Cost based optimization for strategic mobile radio access network planning using metaheuristics
- Autores: Juan Eulogio Sánchez García
- Directores de la Tesis: José Antonio Portilla Figueras (dir. tes.), Sancho Salcedo Sanz (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2013
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Ramón Velasco Pérez (presid.), Silvia Jiménez Fernández (secret.), Arturo Vergara Pardillo (voc.), Werner Neu (voc.), Klaus D. Hackbarth (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: e_Buah
- Resumen
- español
La evolución experimentada por las comunicaciones móviles a lo largo de las últimas décadas ha sido motivada por dos factores principales: el surgimiento de nuevas aplicaciones y necesidades por parte del usuario, así como los avances tecnológicos. Los servicios ofrecidos para términales móviles han evolucionado desde el clásico servicio de voz y mensajes cortos (SMS), a servicios más atractivos y por lo tanto con una rápida aceptación por parte de usuario final como, video telephony, video streaming, online gaming, and the internet broadband access (MBAS). Todos estos nuevos servicios se han convertido en una realidad gracias a los avances técnologicos, avances tales como nuevas técnicas de acceso al medio compartido, nuevos esquemas de codificiación y modulación de la información intercambiada, sistemas de transmisión y recepción basados en múltiples antenas (MIMO), etc.
Un aspecto importante en esta evolución fue la liberación del sector a principios de los años 90, donde la función reguladora llevado a cabo por las autoridades regulatorias nacionales (NRA) se ha antojado fundamental. Uno de los principales problemas tratados por la NRA espcífica de cada nación es la determinación de los costes por servicios mayoristas, esto es los servicios entre operadores de servicios móvilles, entre los que cabe destacar el coste por terminación de llamada o de inteconexión. El servicio de interconexión hace posible la comunicación de usuarios de diferente operadores, así como el acceso a la totalidad de servicios, incluso a aquellos no prestados por un operador en concreto gracias al uso de una red perteneciente a otro operador, por parte de todos los usuarios.
El objetivo principal de esta tesis es la minimización de los costes de inversión en equipamiento de red, lo cual repercute en el establecimiento de las tarifas de interconexión como se verá a lo largo de este trabajo. La consecución de dicho objetivo se divide en dos partes: en primer lugar, el desarrollo de un conjunto de algoritmos para el dimesionado óptimo de una red de acceso radio (RAN) para un sistema de comunicaciones móvilles. En segundo lugar, el diseño y aplicación de algoritmos de optimización para la distribución óptima de los servicios sobre el conjunto de tecnologías móviles existentes (OSDP).
El modulo de diseño de red proporciona cuatro algoritmos diferenciados encargados del dimensionado y planificación de la red de acceso móvil. Estos algoritmos se aplican en un entorno multi-tecnología, considerando sistemas de segunda (2G), tercera (3G) y cuarta (4G) generación, multi-usuario, teniendo en cuenta diferentes perfiles de usuarios con su respectiva carga de tráfico, y multo-servicio, incluyendo voz, servicios de datos de baja velocidad (64-144 Kbps), y acceso a internet de banda ancha móvil.
La segunda parte de la tesis se encarga de distribuir de una manera óptima el conjunto de servicios sobre las tecnologías a desplegar. El objetivo de esta parte es hacer un uso eficiente de las tecnologías existentes reduciendo los costes de inversión en equipamiento de red. Esto es posible gracias a las diferencias tecnológicas existente entre los diferentes sistemas móviles, que hacen que los sistemas de segunda generación sean adecuados para proporcionar el servicio de voz y mensajería corta, mientras que redes de tercera generación muestran un mejor rendimiento en la transmisión de servicios de datos. Por último, el servicio de banda ancha móvil es nativo de redes de última generadón, como High Speed Data Acces (HSPA) y 4G.
