The proliferation of modern wireless networks increases demand for high capacity and throughput in order to provide faster, more robust, efficient and broadband services to end users. Mobile WiMAX and LTE are examples of such networks in which for some cases they have exposed limited connectivity due to harsh environment. Relay stations are preferred to overcome problems of weak or no access for such network devices, that are placed in specific positions to maintain high quality of data transfer at low cost and provide the required connectivity anywhere anytime. These stations should be equipped with an antenna system capable of establishing communication between base station (backhaul link) and end users (access link). This thesis focuses on the design and development of a new antenna system that is suitable for a relay-based wireless network. Planar geometries of microstrip patch antennas are utilized. The antenna system comprises two antenna modules: a new design of a single antenna for access link and a new design of an antenna array for backhaul link realization. Both antenna specifications are compatible with the IEEE802.16j protocol standard. Hence, relay station should be capable of pointing its radiation pattern to the base station antenna, thus to achieve the desired radiation pattern of the relay station, a new beam-forming module is proposed, designed and developed to generate the proper radiation pattern. The beam-forming module incorporating digital phase shifters and attenuator chips is fabricated and tested. The optimization process using the Least Mean Square (LMS) algorithm is considered in this study to assign the proper phase and amplitude that is necessary to each radiation element excitation current, to produce the desired steered radiation pattern. A comprehensive study on the coupling effects for several relative positions between two new backhaul and access link antenna elements is performed. Two new antenna configurations for coupling reduction are tested and the simulated and measured results in terms of antenna radiation performances were compared and commented.

This work concentrates on the application of diversity techniques and space time block coding for future high speed mobile wireless communications on multicarrier systems. At first, alternative multicarrier kernels robust for high speed doubly-selective fading channel are sought. They include the comparisons of discrete Fourier transform (DFT), fractional Fourier transform (FrFT) and wavelet transform (WT) multicarrier kernels. Different wavelet types, including the raised-cosine spectrum wavelets are implemented, evaluated and compared. From different wavelet families, orthogonal wavelets are isolated from detailed evaluations and comparisons as suitable for multicarrier applications. The three transforms are compared over a doubly-selective channel with the WT significantly outperforming all for high speed conditions up to 300 km/hr. Then, a new wavelet is constructed from an ideal filter approximation using established wavelet design algorithms to match any signal of interest; in this case under bandlimited criteria. The new wavelet showed better performance than other traditional orthogonal wavelets. To achieve MIMO communication, orthogonal space-time block coding, OSTBC, is evaluated next. First, the OSTBC is extended to assess the performance of the scheme over extended receiver diversity order. Again, with the extended diversity conditions, the OSTBC is implemented for a multicarrier system over a doubly-selective fading channel. The MIMO-OFDM systems (implemented using DFT and WT kernels) are evaluated for different operating frequencies, typical of LTE standard, with Doppler effects. It was found that, during high mobile speed, it is better to transmit OFDM signals using lower operating frequencies. The information theory for the 2-transmit antenna OSTBC does not support higher order implementation of multi-antenna systems, which is required for the future generation wireless communications systems. Instead of the OSTBC, the QO-STBC is usually deployed to support the design of higher order multi-antenna systems other than the 2-transmit antenna scheme. The performances of traditional QO-STBC methods are diminished by some off-diagonal (interference) terms such that the resulting system does not attain full diversity. Some methods for eliminating the interference terms have earlier been discussed. This work follows the construction of cyclic matrices with Hadamard matrix to derive QO-STBC codes construction which are N-times better than interference free QO-STBC, where N is the number of transmit antenna branches.

