Una rassegna delle tecnologie di rete wireless WRAN IEEE 802.22 e mobile WiMAX IEEE 802.16e

Lo scopo di questa tesi è quello di illustrare gli standard IEEE 802.22 WRAN e IEEE 802.16e Mobile WiMAX. Di questi standard verranno analizzate le caratteristiche principali, i metodi di funzoinamento ed alcuni protocolli. Nel primo capitolo viene fatta una breve spiegazione delle tecnologie wireless con un focus sullo spettro radio, sulle tecniche di modulazione dell’onda radio, sugli scenari operativi LOS, nLOS ed NLOS, sulle tecniche di duplexing e le tecniche di accesos multiplo, inoltre vengono brevente illustrate alcune delle problematiche che affliggono le trasmissioni senza fili ed infine vengono illustrate i quattro più comuni livelli di QoS. Nel secondo capitolo viene illustrato lo standard IEEE 802.22 con un focus sullo stato dell’arte della tecnologia WRAN, come si è sviluppato lo standard e per quali motivi è stato redatto, lo spettro di frequeza utilizzato e come, il funzionamento delle Cognitive Radio, i dispositivi che caratterizzano le reti WRAN e la topologia di rete utilizzata. In seguito sono spiegati nello specifico i livelli fisico e MAC e le loro caratteristiche e metodi di funzionamento. Nel terzo capitolo vengono illustrate le caratteristiche dello standard IEEE 802.16e cercando di riprendere gli stessi punti toccati nel capitolo precedente con una caratterizzazione dello standard nei suoi particolari.

Evaluación de las Prestaciones de una Red WiMAX Móvil en un Escenario de Alta Movilidad

The aim of this paper is to evaluate the performance of mobile WiMAX technology for users in a highly mobility scenario for an operating frequency of 3.5 GHz. By utilizing a modified version of the extended Erceg’s propagation model, based on the introduction of Rayleigh fading due to multipath, we have calculated the received desired power and the interference power to obtain the statistical signal-to-interference-plusnoise rate (as a function of mean value and variance of cochannel interference) and the user throughput. A rural scenario composed of a transmitting base station and users in moving vehicles along a cell sector is proposed. The obtained results about coverage and throughput have been simulated by a tool built in MATLAB

Operational inferences on VANETs in 802.16e and 802.11p with improved performance by Congestion alert

Mobile WiMAX is a burgeoning network technology with diverse applications, one of them being used for VANETs. The performance metrics such as Mean Throughput and Packet Loss Ratio for the operations of VANETs adopting 802.16e are computed through simulation techniques. Next we evaluated the similar performance of VANETs employing 802.11p, also known as WAVE (Wireless Access in Vehicular Environment). The simulation model proposed is close to reality as we have generated mobility traces for both the cases using a traffic simulator (SUMO), and fed it into network simulator (NS2) based on their operations in a typical urban scenario for VANETs. In sequel, a VANET application called `Street Congestion Alert' is developed to assess the performances of these two technologies. For this application, TraCI is used for coupling SUMO and NS2 in a feedback loop to set up a realistic simulation scenario. Our inferences show that the Mobile WiMAX performs better than WAVE for larger network sizes.

The cross layer RMPA handover: a reliable mobility pattern aware handover strategy for broadband wireless communication in a high-speed railway domain

