El acceso a las redes ATM y el dimensionado de sus recursos son cuestiones clave ya que cada vez hay una mayor demanda de ancho de banda por parte de los usuarios. Sin embargo, se necesitan alternativas económicamente viables. La multiplexación inversa ATM es una técnica con la que se combinan varios enlaces T1/E1 resultando en un único canal lógico de datos con tasa igual al agregado de los anchos de banda T1/E1 menos una pequeña cantidad debida a overhead de control. Resulta de gran interés caracterizar mediante expresiones fácilmente manejables el comportamiento de los nodos de una red de banda ancha en cuanto a los parámetros principales de calidad de servicio ATM. En esta tesis se aportan varios modelos analíticos para evaluar las prestaciones de un conmutador ATM suficientemente genérico y del dispositivo IMUX que permite estimar de manera ajustada los parámetros de calidad de servicio más relevantes para su diseño: tiempo medio de espera de las celdas en el dispositivo y probabilidad de pérdida de las mismas. La finalidad es constituir una herramienta efectiva para el diseño adecuado de los parámetros que definen al nodo ATM y particularmente al IMUX dada su mayor tratabilidad analítica.Para abordar el análisis, en primer lugar se han estudiado sistemas de colas conocidos y en particular se ha aportado un método analítico para aproximar los parámetros de calidad de servicio del sistema de colas más adecuado para modelar un nodo ATM y en concreto un multiplexor inverso ATM. Esto es, cola M/D/s/s+B con tiempo de servicio discreto y un esquema de cinco niveles de prioridad. Por otro lado, se modifica la semi-cadena de Markov para el sistema M/D/1 adaptándola a las características propias del IMUX. Además, se analizan minuciosamente por separado todos los efectos que tienen lugar en el dispositivo IMUX debido a la inserción de las celdas de control y de relleno, de acuerdo con la especificación IMA del ATM Forum.Finalmente se apuntan las líneas de trabajo futuro como son la incorporación de un esquema de cinco prioridades en el IMUX; el estudio y análisis de los efectos que produce el disponer de ancho de banda bajo demanda en las prestaciones que ofrece el IMUX que además está directamente relacionado con el estudio y análisis del comportamiento del IMUX bajo modelos de tráfico de entrada más realista. / The growing demand of network bandwidth users made indicates that user access to high speed (i.e. ATM) networks is a key issue. The Inverse Multiplexing for ATM (IMA) is a technology that combines multiple T1/E1 links to support the transparent transmission of ATM cells over one single logical data trunk which bandwidth is the aggregate of the T1/E1 capacities, minus a small amount due to overhead. That is, it provides high bandwidth by using already deployed WAN infrastructure and at a reasonable cost. Employing this technology, it is possible to dispose of ATM connections with data rates between the T1/E1 (an economical but sometimes too slow option) and T3/E3 ones (with high bandwidth, but expensive for the mass market of users). In this framework, and facing a new technology, it is crucial to have tools (analytical and simulation ones) easy to manipulate that help telecommunication engineers and network planners on the performance evaluation and dimensioning of these systems. In this paper, the fundamentals and major applications of IMA technology are described. Also, the behavior of IMA multiplexers is carefully analyzed and a method to dimension them proposed. An estimate for the Cell Loss Ratio (CLR) and the mean waiting time measured in the IMUX devices are obtained.In this thesis several analytical models are contributed to evaluate the benefits of a sufficiently generic ATM node and of an IMUX device. That allows computing the parameters of quality of service for its design: average waiting time of the cells in the device and cell loss probability. The purpose is to constitute an effective tool for the suitable design of the parameters that define the ATM node and particularly to the IMUX. In order to start with the analysis, firstly we have adapted the well-known queue systems to model a concrete ATM node and an inverse multiplexer for ATM. An analytical method has been contributed to approximate the parameters of quality of service of the queue systems. That is, we have applied a M/D/s/s+B queue with discreet-time service and a scheme of five levels of priority.The last analytical study is based on the comparison with a M/D/1 queue system. In addition, all the effects that take place in IMUX device are analyzed meticulously separately. They are due to the insertion of the control cells and filler cells, in agreement with the IMA specification of the ATM Forum.Even though, we are aware of the weakness of our assumptions, especially concerning to the Poisson input traffic, the model is compact, easy to understand and to manipulate, therefore it can be valuable to validate simulation models developed to evaluate IMUX devices under more realistic input traffic patterns. Finally, the lines of future work are scored: the incorporation of a five priorities scheme in the IMUX; the study and analysis of the effects of having bandwidth under demand as a benefits that the IMUX offers; the study and analysis of the IMUX behavior under more realistic traffic models.

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes. / Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas. / In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission.