Scheduling has always been an indispensable part of resource allocation in wireless networks. Accurate information about channel-state is assumed as a modeling simplification. However, in a real-life network ,e.g., Long Term Evolution(LTE) or IEEE 802.16e WiMAX, the channel-state information feedback to the transmitter can have uncertainty. The primary reason being that although resource allocation is done at the finer granularity of a Physical Resource Block (PRB), channel-state information is still feedback at the coarser granularity of a sub band, which is a group of PRBs. This is done to reduce the feedback traffic from the users to the Base Station. However, this averaging causes information loss and hence, the resulting uncertainty at the scheduler. Moreover, uncertainty might be present in the channel-estimates because of the very process of estimation. In the first part of the thesis, we model the channel-estimate in accuracy and characterize the network stability region. Compared to earlier works, we allow the channel estimates to have dependence among themselves, which is a more realistic situation in a modern LTE or WiMax network. We then propose two simple Max Weight based scheduling schemes that achieve any rate in the interior of the stability region. We also derive an asymptotically tight upper bound on the mean queueing delay in our system under one of the throughput-optimal policies we propose. The above policies ensure stability of the network and we have also obtained bounds on the mean queueing delays. However, different applications may require certain quality of service which may not be satisfied by these policies. Thus, we also propose a throughput-optimal policy for the network under traffic with heterogeneous QoS constraints and present some numerical results studying its performance. In the second part of the thesis, we study the problem of energy-efficient scheduling under average delay constraint. For wireless access technologies, the largest power consumer is the Base Station(BS). Any reduction in the power consumption in a BS will reduce carbon footprint from the Information and Communication Technology sector. We concentrate on the problem of minimizing the total non-renewable power consumed in a Green BS, that is powered by renewable energy sources ,e.g., solar/wind energy and may also be connected to the power grid or diesel generators. Specifically, we consider the problem of minimizing the average grid power consumption of a Green BS downlink in scheduling multiple users with average delay constraints. We have a packetized model for the data packets (i.e., the packets cannot be fragmented) which is a more realistic model for packet-switched networks. The power function is a non-decreasing convex function of the queue-lengths and only one user is allowed to transmit in a slot. We prove the existence of a power optimal policy under delay constraints for multiple users. We analyse the problem and provide some structural results for the optimal policy.

This work concentrates on the application of diversity techniques and space time block coding for future high speed mobile wireless communications on multicarrier systems. At first, alternative multicarrier kernels robust for high speed doubly-selective fading channel are sought. They include the comparisons of discrete Fourier transform (DFT), fractional Fourier transform (FrFT) and wavelet transform (WT) multicarrier kernels. Different wavelet types, including the raised-cosine spectrum wavelets are implemented, evaluated and compared. From different wavelet families, orthogonal wavelets are isolated from detailed evaluations and comparisons as suitable for multicarrier applications. The three transforms are compared over a doubly-selective channel with the WT significantly outperforming all for high speed conditions up to 300 km/hr. Then, a new wavelet is constructed from an ideal filter approximation using established wavelet design algorithms to match any signal of interest; in this case under bandlimited criteria. The new wavelet showed better performance than other traditional orthogonal wavelets. To achieve MIMO communication, orthogonal space-time block coding, OSTBC, is evaluated next. First, the OSTBC is extended to assess the performance of the scheme over extended receiver diversity order. Again, with the extended diversity conditions, the OSTBC is implemented for a multicarrier system over a doubly-selective fading channel. The MIMO-OFDM systems (implemented using DFT and WT kernels) are evaluated for different operating frequencies, typical of LTE standard, with Doppler effects. It was found that, during high mobile speed, it is better to transmit OFDM signals using lower operating frequencies. The information theory for the 2-transmit antenna OSTBC does not support higher order implementation of multi-antenna systems, which is required for the future generation wireless communications systems. Instead of the OSTBC, the QO-STBC is usually deployed to support the design of higher order multi-antenna systems other than the 2-transmit antenna scheme. The performances of traditional QO-STBC methods are diminished by some off-diagonal (interference) terms such that the resulting system does not attain full diversity. Some methods for eliminating the interference terms have earlier been discussed. This work follows the construction of cyclic matrices with Hadamard matrix to derive QO-STBC codes construction which are N-times better than interference free QO-STBC, where N is the number of transmit antenna branches.

