissions. The proposed architecture is composed of two levels. In the Level 1 the architecture addresses the division of the uplink subframe in bandwidth request opportunities, and data transmission opportunities. Level 2 is used to select among the bandwidth request, those that will be served on the next uplink subframe. The proposal considers OFDMA multiplexing technique, the five classes of service defined for QoS provisioning, and the bandwidth allocation mechanism defined in IEEE 802.16e standard. In order to evaluate the behavior of the proposed architecture, a simulation tool was developed. The approach used for evaluation was to compare the performance of the proposed architecture with related works found in the literature. The performance evaluation considers metrics such as average delay for serving requests, requests discarded, and the overall frame utilization.

A necessidade de suportar serviços multimídia impulsiona o desenvolvimento das redes sem fio. Com isso, torna-se importante fornecer confiabilidade na transmissão de dados em um ambiente sujeito a variações espaciais, temporais e de freqüência, causadas por fenômenos físicos que, geralmente, causam erros nos dados transmitidos. Esses erros são basicamente de dois tipos: erros em rajada e erros aleatórios (Additive White Gaussian Noise - AWGN). Simular o comportamento dos canais sem fio afetados por erros é objeto de pesquisa há diversos anos. Entretanto, grande parte das pesquisas não considera a aplicação dos dois tipos de erros simultaneamente, o que pode gerar imprecisões nos resultados das simulações. Sendo assim, este trabalho propõe um injetor capaz de gerar tanto seqüências de erros em rajada quanto AWGN, além de propor um modelo de erros híbrido que considera a injeção de ambos os tipos de erros para simular o comportamento de um canal sem fio. O injetor de erros proposto é empregado em um estudo de caso referente à análise de desempenho do mecanismo de codificação de canal em redes que seguem o padrão IEEE 802.16, tanto nomádicas (fixas) quanto móveis. É avaliada a capacidade de correção dos codificadores Forward Error Correction (FEC), de emprego obrigatório de acordo com o referido padrão. Além disso, estuda-se o impacto causado pela aplicação de técnicas que consistem na adição de diversidade temporal à transmissão, em cenários cuja ocorrência dos erros é em rajada, e em cenários cujos erros são modelados de acordo com seqüências AWGN. Finalmente, realiza-se um estudo teórico sobre a vazão que pode ser atingida nos cenários nomádicos e móveis, além de uma discussão sobre os avanços tecnológicos trazidos pela multiplexação de canal baseada em Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), empregado em redes IEEE 802.16 móveis. / The demand for providing multimedia services is increasing the development of wireless networks. Therefore, an important issue is to guarantee correct transmissions over channels that are affected by time and frequency variant conditions caused by physical impairments that lead to the occurrence of errors during the transmission. These errors are basically of two types: burst errors and random errors, typically modeled as Additive White Gaussian Noise (AWGN). Simulating the behavior of wireless channels affected by physical impairments has been subject of several investigations in the past years. Nevertheless, part of the current researches does not consider the occurrence of both errors at the same time. This approach may lead to imprecisions on the results obtained through simulations. This work proposea an error sequence generator which is able of generating both burst and AWGN error models. Moreover, the proposed model can generate hybrid errors sequences composed of both error types simultaneously. The proposed error sequence generator is applied to a case study that aims to evaluate the performance of the channel encoder of nomadic (fixed) and mobile IEEE 802.16 networks. In this context, we evaluate the error correction capability of FEC encoders which are mandatory according to IEEE 802.16 standard. Furthermore, we study the impact caused by the application of time diversity techniques on the transmission, considering scenarios affected by burst errors and AWGN. We also present a study about the theoretical throughput that can be reached by nomadic and mobile technologies. Finally, we discuss the technological advances brought by Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) channel multiplexing technique, which is employed in IEEE 802.16 mobile networks.

