Mobile relaying and opportunistic networking in multi-hop cellular networks

• Autores: Baldomero Coll Perales
• Directores de la Tesis: Javier Manuel Gozalvez Sempere (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Miguel Hernández de Elche ( España ) en 2015
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Narciso Cardona Marcet (presid.), Otoniel Mario López Granado (secret.), Leandro Juan Llácer (voc.), Ramón Agüero Calvo (voc.), James Irvine (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de las telecomunicaciones
      • Radiocomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: RediUMH (pdf)
• Resumen
  • español

    Los sistemas de comunicaciones móviles han experimentado una notable evolución en las últimas décadas con la aparición de nuevas tecnologías de acceso radio diseñadas para incrementar la capacidad del sistema y soportar mayores tasas de transmisión. Esta evolución se ha centrado principalmente en el marco del concepto tradicional de arquitectura celular centrada en infraestructura en la que cada estación móvil comunica directamente con la estación base. Las comunicaciones celulares tradicionales experimentan dificultades para proveer niveles de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) elevados y homogéneos en toda la celda (en particular en los límites de la celda) debido a la atenuación que sufre la señal con la distancia y la presencia de obstáculos. En este contexto, un cambio en el paradigma es perseguido en el diseño de los futuros sistemas de comunicaciones móviles (los sistemas 5G) que deberán soportar de una manera eficiente los diversos requisitos de QoS y calidad de experiencia (Quality of Experience, QoE) del tráfico de datos de las redes móviles que crece a tasas exponenciales. Esta tesis defiende la necesidad de explorar y evolucionar desde las actuales arquitecturas celulares centradas en la infraestructura a tecnologías inalámbricas centradas en los dispositivos que sacan provecho de la inteligencia, y los recursos de comunicación y computación de los dispositivos móviles inteligentes. Una forma de conseguir estos objetivos es explotando las comunicaciones dispositivo a dispositivo (Device-to-Device, D2D) y las redes celulares multi-salto (Multi-hop Cellular Networks, MCNs). En las redes MCNs, los dispositivos móviles pasan a ser productores/consumidores de conectividad inalámbrica actuando como pasarela entre la infraestructura celular y otros dispositivos. Estudios anteriores han demostrado el potencial de las redes MCNs para conseguir importantes beneficios de capacidad y eficiencia energética, a la vez que proveen de mayores y más homogéneos niveles de QoS y QoE. Sin embargo, hasta el momento, las investigaciones realizadas se han limitado generalmente a estudios analíticos y de simulación, y existe por lo tanto la necesidad de demostrar los beneficios de las redes MCNs de manera experimental. En este contexto, una primera y significativa contribución de esta tesis es la evaluación experimental del rendimiento de las redes MCNs a través de pruebas de campo en redes celulares comerciales. Las pruebas de campo llevadas a cabo persiguen validar y cuantificar los beneficios que las redes MCNs utilizando retransmisores móviles pueden proporcionar sobre los sistemas celulares tradicionales. Para ello, esta tesis ha diseñado e implementado una plataforma hardware con las herramientas software necesarias para monitorizar la operación y la QoS de los procesos de retransmisión en los enlaces multi-salto, y que permite investigar los beneficios de las redes MCNs y las condiciones en los que estos beneficios pueden obtenerse. Utilizando los datos obtenidos de las medidas de campo, esta tesis extrae un conjunto único de modelos empíricos que caracterizan el rendimiento de las comunicaciones MCN, y que pueden ayudar al diseño, testeo y optimización de protocolos de comunicación y de red para redes MCNs en estudios analíticos y de simulación. De manera complementaria a estos estudios, esta tesis propone mejorar la eficiencia en la transmisión del tráfico de datos tolerante a retardos por medio de la integración de técnicas de red oportunistas en las redes MCNs. Los mecanismos oportunistas explotan la tolerancia al retardo que caracteriza a alguno de los servicios de datos más relevantes para buscar las condiciones de transmisión más eficientes en las redes MCNs. En este contexto, esta tesis desarrolla primero un entorno analítico para redes MCNs oportunistas diseñado para identificar la configuración óptima en términos de eficiencia energética. Utilizando esta configuración óptima como referencia, esta tesis propone entonces un conjunto de mecanismos oportunistas que explotan información de contexto proporcionada por la red celular y que demuestran su potencial para contribuir de manera notable a alcanzar los requisitos de capacidad y eficiencia energética perseguidos en las redes 5G.

  • English

    Cellular systems have significantly evolved over the past decades through the introduction of novel radio access technologies designed to increase capacity and support higher data rates. The evolution has mainly focused around the traditional cell-centric approach where each mobile station directly communicates with the base station. Traditional cellular communications experience difficulties in providing high and homogeneous Quality of Service (QoS) levels throughout the cell (in particular at cell edges) due to the signal attenuation produced by obstacles and distance. In this context, a paradigm-shift is sought for the design of future mobile communications systems (5G networks) that will be required to efficiently support varying QoS and Quality of Experience (QoE) requirements of the exponentially increasing mobile data traffic. This thesis advocates for the need to explore and evolve from current cell-centric architectures to device-centric architectures which exploit the intelligence, communications and computing resources of smart mobile devices. One approach to do so is by exploiting Device-to-Device (D2D) communications and Multi-hop Cellular Networks (MCNs). In device-centric MCNs, smart mobile devices become prosumers of wireless connectivity and act as a bridge between the cellular infrastructure and other devices. Previous studies have demonstrated that MCNs can significantly improve the capacity and energy consumption, and provide higher and more homogeneous QoS and QoE levels. However, to date, most of these studies have remained analytical or simulation-based and hence there is the need to experimentally demonstrate the benefits of MCN technologies. In this context, one first and significant contribution of this thesis is the experimental evaluation of the performance of MCN through field tests using commercial live cellular networks. The conducted field tests are aimed at validating and quantifying the benefits that MCNs using mobile relays can provide over traditional cellular systems. To this aim, a unique hardware testbed has been designed and implemented together with the necessary software tools to monitor the operation, QoS and benefits of MCNs, and investigate the conditions under which such benefits can be obtained. Using the data obtained from the field test measurements, the thesis then proposes a unique set of empirical models that characterize the communications performance of MCNs, and that can help design, test and optimize communications and networking protocols tailored for MCNs in analytical and simulation-based studies. Complementary to these studies, this thesis proposes to improve the transmission efficiency of delay-tolerant data traffic by integrating opportunistic networking principles into MCNs. Opportunistic networking can exploit the delay tolerance characteristic of relevant data traffic services in order to search for the most efficient transmission conditions in MCNs. In this context, this thesis first derives an analytical framework for opportunistic MCNs designed to identify their optimum configuration in terms of energy efficiency. Using this reference configuration, this thesis then proposes a set of opportunistic forwarding policies that exploit context information provided by the cellular network, and that demonstrate their potential to significantly contribute towards achieving the capacity and energy-efficiency gains sought for 5G networks.