Enhancing the handover process in broadband wireless communication deployment has traditionally motivated many research initiatives. In a high-speed railway domain, the challenge is even greater. Owing to the long distances covered, the mobile node gets involved in a compulsory sequence of handover processes. Consequently, poor performance during the execution of these handover processes significantly degrades the global end-to-end performance. This article proposes a new handover strategy for the railway domain: the RMPA handover, a Reliable Mobility Pattern Aware IEEE 802.16 handover strategy "customized" for a high-speed mobility scenario. The stringent high mobility feature is balanced with three other positive features in a high-speed context: mobility pattern awareness, different sources for location discovery techniques, and a previously known traffic data profile. To the best of the authors' knowledge, there is no IEEE 802.16 handover scheme that simultaneously covers the optimization of the handover process itself and the efficient timing of the handover process. Our strategy covers both areas of research while providing a cost-effective and standards-based solution. To schedule the handover process efficiently, the RMPA strategy makes use of a context aware handover policy; that is, a handover policy based on the mobile node mobility pattern, the time required to perform the handover, the neighboring network conditions, the data traffic profile, the received power signal, and current location and speed information of the train. Our proposal merges all these variables in a cross layer interaction in the handover policy engine. It also enhances the handover process itself by establishing the values for the set of handover configuration parameters and mechanisms of the handover process. RMPA is a cost-effective strategy because compatibility with standards-based equipment is guaranteed. The major contributions of the RMPA handover are in areas that have been left open to the handover designer's discretion. Our simulation analysis validates the RMPA handover decision rules and design choices. Our results supporting a high-demand video application in the uplink stream show a significant improvement in the end-to-end quality of service parameters, including end-to-end delay (22%) and jitter (80%), when compared with a policy based on signal-to-noise-ratio information.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

In the last decade mobile wireless communications have witnessed an explosive growth in the user’s penetration rate and their widespread deployment around the globe. It is expected that this tendency will continue to increase with the convergence of fixed Internet wired networks with mobile ones and with the evolution to the full IP architecture paradigm. Therefore mobile wireless communications will be of paramount importance on the development of the information society of the near future. In particular a research topic of particular relevance in telecommunications nowadays is related to the design and implementation of mobile communication systems of 4th generation. 4G networks will be characterized by the support of multiple radio access technologies in a core network fully compliant with the Internet Protocol (all IP paradigm). Such networks will sustain the stringent quality of service (QoS) requirements and the expected high data rates from the type of multimedia applications to be available in the near future. The approach followed in the design and implementation of the mobile wireless networks of current generation (2G and 3G) has been the stratification of the architecture into a communication protocol model composed by a set of layers, in which each one encompasses some set of functionalities. In such protocol layered model, communications is only allowed between adjacent layers and through specific interface service points. This modular concept eases the implementation of new functionalities as the behaviour of each layer in the protocol stack is not affected by the others. However, the fact that lower layers in the protocol stack model do not utilize information available from upper layers, and vice versa, downgrades the performance achieved. This is particularly relevant if multiple antenna systems, in a MIMO (Multiple Input Multiple Output) configuration, are implemented. MIMO schemes introduce another degree of freedom for radio resource allocation: the space domain. Contrary to the time and frequency domains, radio resources mapped into the spatial domain cannot be assumed as completely orthogonal, due to the amount of interference resulting from users transmitting in the same frequency sub-channel and/or time slots but in different spatial beams. Therefore, the availability of information regarding the state of radio resources, from lower to upper layers, is of fundamental importance in the prosecution of the levels of QoS expected from those multimedia applications. In order to match applications requirements and the constraints of the mobile radio channel, in the last few years researches have proposed a new paradigm for the layered architecture for communications: the cross-layer design framework. In a general way, the cross-layer design paradigm refers to a protocol design in which the dependence between protocol layers is actively exploited, by breaking out the stringent rules which restrict the communication only between adjacent layers in the original reference model, and allowing direct interaction among different layers of the stack. An efficient management of the set of available radio resources demand for the implementation of efficient and low complexity packet schedulers which prioritize user’s transmissions according to inputs provided from lower as well as upper layers in the protocol stack, fully compliant with the cross-layer design paradigm. Specifically, efficiently designed packet schedulers for 4G networks should result in the maximization of the capacity available, through the consideration of the limitations imposed by the mobile radio channel and comply with the set of QoS requirements from the application layer. IEEE 802.16e standard, also named as Mobile WiMAX, seems to comply with the specifications of 4G mobile networks. The scalable architecture, low cost implementation and high data throughput, enable efficient data multiplexing and low data latency, which are attributes essential to enable broadband data services. Also, the connection oriented approach of Its medium access layer is fully compliant with the quality of service demands from such applications. Therefore, Mobile WiMAX seems to be a promising 4G mobile wireless networks candidate. In this thesis it is proposed the investigation, design and implementation of packet scheduling algorithms for the efficient management of the set of available radio resources, in time, frequency and spatial domains of the Mobile WiMAX networks. The proposed algorithms combine input metrics from physical layer and QoS requirements from upper layers, according to the crosslayer design paradigm. Proposed schedulers are evaluated by means of system level simulations, conducted in a system level simulation platform implementing the physical and medium access control layers of the IEEE802.16e standard.