A necessidade de suportar serviços multimídia impulsiona o desenvolvimento das redes sem fio. Com isso, torna-se importante fornecer confiabilidade na transmissão de dados em um ambiente sujeito a variações espaciais, temporais e de freqüência, causadas por fenômenos físicos que, geralmente, causam erros nos dados transmitidos. Esses erros são basicamente de dois tipos: erros em rajada e erros aleatórios (Additive White Gaussian Noise - AWGN). Simular o comportamento dos canais sem fio afetados por erros é objeto de pesquisa há diversos anos. Entretanto, grande parte das pesquisas não considera a aplicação dos dois tipos de erros simultaneamente, o que pode gerar imprecisões nos resultados das simulações. Sendo assim, este trabalho propõe um injetor capaz de gerar tanto seqüências de erros em rajada quanto AWGN, além de propor um modelo de erros híbrido que considera a injeção de ambos os tipos de erros para simular o comportamento de um canal sem fio. O injetor de erros proposto é empregado em um estudo de caso referente à análise de desempenho do mecanismo de codificação de canal em redes que seguem o padrão IEEE 802.16, tanto nomádicas (fixas) quanto móveis. É avaliada a capacidade de correção dos codificadores Forward Error Correction (FEC), de emprego obrigatório de acordo com o referido padrão. Além disso, estuda-se o impacto causado pela aplicação de técnicas que consistem na adição de diversidade temporal à transmissão, em cenários cuja ocorrência dos erros é em rajada, e em cenários cujos erros são modelados de acordo com seqüências AWGN. Finalmente, realiza-se um estudo teórico sobre a vazão que pode ser atingida nos cenários nomádicos e móveis, além de uma discussão sobre os avanços tecnológicos trazidos pela multiplexação de canal baseada em Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), empregado em redes IEEE 802.16 móveis. / The demand for providing multimedia services is increasing the development of wireless networks. Therefore, an important issue is to guarantee correct transmissions over channels that are affected by time and frequency variant conditions caused by physical impairments that lead to the occurrence of errors during the transmission. These errors are basically of two types: burst errors and random errors, typically modeled as Additive White Gaussian Noise (AWGN). Simulating the behavior of wireless channels affected by physical impairments has been subject of several investigations in the past years. Nevertheless, part of the current researches does not consider the occurrence of both errors at the same time. This approach may lead to imprecisions on the results obtained through simulations. This work proposea an error sequence generator which is able of generating both burst and AWGN error models. Moreover, the proposed model can generate hybrid errors sequences composed of both error types simultaneously. The proposed error sequence generator is applied to a case study that aims to evaluate the performance of the channel encoder of nomadic (fixed) and mobile IEEE 802.16 networks. In this context, we evaluate the error correction capability of FEC encoders which are mandatory according to IEEE 802.16 standard. Furthermore, we study the impact caused by the application of time diversity techniques on the transmission, considering scenarios affected by burst errors and AWGN. We also present a study about the theoretical throughput that can be reached by nomadic and mobile technologies. Finally, we discuss the technological advances brought by Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) channel multiplexing technique, which is employed in IEEE 802.16 mobile networks.

O padrão IEEE 802.16e é uma tecnologia emergente para redes de próxima geração com suporte à qualidade de serviço para usuários fixos e móveis. No contexto de aplicações móveis, a técnica OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) deve ser empregada para multiplexação de canais de rádio frequência, suportando a alocação simultânea do canal para múltiplos usuários. Porém, essa alocação, considerando a estrutura do quadro OFDMA, não é definida pelo padrão IEEE 802.16e. A maioria das pesquisas atuais sobre arquiteturas de escalonamento baseadas nessa técnica de multiplexação estão focadas na transmissão downlink ou consideram apenas parcialmente os aspectos decorrentes do emprego da técnica OFDMA. Sendo assim, neste trabalho é apresentada uma arquitetura de escalonamento hierárquica, com dois níveis, para transmissões uplink em redes IEEE 802.16e, baseadas em OFDMA. A arquitetura proposta aborda a divisão do subquadro uplink entre oportunidades de requisição de banda e oportunidades de transmissão de dados, no Nível 1, e a seleção das requisições de banda para atendimento, no Nível 2. A proposta considera, além da técnica de multiplexação do canal, as cinco classes de serviço previstas pelo padrão IEEE 802.16e e o mecanismo de alocação de banda definido para a tecnologia. Uma ferramenta de simulação foi desenvolvida para avaliar o desempenho da proposta, considerando os diferentes aspectos da arquitetura e comparando com trabalhos relacionados. A avaliação é realizada considerando métricas como atraso médio no atendimento de requisições, percentual de requisições descartadas e a utilização do quadro. / The IEEE 802.16e standard is an emerging next generation network technology, designed to provide guaranteed QoS to both fixed and mobile users. In the context of mobile users, OFDMA technique must be used to multiplex the radio frequency channel. This technique allows to allocate the channel to multiple users at the same time. However, details about this allocation, considering the OFDMA frame structure, are not defined by the IEEE 802.16e standard. In this context, most of the current researches found on literature focus on proposing scheduling architectures for downlink transmissions only. Furthermore, researches that consider uplink transmissions, typically consider OFDMA aspects only partially. Therefore, this work presents an hierarchical scheduling architecture designed for uplink transmissions. The proposed architecture is composed of two levels. In the Level 1 the architecture addresses the division of the uplink subframe in bandwidth request opportunities, and data transmission opportunities. Level 2 is used to select among the bandwidth request, those that will be served on the next uplink subframe. The proposal considers OFDMA multiplexing technique, the five classes of service defined for QoS provisioning, and the bandwidth allocation mechanism defined in IEEE 802.16e standard. In order to evaluate the behavior of the proposed architecture, a simulation tool was developed. The approach used for evaluation was to compare the performance of the proposed architecture with related works found in the literature. The performance evaluation considers metrics such as average delay for serving requests, requests discarded, and the overall frame utilization.