Maximum Outage Capacity in Dense Indoor Femtocell Networks with Joint Energy and Spectrum Utilization

We consider a multiple femtocell deployment in a small area which shares spectrum with the underlaid macrocell. We design a joint energy and radio spectrum scheme which aims not only for co-existence with the macrocell, but also for an energy-efficient implementation of the multi-femtocells. Particularly, aggregate energy usage on dense femtocell channels is formulated taking into account the cost of both the spectrum and energy usage. We investigate an energy-and-spectral efficient approach to balance between the two costs by varying the number of active sub-channels and their energy. The proposed scheme is addressed by deriving closed-form expressions for the interference towards the macrocell and the outage capacity. Analytically, discrete regions under which the most promising outage capacity is achieved by the same size of active sub-channels are introduced. Through a joint optimization of the sub-channels and their energy, properties can be found for the maximum outage capacity under realistic constraints. Using asymptotic and numerical analysis, it can be noticed that in a dense femtocell deployment, the optimum utilization of the energy and the spectrum to maximize the outage capacity converges towards a round-robin scheduling approach for a very small outage threshold. This is the inverse of the traditional greedy approach. © 2012 IEEE.

Avaliação da tecnologia femtocell como canal de retorno para TV digital

Mensurar os impactos do tráfego de aplicações interativas para TV Digital nas redes sem fio de 4a geração em especial WIMAX e femtocell tem sido um grande desafio para pesquisadores em todo o mundo, o teste destas tecnologias se mostra promissora para a melhor qualidade de serviço prestado pelas operadoras. Inicialmente, identificando o padrão de tráfego de rede através da aferição e caracterização de tráfego de uma aplicação interativa de TV Digital do Sistema Brasileiro de TV Digital (SBTVD). A partir de então, as simulações são feitas sobre uma rede sem fio. Para este estudo, a rede WiMAX foi escolhida como um de nossos estudo de caso. Um estudo dos impactos do uso desta aplicação em uma WMAN (Wireless Metropolitan Área Network) com WiMAX e também utilizando femtocells. Evidentemente, tecnologias sem fio apresentam uma grande variação da qualidade do sinal. Deste modo, é necessário utilizar uma solução para reduzir essa degradação no sinal. Dentre as possíveis soluções, o uso de femtocells surge como alternativa viável para estas melhorias, lembrando que uso de femtocell esta diretamente ligado para áreas onde o sinal é zero ou muito baixo. A utilização de simulações discretas através de ferramentas apropriadas como o OPNET, se mostram bastante úteis para viabilizar a utilização das tecnologias existentes, expondo-as a condições mais adversas de fluxo, carga , numero de usuários e distancias que certamente influenciam no desempenha de cada uma delas.

Subchannel allocation and power control in femtocells to provide quality of service

Femtocells are a new concept which improves the coverage and capacity of a cellular system. We consider the problem of channel allocation and power control to different users within a Femtocell. Knowing the channels available, the channel states and the rate requirements of different users the Femtocell base station (FBS), allocates the channels to different users to satisfy their requirements. Also, the Femtocell should use minimal power so as to cause least interference to its neighboring Femtocells and outside users. We develop efficient, low complexity algorithms which can be used online by the Femtocell. The users may want to transmit data or voice. We compare our algorithms with the optimal solutions.

Pricing and Power allocation in Femtocells using Stackelberg Game Theory

We consider a system with multiple Femtocells operating in a Macrocell. The transmissions in one Femtocell interfere with its neighboring Femtocells as well as with the Macrocell Base Station. We model Femtocells as selfish nodes and the Macrocell Base Station protects itself by pricing subchannels for each usage. We use Stackelberg game model to study this scenario and obtain equilibrium policies that satisfy certain quality of service.

Green-Markov models - new optimization strategies: a case study for user allocation in co-channel macro/femto networks

ABSTRACT: The femtocell concept aims to combine fixed-line broadband access with mobile telephony using the deployment of low-cost, low-power third and fourth generation base stations in the subscribers' homes. While the self-configuration of femtocells is a plus, it can limit the quality of service (QoS) for the users and reduce the efficiency of the network, based on outdated allocation parameters such as signal power level. To this end, this paper presents a proposal for optimized allocation of users on a co-channel macro-femto network, that enable self-configuration and public access, aiming to maximize the quality of service of applications and using more efficiently the available energy, seeking the concept of Green networking. Thus, when the user needs to connect to make a voice or a data call, the mobile phone has to decide which network to connect, using the information of number of connections, the QoS parameters (packet loss and throughput) and the signal power level of each network. For this purpose, the system is modeled as a Markov Decision Process, which is formulated to obtain an optimal policy that can be applied on the mobile phone. The policy created is flexible, allowing different analyzes, and adaptive to the specific characteristics defined by the telephone company. The results show that compared to traditional QoS approaches, the policy proposed here can improve energy efficiency by up to 10%.