Motivated by the increasing demand for higher data rates, coverage, and spectral efficiency, current and next generation wireless systems adapt transmission parameters and even who is being transmitted to, based on the instantaneous channel states. For example, frequency-domain scheduling(FDS) is an instance of adaptation in orthogonal frequency division multiple access(OFDMA) systems in which the base station opportunistically assigns different subcarriers to their most appropriate user. Likewise ,transmit antenna selection(AS) is another form of adaptation in which the transmitter adapts which subset of antennas it transmits with. Cognitive radio(CR), which is a next generation technology, itself is a form of adaptation in which secondary users(SUs) adapt their transmissions to avoid interfering with the licensed primary users(PUs), who own the spectrum. However, adaptation requires channel state information(CSI), which might not be available apriori at the node or nodes that are adapting. Further, the CSI might not be perfect due to noise or feedback delays. This can result in suboptimal adaptation in OFDMA systems or excessive interference at the PUs due to transmissions by the SUs in CR. In this thesis, we focus on adaptation techniques in current and next generation wireless systems and evaluate the impact of CSI –both perfect and imperfect –on it. We first develop a novel model and analysis for characterizing the performance of AS in frequency-selective OFDMA systems. Our model is unique and comprehensive in that it incorporates key LTE features such as imperfect channel estimation based on dense, narrow band demodulation reference signal and coarse, broad band sounding reference signal. It incorporates the frequency-domain scheduler, the hardware constraint that the same antenna must be used to transmit over all the subcarriers that are allocated to a user, and the scheduling constraint that the allocated subcarriers must all be contiguous. Our results show the effectiveness of combined AS and FDS in frequency-selective OFDMA systems even at lower sounding reference signal powers. We then investigate power adaptation in underlay CR, in which the SU can transmit even when the primary is on but under stringent interference constraints. The nature of the interference constraint fundamentally decides how the SU adapts its transmit power. To this end, assuming perfect CSI, we propose optimal transmit power adaptation policies that minimize the symbol error probability of an SU when they are subject to different interference and transmit power constraints. We then study the robustness of these optimal policies to imperfections in CSI. An interesting observation that comes out of our study is that imperfect CSI can not only increase the interference at the PU but can also decrease it, and this depends on the choice of the system parameters, interference, and transmit power constraints. The regimes in which these occur are characterized.

Ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία. Στη ραγδαία εξέλιξη του τομέα αυτού συμβάλουν τα μέγιστα και οι απαιτήσεις της σύγχρονης αγοράς για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας παρέχοντας παράλληλα πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους πελάτες - χρήστες του. Είναι γεγονός ότι τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες, όπως και στην Ελλάδα. Τα νέα αυτά κινητά δίκτυα αντικαθιστούν τα υπάρχοντα κινητά δίκτυα δεύτερης γενιάς και επιπλέον προσφέρουν προηγμένες υπηρεσίες στους κινητούς χρήστες. Ωστόσο, η αδήριτη ανάγκη για μεγαλύτερες (ευρυζωνικές) ταχύτητες πρόσβασης οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των 3G δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών, με κυριότερο εκπρόσωπο τους την τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη του UMTS, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+, προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3G (UMTS) προτύπου. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό που προτυποποιεί τις νέες τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν την αμέσως επόμενη δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Το νέο αυτό project αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρος ζώνης. Κύρια προοπτική του LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Κατά συνέπεια, η αγορά κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας» (Mobile Broadband). Ταυτόχρονα με την εκτεταμένη εξάπλωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και τις αυξημένες δυνατότητες των κινητών συσκευών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της πολυεκπομπής (multicasting) δεδομένων στα δίκτυα αυτά με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Επιπρόσθετα, οι χρήστες των κινητών δικτύων έχουν πλέον την απαίτηση να προσπελαύνουν εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως mobile TV, mobile gaming, mobile streaming κ.α. