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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107946

La quinta generación de redes móviles (5G) se encuentra a la vuelta de la esquina. Se espera provea de beneficios extraordinarios a la población y que resuelva la mayoría de los problemas de las redes 4G actuales. El éxito de 5G, cuya primera fase de estandarización ha sido completada, depende de tres pilares: comunicaciones tipo-máquina masivas, banda ancha móvil mejorada y comunicaciones ultra fiables y de baja latencia (mMTC, eMBB y URLLC, respectivamente). En esta tesis nos enfocamos en el primer pilar de 5G, mMTC, pero también proveemos una solución para lograr eMBB en escenarios de distribución masiva de contenidos. Específicamente, las principales contribuciones son en las áreas de: 1) soporte eficiente de mMTC en redes celulares; 2) acceso aleatorio para el reporte de eventos en redes inalámbricas de sensores (WSNs); y 3) cooperación para la distribución masiva de contenidos en redes celulares. En el apartado de mMTC en redes celulares, esta tesis provee un análisis profundo del desempeño del procedimiento de acceso aleatorio, que es la forma mediante la cual los dispositivos móviles acceden a la red. Estos análisis fueron inicialmente llevados a cabo por simulaciones y, posteriormente, por medio de un modelo analítico. Ambos modelos fueron desarrollados específicamente para este propósito e incluyen uno de los esquemas de control de acceso más prometedores: access class barring (ACB). Nuestro modelo es uno de los más precisos que se pueden encontrar en la literatura y el único que incorpora el esquema de ACB. Los resultados obtenidos por medio de este modelo y por simulación son claros: los accesos altamente sincronizados que ocurren en aplicaciones de mMTC pueden causar congestión severa en el canal de acceso. Por otro lado, también son claros en que esta congestión se puede prevenir con una adecuada configuración del ACB. Sin embargo, los parámetros de configuración del ACB deben ser continuamente adaptados a la intensidad de accesos para poder obtener un desempeño óptimo. En la tesis se propone una solución práctica a este problema en la forma de un esquema de configuración automática para el ACB; lo llamamos ACBC. Los resultados muestran que nuestro esquema puede lograr un desempeño muy cercano al óptimo sin importar la intensidad de los accesos. Asimismo, puede ser directamente implementado en redes celulares para soportar el tráfico mMTC, ya que ha sido diseñado teniendo en cuenta los estándares del 3GPP. Además de los análisis descritos anteriormente para redes celulares, se realiza un análisis general para aplicaciones de contadores inteligentes. Es decir, estudiamos un escenario de mMTC desde la perspectiva de las WSNs. Específicamente, desarrollamos un modelo híbrido para el análisis de desempeño y la optimización de protocolos de WSNs de acceso aleatorio y basados en cluster. Los resultados muestran la utilidad de escuchar el medio inalámbrico para minimizar el número de transmisiones y también de modificar las probabilidades de transmisión después de una colisión. En lo que respecta a eMBB, nos enfocamos en un escenario de distribución masiva de contenidos, en el que un mismo contenido es enviado de forma simultánea a un gran número de usuarios móviles. Este escenario es problemático, ya que las estaciones base de la red celular no cuentan con mecanismos eficientes de multicast o broadcast. Por lo tanto, la solución que se adopta comúnmente es la de replicar e contenido para cada uno de los usuarios que lo soliciten; está claro que esto es altamente ineficiente. Para resolver este problema, proponemos el uso de esquemas de network coding y de arquitecturas cooperativas llamadas nubes móviles. En concreto, desarrollamos un protocolo para la distribución masiva de contenidos, junto con un modelo analítico para su optimización. Los resultados demuestran que el modelo propuesto es simple y preciso, y que el protocolo puede reducir el con / La cinquena generació de xarxes mòbils (5G) es troba molt a la vora. S'espera que proveïsca de beneficis extraordinaris a la població i que resolga la majoria dels problemes de les xarxes 4G actuals. L'èxit de 5G, per a la qual ja ha sigut completada la primera fase del qual d'estandardització, depén de tres pilars: comunicacions tipus-màquina massives, banda ampla mòbil millorada, i comunicacions ultra fiables i de baixa latència (mMTC, eMBB i URLLC, respectivament, per les seues sigles en anglés). En aquesta tesi ens enfoquem en el primer pilar de 5G, mMTC, però també proveïm una solució per a aconseguir eMBB en escenaris de distribució massiva de continguts. Específicament, les principals contribucions són en les àrees de: 1) suport eficient de mMTC en xarxes cel·lulars; 2) accés aleatori per al report d'esdeveniments en xarxes sense fils de sensors (WSNs); i 3) cooperació per a la distribució massiva de continguts en xarxes cel·lulars. En l'apartat de mMTC en xarxes cel·lulars, aquesta tesi realitza una anàlisi profunda de l'acompliment del procediment d'accés aleatori, que és la forma mitjançant la qual els dispositius mòbils accedeixen a la xarxa. Aquestes anàlisis van ser inicialment dutes per mitjà de simulacions i, posteriorment, per mitjà d'un model analític. Els models van ser desenvolupats específicament per a aquest propòsit i inclouen un dels esquemes de control d'accés més prometedors: el access class barring (ACB). El nostre model és un dels més precisos que es poden trobar i l'únic que incorpora l'esquema d'ACB. Els resultats obtinguts per mitjà d'aquest model i per simulació són clars: els accessos altament sincronitzats que ocorren en aplicacions de mMTC poden causar congestió severa en el canal d'accés. D'altra banda, també són clars en què aquesta congestió es pot previndre amb una adequada configuració de l'ACB. No obstant això, els paràmetres de configuració de l'ACB han de ser contínuament adaptats a la intensitat d'accessos per a poder obtindre unes