Antenna Selection for Next Generation IEEE 802.16 Mobile Stations

The IEEE 802.16/WiMAX standard has fully embraced multi-antenna technology and can, thus, deliver robust and high transmission rates and higher system capacity. Nevertheless,due to its inherent form-factor constraints and cost concerns, a WiMAX mobile station (MS) should preferably contain fewer radio frequency (RF) chains than antenna elements.This is because RF chains are often substantially more expensive than antenna elements. Thus, antenna selection, wherein a subset of antennas is dynamically selected to connect to the limited RF chains for transceiving, is a highly appealing performance enhancement technique for multi-antenna WiMAX terminals.In this paper, a novel antenna selection protocol tailored for next-generation IEEE 802.16 mobile stations is proposed. As demonstrated by the extensive OPNET simulations, the proposed protocol delivers a significant performance improvement over conventional 802.16 terminals that lack the antenna selection capability. Moreover, the new protocol leverages the existing signaling methods defined in 802.16, thereby incurring a negligible signaling overhead and requiring only diminutive modifications of the standard. To the best of our knowledge, this paper represents the first effort to support antenna selection capability in IEEE 802.16 mobile stations.

Caracterização bidimensional de um canal rádio Wimax

Com o crescimento previsível e exponencial das redes de comunicações móveis motivado pela mobilidade, flexibilidade e também comodidade do utilizador levam a que este se torne na fatia mais importante do mundo das telecomunicações dos dias que correm. Assim é importante estudar e caracterizar canais rádio para as mais diversas gamas de frequências utilizadas nas mais variadas tecnologias. O objectivo principal desta dissertação de Mestrado é caracterizar um canal rádio para a tecnologia sem fios Worldwide Inter-operability for Microwave Access (Wimax para as frequências de 3,5 GHz e 5 GHz) actualmente vista pela comunidade científica como a tecnologia sem fios com maiores perspectivas de sucesso. Para tal, determinaram-se o Perfil de Atraso de Potência (PAP) e também a Potência em Função da Distância (PFD) recorrendo ao método computacional de simulação Finite-Difference Time-Domain (FDTD). De forma a estudar e caracterizar o canal rádio, em termos de desvanecimento relativo ao espalhamento de atraso, usaram-se dois métodos alternativos que têm como entrada o PAP. Para caracterizar o canal quanto ao desvanecimento baseado em espalhamento de Doppler, recorreu-se também a duas técnicas alternativas tendo como entrada o PFD. Em ambas as situações os dois métodos alternativos convergiram para os mesmos resultados. A caracterização é feita em dois cenários diferentes: um em que consideramos que a maioria dos obstáculos são condutores eléctricos perfeitos (CEP) e que passaremos a designar Cenário PEC, e um segundo cenário em que os obstáculos têm propriedades electromagnéticas diferentes, e que passará a ser designado por Cenário MIX. Em ambos os cenários de análise concluiu-se que o canal é plano, lento e sem ISI.