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η εισαγωγή της υπηρεσίας Multimedia Broadcast / Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών πανεκπομπής (broadcact) και πολυεκπομπής (multicast), επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργικότητα η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Ένας multicast μηχανισμός μεταδίδει τα δεδομένα μόνο μία φορά πάνω από κάθε ασύρματο σύνδεσμο που αποτελεί τμήμα των μονοπατιών προς τους προορισμούς-κινητούς χρήστες. Το κρισιμότερο σημείο που εντοπίζεται κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων στα κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι ο αποτελεσματικός έλεγχος ισχύος. Οι σταθμοί βάσης των κυψελωτών αυτών δικτύων διαθέτουν περιορισμένους πόρους ισχύος, γεγονός που περιορίζει τη χωρητικότητα της κυψέλης (cell) και επιβάλλει τη χρήση μίας βέλτιστης στρατηγικής για την όσο το δυνατόν καλύτερη αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων ισχύος. Ο έλεγχος ισχύος στοχεύει στη μείωση της εκπεμπόμενης ισχύος, στην ελαχιστοποίηση του θορύβου στο κυψελωτό δίκτυο και κατά συνέπεια στη διασφάλιση μεγαλύτερης χωρητικότητας επιπλέον χρηστών. Ένα από τα βασικότερα στοιχεία του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς κατά τη multicast μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων αποτελεί η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς για τη μετάδοση των δεδομένων στον κινητό χρήστη. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα κρίσιμο ζήτημα το οποίο είναι ακόμα υπό εξέταση στο 3GPP. Προς την κατεύθυνση αυτή, στο MBMS πρότυπο έχουν αναπτυχθεί διάφοροι μηχανισμοί, με χαρακτηριστικό τον MBMS Counting Mechanism. Στόχος του μηχανισμού αυτού είναι η βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων για την υπηρεσία MBMS, όταν αυτά διέρχονται από τις διεπαφές του UMTS/HSPA δικτύου. Ωστόσο, η υπάρχουσα μορφή του μηχανισμού αυτού, καθώς και των αρκετών άλλων μηχανισμών που έχουν προταθεί από το 3GPP, διακρίνεται από πολλές αδυναμίες που δεν επιτρέπουν την αποτελεσματική και μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων. Τα σημαντικότερα προβλήματα των μηχανισμών αυτών είναι η απουσία ευρυζωνικών χαρακτηριστικών καθώς και η σπατάλη σημαντικού τμήματος των ούτως ή άλλως περιορισμένων πόρων ισχύος. Εν γένει, η επιλογή του κατάλληλου καναλιού μεταφοράς των πολυμεσικών δεδομένων στο ασύρματο μέσο είναι μια δύσκολη διαδικασία καθώς μια λανθασμένη επιλογή καναλιού μπορεί να οδηγήσει στην αστοχία μίας ολόκληρης κυψέλης. Γίνεται σαφές λοιπόν, ότι απαιτείται μία βελτιωμένη έκδοση των υπαρχόντων μηχανισμών για την αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη μετάδοση πολυμεσικού περιεχομένου σε μεγάλο πλήθος χρηστών. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη του ελέγχου ισχύος στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς καθώς και η ανάπτυξη νέων μεθόδων/μηχανισμών για τη βελτιστοποίηση του. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της διατριβής αυτής είναι η ενσωμάτωση και η «εκμετάλλευση» όλων των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της HSPA τεχνολογίας στην MBMS υπηρεσία. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύονται και αξιολογούνται όλα τα υπάρχοντα κανάλια μεταφοράς του UMTS και της τεχνολογίας HSPA τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη multicast μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Η αξιολόγηση γίνεται με βάση την απαιτούμενη ισχύ που πρέπει να ανατεθεί από το σταθμό βάσης για καθένα από αυτά, και κατά συνέπεια με βάση το ρυθμό μετάδοσης τους, τον αριθμό των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετήσουν, την ποιότητα υπηρεσιών για κάθε χρήστη, τη μέγιστη δυνατή κάλυψη της κυψέλης κ.α. Οι ιδιαίτερα αυξημένες απαιτήσεις των MBMS υπηρεσιών μας οδήγησαν στη συνέχεια στη διερεύνηση και αξιολόγηση ορισμένων τεχνικών μείωσης της εκπεμπόμενης ισχύος, με απώτερο σκοπό την αποδοτικότερη χρήση των πόρων του συστήματος κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ενδεικτικά αναφέρουμε πως μία MBMS υπηρεσία με ρυθμό μετάδοσης 128 Kbps μπορεί να καταναλώσει έως και το 80% των πόρων ισχύος ενός σταθμού βάσης. Επομένως, γίνεται κατανοητό ότι η μετάδοση MBMS υπηρεσιών με τόσο υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης καθίσταται δύσκολη έως και αδύνατη. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί τεχνικές, όπως η FACH Dynamic Power Setting, η Macro Diversity Combining και το Rate Splitting, ικανές να μειώσουν τα επίπεδα ισχύος κατά τη μετάδοση multicast δεδομένων στους MBMS χρήστες. Η διδακτορική αυτή διατριβή εξετάζει την αποδοτικότητα της χρήσης αυτών των τεχνικών εξοικονόμησης ισχύος και παρουσιάζει πειραματικά αποτελέσματα που αποκαλύπτουν το ποσό ισχύος που εξοικονομείται από κάθε μία τεχνική. Η αξιολόγηση τόσο των καναλιών μεταφοράς όσο και των τεχνικών μείωσης ισχύος θα οδηγήσει στην εύρεση ενός κατάλληλου σχήματος/μηχανισμού, ο οποίος θα εξασφαλίζει την αποδοτική εναλλαγή μεταξύ των διάφορων τύπων καναλιών κατά τη μετάδοση MBMS υπηρεσιών. Ο μηχανισμός αυτός, τον οποίο καλούμε MBMS Channel Assignment Mechanism (ή χάριν συντομίας «MCAM»), αναμένεται να εξασφαλίσει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με τους αντίστοιχους μηχανισμούς που έχουν προταθεί από το 3GPP, μείωση της καταναλισκόμενης ισχύος και κατά συνέπεια αύξηση της χωρητικότητας των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς. Ωστόσο, το πιο αξιοπρόσεκτο πλεονέκτημα του προτεινόμενου μηχανισμού, που ουσιαστικά τον διαφοροποιεί από τις άλλες προσεγγίσεις, είναι ότι προσαρμόζεται στις αυξημένες απαιτήσεις των κινητών δικτύων επόμενης γενιάς για ταυτόχρονη παροχή πολλαπλών πολυμεσικών συνόδων. Το γεγονός αυτό μπορεί να επιτρέψει τη μαζική μετάδοση πολυμεσικών δεδομένων σε πληθώρα κινητών χρηστών, θέτοντας κατά τον τρόπο αυτό τον MCAM σαν έναν ισχυρό υποψήφιο για τα δίκτυα επόμενης γενιάς. / The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication. The fast development of this area was mainly motivated by the requirements of modern market for a unified and functional system of mobile communications that, at the same time, may provide numerous broadband services to its users. More specifically, in the recent years, the usage of third generation (3G) - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) cellular networks has begun to rise in most European countries, as in Greece. 