La gestió de xarxes és un camp molt ampli i inclou molts aspectes diferents. Aquesta tesi doctoral està centrada en la gestió dels recursos en les xarxes de banda ampla que disposin de mecanismes per fer reserves de recursos, com per exemple Asynchronous Transfer Mode (ATM) o Multi-Protocol Label Switching (MPLS). Es poden establir xarxes lògiques utilitzant els Virtual Paths (VP) d'ATM o els Label Switched Paths (LSP) de MPLS, als que anomenem genèricament camins lògics. Els usuaris de la xarxa utilitzen doncs aquests camins lògics, que poden tenir recursos assignats, per establir les seves comunicacions. A més, els camins lògics són molt flexibles i les seves característiques es poden canviar dinàmicament. Aquest treball, se centra, en particular, en la gestió dinàmica d'aquesta xarxa lògica per tal de maximitzar-ne el rendiment i adaptar-la a les connexions ofertes.En aquest escenari, hi ha diversos mecanismes que poden afectar i modificar les característiques dels camins lògics (ample de banda, ruta, etc.). Aquests mecanismes inclouen els de balanceig de la càrrega (reassignació d'ample de banda i reencaminament) i els de restauració de fallades (ús de camins lògics de backup). Aquests dos mecanismes poden modificar la xarxa lògica i gestionar els recursos (ample de banda) dels enllaços físics. Per tant, existeix la necessitat de coordinar aquests mecanismes per evitar possibles interferències. La gestió de recursos convencional que fa ús de la xarxa lògica, recalcula periòdicament (per exemple cada hora o cada dia) tota la xarxa lògica d'una forma centralitzada. Això introdueix el problema que els reajustaments de la xarxa lògica no es realitzen en el moment en què realment hi ha problemes. D'altra banda també introdueix la necessitat de mantenir una visió centralitzada de tota la xarxa. En aquesta tesi, es proposa una arquitectura distribuïda basada en un sistema multi agent. L'objectiu principal d'aquesta arquitectura és realitzar de forma conjunta i coordinada la gestió de recursos a nivell de xarxa lògica, integrant els mecanismes de reajustament d'ample de banda amb els mecanismes de restauració preplanejada, inclosa la gestió de l'ample de banda reservada per a la restauració. Es proposa que aquesta gestió es porti a terme d'una forma contínua, no periòdica, actuant quan es detecta el problema (quan un camí lògic està congestionat, o sigui, quan està rebutjant peticions de connexió dels usuaris perquè està saturat) i d'una forma completament distribuïda, o sigui, sense mantenir una visió global de la xarxa. Així doncs, l'arquitectura proposada realitza petits rearranjaments a la xarxa lògica adaptant-la d'una forma contínua a la demanda dels usuaris. L'arquitectura proposada també té en consideració altres objectius com l'escalabilitat, la modularitat, la robustesa, la flexibilitat i la simplicitat.El sistema multi agent proposat està estructurat en dues capes d'agents: els agents de monitorització (M) i els de rendiment (P). Aquests agents estan situats en els diferents nodes de la xarxa: hi ha un agent P i diversos agents M a cada node; aquests últims subordinats als P. Per tant l'arquitectura proposada es pot veure com una jerarquia d'agents. Cada agent és responsable de monitoritzar i controlar els recursos als que està assignat. S'han realitzat diferents experiments utilitzant un simulador distribuït a nivell de connexió proposat per nosaltres mateixos. Els resultats mostren que l'arquitectura proposada és capaç de realitzar les tasques assignades de detecció de la congestió, reassignació dinàmica d'ample de banda i reencaminament d'una forma coordinada amb els mecanismes de restauració preplanejada i gestió de l'ample de banda reservat per la restauració. L'arquitectura distribuïda ofereix una escalabilitat i robustesa acceptables gràcies a la seva flexibilitat i modularitat. / Network management is a wide field including many different topics. This thesis focuses on resource management of broadband networks that have the mechanisms for performing resource reservation, such as Asynchronous Transfer Mode (ATM) or Multi-Protocol Label Switching (MPLS). Logical networks can be established by using Virtual Paths (VP) in ATM or Label Switched Paths (LSP) in MPLS, which we call generically Logical Paths (LP). The network users then use these LPs, which can have pre-reserved resources, to establish their communications. Moreover, LPs are very flexible and their characteristics can be dynamically changed. This work focuses, in particular, on the dynamic management of these logical paths in order to maximise the network performance by adapting the logical network to the offered connections.In this scenario, there are several mechanisms that can affect and modify certain features of the LPs (bandwidth, route, etc.). They include load balancing mechanisms (bandwidth reallocation and re-routing) and fault restoration (utilisation of backup LPs). These two mechanisms can modify the logical network and manage the resources (bandwidth) of the physical links. Therefore, due to possible interferences, there is a need to co-ordinate these mechanisms. Conventional resource management, using a logical network, performs a centralised recalculation of the whole logical network periodically (e.g. every hour / day). This brings the problem that the logical network readjustments do not happen when a problem occurs. Moreover, there is a need of maintaining a centralised network overview. In this thesis, a distributed architecture, based on a Multi-Agent System (MAS), is proposed. The main objective of this architecture is to perform joint resource management at a logical network level, integrating the bandwidth reallocation and LP re-routing with pre-planned restoration and spare bandwidth management. This is performed continuously, not periodically, when a problem is detected (an LP is congested, i.e. it is rejecting new user connections because it is already saturated with user connections) in a completely distributed way, i.e. without any central network overview. Therefore, the proposed architecture performs small rearrangements in the logical network and thus it is continuously being adapted to the user demands. The proposed architecture also considers other objectives, such as scalability, modularity, robustness, simplicity and flexibility. The proposed MAS is structured in two layers of agents: The network Monitoring (M) agents and the Performance (P) agents. All these agents are situated at different network nodes, where the computing facilities are. There is one P agent and several M agents on every node. The M agents are subordinated to the P agents, therefore the proposed architecture can be seen as a hierarchy of agents. Each agent is responsible for monitoring and controlling the resources they are assigned to. We have performed several experiments, using a connection level distributed simulator of our own design. The results show that our architecture is capable of performing the assigned tasks of detecting congestion, dynamic bandwidth reallocation and re-routing in a co-ordinated way with the pre-planned restoration and the spare capacity management. The distributed architecture offers a suitable scalability and robustness due to its flexibility and modularity.