Análise de handover a partir do uso de femtocells em redes LTE: abordagem baseada em simulação discreta

O volume de tráfego de dados em redes celulares está crescendo exponencialmente. A explosão do uso de dispositivos e aplicações móveis nos últimos anos, tem levado a uma sobrecarga da infraestrutura da rede responsável pelo escoamento desse tráfego, afetando tanto o desempenho da rede quanto a experiência do usuário. Um dos elementos-chave nas redes LTE (Long Term Evolution) é a possibilidade de implantação de múltiplas femtocells para a melhoria de cobertura e taxa de dados. No entanto, as sobreposições arbitrárias na cobertura dessas células tornam a gestão do mecanismo de handover complexo e desafiador. Nesse sentido, esta dissertação propõe uma metodologia para o estudo do impacto do handover em redes LTE com femtocells. A partir de uma abordagem de simulação discreta, os efeitos da implantação de femtocells foram avaliados. Objetivou-se com isso, mensurar os impactos e a correlação do uso de femtocell nos parâmetros de QoS (Quality of Service) e indicadores de desempenho de handover.

Green markov - uma abordagem híbrida de política markoviana e simulação discreta para planejamento de alocação de usuários em redes macro-femto

O uso da comunicação de voz e dados através de dispositivos móveis vem aumentando significativamente nos últimos anos. Tal expansão traz algumas dificuldades inerentes, tais como: ampliação constante de capacidade das redes e eficiência energética. Neste contexto, vem se consolidando o conceito de Green networks, que se concentra no esforço para economia de energia e redução de CO2. Neste sentido, este trabalho propõe validar um modelo de uma política baseado em processo markoviano de decisão, visando a otimizar o consumo de energia, QoS e QoE, na alocação de usuários em redes macrocell e femtocell. Para isso o modelo foi inserido no simulador NS-2, aliando a solução analítica markoviana à flexibilidade característica da simulação discreta. A partir dos resultados apresentados na simulação, a política obteve uma economia significativa no consumo energético, melhorando a eficiência energética em até 4%, além de melhorar a qualidade de serviço em relação às redes macrocell e femtocell, demonstrando-se eficaz, de modo a alterar diretamente as métricas de QoS e de QoE.

Análisis prospectivo del despliegue de redes de comunicaciones móviles LTE en nuevas bandas de frecuencia mediante el desarrollo de modelos tecnoeconómicos