3G networks have replaced the second generation mobile networks and moreover, are in position of offering advanced services to mobile users. However, the need for higher (broadband) speeds led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. However, despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel project is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to UMTS and HSPA networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. Simultaneously, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and re-use the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. For instance, mobile TV is expected to be a “killer” application for 3G’s. Such mobile TV services include streaming live TV (news, weather forecasts etc.) and streaming video (such as video clips). All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. The main requirement during the provision of MBMS multicast services is to make an efficient overall usage of radio and network resources. This necessity mainly translates into improved power control strategies, since the base stations’ transmission power is the limiting factor of downlink capacity in UMTS networks. Under this prism, power control is one of the most critical aspects in MBMS due to the fact that downlink transmission power in UMTS networks is a limited resource and must be shared efficiently among all MBMS users in a cell. Moreover, power control aims at minimizing the transmitted power, eliminating in this way the intercell interference. However, when misused, the use of power control may lead to a high level of wasted power and worse performance results. In order to have efficient power control in MBMS, one of the most critical aspects is the selection of the transport channel for the transmission of MBMS multicast traffic. MBMS services can be provided in each cell by either multiple point-to-point (PTP) channels or by a single point-to-multipoint (PTM) channel. A wrong channel selection may result to a significant capacity decrease, thus, preventing the mass delivery of multimedia applications. It is worth mentioning that channel selection is still an open issue in today’s MBMS infrastructure mainly due to its catalytic role in MBMS performance. In the frame of MBMS power control and transport channel selection several approaches have been proposed, with main representative the 3GPP MBMS Counting Mechanism. However, none of these approaches performs optimal transport channel selection either due to the fact that some of them do not consider the power consumption as the selection criterion or because of the fact that they do not consider all the available transport channels (or combination of them) for the transmission of the MBMS data. All the above stress the need for an advanced version of these mechanisms that could deliver multimedia content to a large number of mobile users in a more efficient and economic way. After taking into account the above analysis, objective of this dissertation is the study of power control issues in next generation mobile communication networks and the development of new approaches/ mechanisms for its optimization. To this direction, this dissertation analyzes and evaluates all the available UMTS and HSPA transport channels that could be used for the transmission of MBMS multicast services. Moreover, this dissertation investigates and evaluates several power saving techniques that aim at the efficient usage of radio and network resources. Techniques, such as Dynamic Power Setting, Macro Diversity Combining and Rate Splitting are capable of decreasing the power consumption during the provision of MBMS services and may enable the mass market delivery of multimedia services to mobile users. The evaluation of the available transport channels and power saving techniques will lead to the development of a novel scheme/mechanism that will enable the efficient selection of transport channels for the transmission of MBMS services. The proposed mechanism, which we call MBMS Channel Assignment Mechanism (or «MCAM»), is expected to optimally utilize the available power resources of base stations to MBMS sessions running in the network, resulting in that way to an extensive increase on the system’s capacity. Therefore, MCAM may allow the mass provision of multimedia data to a large number of mobile users, which makes MCAM a strong candidate for next generation networks.

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 no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115484 / TESIS