prestacions òptimes. En la tesi es proposa una solució pràctica a aquest problema en la forma d'un esquema de configuració automàtica per a l'ACB; l'anomenem ACBC. Els resultats mostren que el nostre esquema pot aconseguir un acompliment molt proper a l'òptim sense importar la intensitat dels accessos. Així mateix, pot ser directament implementat en xarxes cel·lulars per a suportar el trànsit mMTC, ja que ha sigut dissenyat tenint en compte els estàndards del 3GPP. A més de les anàlisis descrites anteriorment per a xarxes cel·lulars, es realitza una anàlisi general per a aplicacions de comptadors intel·ligents. És a dir, estudiem un escenari de mMTC des de la perspectiva de les WSNs. Específicament, desenvolupem un model híbrid per a l'anàlisi de prestacions i l'optimització de protocols de WSNs d'accés aleatori i basats en clúster. Els resultats mostren la utilitat d'escoltar el mitjà sense fil per a minimitzar el nombre de transmissions i també de modificar les probabilitats de transmissió després d'una col·lisió. Pel que fa a eMBB, ens enfoquem en un escenari de distribució massiva de continguts, en el qual un mateix contingut és enviat de forma simultània a un gran nombre d'usuaris mòbils. Aquest escenari és problemàtic, ja que les estacions base de la xarxa cel·lular no compten amb mecanismes eficients de multicast o broadcast. Per tant, la solució que s'adopta comunament és la de replicar el contingut per a cadascun dels usuaris que ho sol·liciten; és clar que això és altament ineficient. Per a resoldre aquest problema, proposem l'ús d'esquemes de network coding i d'arquitectures cooperatives anomenades núvols mòbils. En concret, desenvolupem un protocol per a realitzar la distribució massiva de continguts de forma eficient, juntament amb un model analític per a la seua optimització. Els resultats demostren que el model proposat és simple i precís / The 5th generation (5G) of mobile networks is just around the corner. It is expected to bring extraordinary benefits to the population and to solve the majority of the problems of current 4th generation (4G) systems. The success of 5G, whose first phase of standardization has concluded, relies in three pillars that correspond to its main use cases: massive machine-type communication (mMTC), enhanced mobile broadband (eMBB), and ultra-reliable low latency communication (URLLC). This thesis mainly focuses on the first pillar of 5G: mMTC, but also provides a solution for the eMBB in massive content delivery scenarios. Specifically, its main contributions are in the areas of: 1) efficient support of mMTC in cellular networks; 2) random access (RA) event-reporting in wireless sensor networks (WSNs); and 3) cooperative massive content delivery in cellular networks. Regarding mMTC in cellular networks, this thesis provides a thorough performance analysis of the RA procedure (RAP), used by the mobile devices to switch from idle to connected mode. These analyses were first conducted by simulation and then by an analytical model; both of these were developed with this specific purpose and include one of the most promising access control schemes: the access class barring (ACB). To the best of our knowledge, this is one of the most accurate analytical models reported in the literature and the only one that incorporates the ACB scheme. Our results clearly show that the highly-synchronized accesses that occur in mMTC applications can lead to severe congestion. On the other hand, it is also clear that congestion can be prevented with an adequate configuration of the ACB scheme. However, the configuration parameters of the ACB scheme must be continuously adapted to the intensity of access attempts if an optimal performance is to be obtained. We developed a practical solution to this problem in the form of a scheme to automatically configure the ACB; we call it access class barring configuration (ACBC) scheme. The results show that our ACBC scheme leads to a near-optimal performance regardless of the intensity of access attempts. Furthermore, it can be directly implemented in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) cellular systems to efficiently handle mMTC because it has been designed to comply with the 3GPP standards. In addition to the analyses described above for cellular networks, a general analysis for smart metering applications is performed. That is, we study an mMTC scenario from the perspective of event detection and reporting WSNs. Specifically, we provide a hybrid model for the performance analysis and optimization of cluster-based RA WSN protocols. Results showcase the utility of overhearing to minimize the number of packet transmissions, but also of the adaptation of transmission parameters after a collision occurs. Building on this, we are able to provide some guidelines that can drastically increase the performance of a wide range of RA protocols and systems in event reporting applications. Regarding eMBB, we focus on a massive content delivery scenario in which the exact same content is transmitted to a large number of mobile users simultaneously. Such a scenario may arise, for example, with video streaming services that offer a particularly popular content. This is a problematic scenario because cellular base stations have no efficient multicast or broadcast mechanisms. Hence, the traditional solution is to replicate the content for each requesting user, which is highly inefficient. To solve this problem, we propose the use of network coding (NC) schemes in combination with cooperative architectures named mobile clouds (MCs). Specifically, we develop a protocol for efficient massive content delivery, along with the analytical model for its optimization. Results show the proposed model is simple and accurate, and the protocol can lead to energy savings of up to 37 percent when compared to the traditional approach. / Leyva Mayorga, I. (2018). On reliable and energy efficient massive wireless communications: the road to 5G [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115484