El estándar LTE se ha posicionado como una de las claves para que los operadores de telecomunicación puedan abordar de manera eficiente en costes el crecimiento de la demanda de tráfico móvil que se prevé para los próximos años, al ser una tecnología más escalable en el núcleo de la red y más flexible en la interfaz radio que sus predecesoras. En este sentido, es necesario también que los reguladores garanticen un acceso al espectro radioeléctrico adecuado, equitativo y no discriminatorio, que permita un entorno estable para el despliegue de redes de comunicaciones móviles avanzadas. Además de la flexibilización del marco regulador del espectro radioeléctrico en Europa, que ha permitido el despliegue de nuevas tecnologías en las bandas de frecuencia históricas de GSM, se ha puesto a disposición espectro adicional para sistemas IMT en nuevas bandas de frecuencia, lo que ha planteando a su vez nuevos retos para la tecnología y la regulación. La fragmentación del espectro disponible para comunicaciones móviles ha impulsado el desarrollo de técnicas de agregación de portadoras en las nuevas versiones del estándar LTE, que permiten explotar mejor los recursos radio en su conjunto. No obstante, el espectro inferior a 1 GHz sigue siendo escaso, ya que el tráfico móvil aumenta y la banda de 900 MHz aún se utiliza para servicios GSM, lo que no ha conseguido sino agravar la disputa entre los servicios de radiodifusión terrestre y de comunicaciones móviles por la parte superior de la banda UHF. En concreto, la banda de 700 MHz se perfila como una de las próximas para aumentar el espectro disponible para los servicios en movilidad, si bien su liberación por parte de las actuales redes de Televisión Digital Terrestre presenta no pocas dificultades en los Estados miembros en los que ésta es la principal plataforma audiovisual de acceso gratuito, abriendo un debate sobre el modelo audiovisual a largo plazo en Europa. Por otro lado, las políticas públicas de promoción del acceso a la banda ancha rápida y ultrarrápida de la presente década han establecido objetivos ambiciosos para el año 2020, tanto en el ámbito europeo como en los diferentes Estados miembros. La universalización del acceso a redes de banda ancha de al menos 30 Mbps constituye uno de los principales retos. Las expectativas generadas por la tecnología LTE y la puesta a disposición de nuevas bandas de frecuencia hace posible que los servicios de acceso fijo inalámbrico adquieran especial relevancia ante los objetivos de política pública establecidos que, como ha sido reconocido en diversas ocasiones, no podrán lograrse sino con un compendio de diferente tecnologías. Para esta Tesis Doctoral se han desarrollado una serie modelos tecnoeconómicos con el objetivo de realizar un análisis prospectivo que evalúa tres casos de especial relevancia en el despliegue de redes LTE: en primer lugar, la valoración económica de la banda de 700 MHz; en segundo lugar, la evaluación de modelos de negocio y reducción de costes considerando tecnologías femtocelulares; y finalmente, la viabilidad de las redes LTE de acceso fijo inalámbrico para el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha de 30 Mbps. En relación con la aplicación del análisis tecnoeconómico para la valoración del espectro de 700 MHz, los resultados obtenidos ponen de manifiesto dos cuestiones fundamentales. En primer lugar, la necesidad de asignar a los operadores más espectro para satisfacer las previsiones de demanda de tráfico móvil a medio plazo. En segundo, existe una diferencia notable en los costes de despliegue de una red LTE cuando se dispone de espectro en frecuencias inferiores a 1 GHz y cuando no, pero esta diferencia de costes disminuye a medida que se añade nuevo espectro sub-1GHz. De esta manera, la atribución de la banda de 700 MHz a servicios de comunicaciones móviles supone una reducción relevante en los costes de despliegue si el operador no dispone de espectro en la banda de 800 MHz, pero no así si ya dispone de espectro en bandas bajas para el despliegue. En este sentido, puede concluirse que el precio que los operadores estarán dispuestos a pagar por el espectro de la banda de 700 MHz dependerá de si ya tienen disponible espectro en la banda de 800 MHz. Sin embargo, dado que la competencia por ese espectro será menor, los ingresos esperables en las licitaciones de esta nueva banda serán en general menores, a pesar de que para algunos operadores este espectro sería tan valioso como el de 800 MHz. En segundo lugar, en relación con el despliegue de femtoceldas pueden extraerse algunas conclusiones en términos de ahorro de costes de despliegue y también de cara a la viabilidad de los modelos de negocio que posibilitan. El ahorro que supone la introducción de femtoceldas en el despliegue de una red LTE frente al caso de un despliegue exclusivamente macrocelular se ha demostrado que es mayor cuanto menor es el ancho de banda disponible para la red macrocelular. En esta línea, para un operador convergente el despliegue de femtoceldas tiene sentido económico si el ancho de banda disponible es escaso (en torno a 2x10 MHz), que, en el caso de España, puede reflejar el caso de los operadores del segmento fijo que son nuevos entrantes en el móvil. Por otro lado, los modelos de acceso abierto son interesantes para operadores exclusivamente móviles, porque consiguen flexibilizar los costes sustituyendo estaciones base macrocelulares por el despliegue de femtoceldas, pero necesitan desplegarse en zonas con una densidad de población relativamente elevada para que éstas descarguen tráfico de varios usuarios de la red macrocelular simultáneamente. No obstante, las femtoceldas son beneficiosas en todo caso si es el usuario quien asume los costes de la femtocelda y el backhaul, lo que sólo parece probable si se integran en el modelo de negocio de comercialización de nuevos servicios. Por tanto, el despliegue de femtoceldas en buena parte de la casuística estudiada sólo tiene sentido si consiguen aumentar los ingresos por usuario comercializando servicios de valor añadido que necesiten calidad de servicio garantizada y exploten a la vez de esa forma su principal ventaja competitiva respecto a la tecnología WiFi. Finalmente, en relación con el papel de la tecnología LTE para la provisión de servicios de acceso fijo inalámbrico para la banda ancha de 30 Mbps, se ha desarrollado un modelo TD-LTE y mediante la metodología de análisis tecnoeconómico se ha realizado un estudio prospectivo para el caso de España. Los resultados obtenidos preciden una huella de cobertura de FTTH del 74% para 2020, y demuestran que una red TD-LTE en la banda de 3,5 GHz resulta viable para aumentar