Ambos módulos han sido aplicados a un extenso conjunto de experimentos para el desarrollo de análisis tecno-económicos tales como el estudio del rendimiento de las tecnologías de HSPA y 4G para la prestación del servicio de banda ancha móvil, así como el análisis de escenarios reales de despliegue para redes 4G que tendrán lugar a partir del próximo año coinicidiendo con la licitación de las frecuencias en la banda de 800 MHz. Así mismo, se ha llevado a cabo un estudio sobre el despliegue de redes de 4G en las bandas de 800 MHz, 1800 MHz y 2600 MHz, comparando los costes de inversión obtenidos tras la optimización. En todos los casos se ha demostrado la mejora, en términos de costes de inversión, obtenida tras la aplicación de ambos módulos, posibilitando una reducción en la determinación de los costes de provisión de servicios.
Los estudios realizados en esta tesis se centran en la nación de España, sin embargo todos los algoritmos implementados son aplicables a cualquier otro país europeo, prueba de ello es que los algoritmos de diseño de red han sido utilizados en diversos proyectos de regulación.
- English
Mobile communication technologies have experimented a great evolution since their appearance in the early 90’s. This evolution has been motivated by two main factors: the new applications and necessities demanded by the end-user, and the technology progress. Mobile services have evolved from the classical voice and short message services (SMS), to more attractive and therefore better accepted services such as video-telephony, video-streaming, online gaming, and the mobile broadband access service (MBAS), which provides internet access on global mobility. All this improvements are a reality due to the appearance of new channel access methods, modulation and coding schemes, application of multiple input multiple output (MIMO) transmission and reception techniques, etc.
The liberalization of the sector has also played an important role in the evolution and current situation of mobile communications. Before this liberalization process, mobile communications’ market presented a monopolistic scheme, based on public network infrastructure. However, liberalization caused the appearance of multiple companies providing services, with the necessity of new network infrastructure deployment. This new liberalized framework makes necessary the existence of a National Regulatory Authority (NRA) to establish a fair competitive market situation. One of the main objectives of the NRA is to determine the interconnection costs. Interconnection makes possible the communication between users from different mobile operators, as well as the access to the whole set of services. Few mobile operators make use of network of a third partner to provide a specific service to the end-user.
The goal of this Ph. D. Thesis is to minimize the investment cost associated to the network equipment. The interconnection charges determined by the NRA depends, to some extent, on this invested cost, as we show in the different chapters of this work. To achieve this objective, the thesis is divided into two main parts: first, a set of network dimensioning algorithms is developed. The second part is focused on the design and implementation of metaheuristic optimization algorithms to solve the optimal service distribution over the considered technologies problem (OSDP). The planning and dimensioning module is based on four different algorithms. These algorithms are able to perform the dimensioning and planning process of a mobile radio access network (RAN), in a multi-technology (second (2G), third (3G) and fourth (4G) generations are considered), multi-user profile, based on the existence of three different type of users (customer, business and premium users), and multi-service environment (covering from the classical voice and SMS services, low binary rate data services (64-144 Kbps) to the mobile broadband access service).
The second part of this thesis is focused on solving the OSDP. The goal of this part is to distribute the traffic demand over the different technologies to be deployed. To achieve this objective, an efficient use of the technologies considered to reduce the investment costs incurred on network equipment, is needed. This is due to the technical features of each specific mobile generation systems, i.e., second generation systems are mainly focused on the provision of voice service and SMS, while third generation systems are data-oriented networks. Finally, the enhancement of the third generation system, known as High Speed Data Access (HSPA), together with 4G systems are focused on the provision of high speed data services such as the MBAS.
We have tested the proposed algorithms for solving the OSDP in a set of different scenarios. The results provided by these algorithms have been used to carry out techno-economical studies such as the performance analysis of the HSPA and 4G systems providing the MBAS, the LTE deployment simulation in the 800 MHz frequency band, this study is based on two real scenarios reproducing the coverage and capacity conditions of the two largest mobile operators in Spain, Movistar and Vodafone. Moreover, a study simulating the deployment of a LTE network with different spectrum allocation in the 800 MHz, 1800 MHz, and 2600 MHz has been carried out. Improvements, in terms of investment cost and therefore a reduction on services provision costs, have been observed for all the simulated cases.
The experiments performed in this thesis are focused on the spanish case. However, the algorithms implemented can be easily adopted to carry out similar studies in any other european country. In fact, the dimensioning algorithms of the first part of this thesis have been successfully applied to several international regulatory projects.
- español