la cobertura de servicios de 30 Mbps en 14 puntos porcentuales. Junto con la consideración de la cobertura de otras redes, la cobertura de 30 Mbps de acuerdo a la viabilidad de los despliegues alcanzaría el 95% en España en el año 2020. Como resumen, los resultados obtenidos muestran en todos los casos la capacidad de la tecnología LTE para afrontar nuevos desafíos en relación con el aumento del tráfico móvil, especialmente crítico en las zonas más urbanas, y el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha rápida en las zonas más rurales. ABSTRACT The LTE standard has been pointed out as one of the keys for telecom operators to address the demand growth in mobile traffic foreseen for the next years in a cost-efficient way, since its core network is more scalable and its radio interface more flexible than those of its predecessor technologies. On the other hand, regulators need to guarantee an adequate, equitable and non-discriminatory access to radio spectrum, which enable a favorable environment for the deployment of advanced mobile communication networks. Despite the reform of the spectrum regulatory framework in Europe, which allowed for the deployment of new technologies in the historic GSM bands, additional spectrum has been allocated to IMT systems in new frequency bands, what in turn has set out new challenges for technology and regulation. The current fragmentation of available spectrum in very different frequency bands has boosted the development of carrier aggregation techniques in most recent releases of the LTE standard, which permit a better exploitation of radio resources as a whole. Nonetheless, spectrum below 1 GHz is still scarce for mobile networks, since mobile traffic increases at a more rapid pace than spectral efficiency and spectrum resources. The 900 MHz frequency band is still being used for GSM services, what has worsen the dispute between mobile communication services and terrestrial broadcasting services for the upper part of the UHF band. Concretely, the 700 MHz frequency band has been pointed out as one of the next bands to be allocated to mobile in order to increase available spectrum. However, its release by current Digital Terrestrial Television networks is challenging in Member States where it constitutes the main free access audiovisual platform, opening up a new debate around the audiovisual model in the long term in Europe. On the other hand, public policies of the present decade to promote fast and ultrafast broadband access has established very ambitious objectives for the year 2020, both at European and national levels. Universalization of 30 Mbps broadband access networks constitutes one of the main challenges. Expectations raised by LTE technology and the allocation of new frequency bands has lead fixed wireless access (FWA) services to acquire special relevance in light of public policy objectives, which will not be met but with a compendium of different technologies, as different involved stakeholders have acknowledged. This PhD Dissertation develops techno-economic models to carry out a prospective analysis for three cases of special relevance in LTE networks’ deployment: the spectrum pricing of the 700 MHz frequency band, an assessment of new business models and cost reduction considering femtocell technologies, and the feasibility of LTE fixed wireless access networks to close the 30 Mbps broadband access gap in rural areas. In the first place and regarding the application of techno-economic analysis for 700 MHz spectrum pricing, obtained results reveal two core issues. First of all, the need to allocate more spectrum for operators in order to fulfill mobile traffic demand in the mid-term. Secondly, there is a substantial difference in deployment costs for a LTE network when there is sub-1GHz spectrum available and when there is not, but this difference decreases as additional sub-1GHz spectrum is added. Thus, the allocation of 700 MHz band to mobile communication services would cause a relevant reduction in deployment costs if the operator does not count on spectrum in the 800 MHz, but not if it already has been assigned spectrum in low frequencies for the deployment. In this regard, the price operators will be willing to pay for 700 MHz spectrum will depend on them having already spectrum in the 800 MHz frequency band or not. However, since competition for the new spectrum will not be so strong, expected incomes from 700 MHz spectrum awards will be generally lower than those from the digital dividend, despite this spectrum being as valuable as 800 MHz spectrum for some operators. In the second place, regarding femtocell deployment, some conclusions can be drawn in terms of deployment cost savings and also with reference to the business model they enable. Savings provided by a joint macro-femto LTE network as compared to an exclusively macrocellular deployment increase as the available bandwidth for the macrocells decreases. Therefore, for a convergent operator the deployment of femtocells can only have economic sense if the available bandwidth is scarce (around 2x10 MHz), which might be the case of fix market operators which are new entrant in mobile market. Besides, open access models are interesting for exclusively mobile operators, since they make costs more flexible by substituting macrocell base stations by femtocells, but they need to be deployed relatively densely populated areas so that they can offload traffic from several macrocell users simultaneously. Nonetheless, femtocells are beneficial in all cases if the user assumes both femtocell and backhaul costs, which only seems probable if they are integrated in a business model commercializing new services. Therefore, in many of the cases analyzed femtocell deployment only makes sense if they increase revenues per user through new added value services which need from guaranteed quality of service, thus exploiting its main competitive advantage compared to WiFi. Finally, regarding the role of LTE technology in the provision of fixed wireless access services for 30 Mbps broadband, a TD-LTE model has been developed and a prospective study has been carried out through techno-economic methodology for the Spanish case. Obtained results foresee a FTTH coverage footprint of 74% households for 2020, and prove that a TD-LTE network in the 3.5 GHz band results feasible to increase 30 Mbps service coverage in additional 14 percentage points. To sum up, obtained results show LTE technology capability to address new challenges regarding both mobile traffic growth, particularly critical in urban zones, and the current digital divide in fast broadband access in most rural zones.