Arcabouço para aprovisionamento de QoS e QoE em redes sem fio heterogêneas WiMAX/Wi-Fi com garantia de equidade entre vazões

Recentemente a sociedade está vivendo em meio a um aglomerado de dispositivos móveis com múltiplas interfaces sem fio que permitem que clientes móveis domésticos e corporativos solucionem problemas rotineiros no menor espaço de tempo e em diversas localizações. Por outro lado, a disponibilidade de diversas tecnologias de acesso sem fio como: Wi-Fi (Wireless Fidelity), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) e LTE (Long Term Evolution), proporcionam um cenário heterogêneo com diversas oportunidades de conectividade para o usuário de dispositivos com múltiplas interfaces. Alguns dos desafios atuais no contexto da concepção da então denominada NGN (Next Generation Networks) são o desenvolvimento de arcabouços e mecanismos que viabilizem tanto o suporte adequado à Qualidade de Serviço (QoS – Quality of Service) e à Qualidade de Experiência (QoE – Quality of Experience) para aplicações multimídia, quanto a garantia de equidade entre vazões de diferentes aplicações em ambiente heterogêneo. Esta dissertação propõe um arcabouço para o aprovisionamento de QoS e QoE em redes sem fio heterogêneas formada por redes WiMAX e Wi-Fi. Especificamente, nossa solução provê mapeamento estático de QoS entre as classes de serviços WiMAX e categorias de acesso Wi-Fi. Além disso, nossa proposta também combina funcionalidades de equidade entre vazões com a solução de mapeamento, a fim de alcançar um bom compromisso tanto para o operador da rede, quanto para o usuário, através de uma nova metodologia de coleta e calculo de vazão agregada e algoritmo de decisão de handover vertical. A avaliação quantitativa da proposta foi realizada através de modelos de simulação no ns-2 (Network Simulator). Os resultados de desempenho demonstram a eficiência da arquitetura em termos de métricas de QoS (vazão, vazão média e atraso) e QoE (PSRN - Peak Signal to Noise Ratio, SSIM - Structural Similarity Index e VQM - Video Quality Metric).

Predição de qualidade de experiência em redes wimax em aplicações de video baseada em aspectos de qualidade de serviço

A crescente utilização dos serviços de telecomunicações principalmente sem fio tem exigido a adoção de novos padrões de redes que ofereçam altas taxas de transmissão e que alcance um número maior de usuários. Neste sentido o padrão IEEE 802.16, no qual é baseado o WiMAX, surge como uma tecnologia em potencial para o fornecimento de banda larga na próxima geração de redes sem fio, principalmente porque oferece Qualidade de Serviço (QoS) nativamente para fluxos de voz, dados e vídeo. A respeito das aplicações baseadas vídeo, tem ocorrido um grande crescimento nos últimos anos. Em 2011 a previsão é que esse tipo de conteúdo ultrapasse 50% de todo tráfego proveniente de dispositivos móveis. Aplicações do tipo vídeo têm um forte apelo ao usuário final que é quem de fato deve ser o avaliador do nível de qualidade recebida. Diante disso, são necessárias novas formas de avaliação de desempenho que levem em consideração a percepção do usuário, complementando assim as técnicas tradicionais que se baseiam apenas em aspectos de rede (QoS). Nesse sentido, surgiu a avaliação de desempenho baseada Qualidade de Experiência (QoE) onde a avaliação do usuário final em detrimento a aplicação é o principal parâmetro mensurado. Os resultados das investigações em QoE podem ser usados como uma extensão em detrimento aos tradicionais métodos de QoS, e ao mesmo tempo fornecer informações a respeito da entrega de serviços multimídias do ponto de vista do usuário. Exemplos de mecanismos de controle que poderão ser incluídos em redes com suporte a QoE são novas abordagens de roteamento, processo de seleção de estação base e tráfego condicionado. Ambas as metodologias de avaliação são complementares, e se usadas de forma combinada podem gerar uma avaliação mais robusta. Porém, a grande quantidade de informações dificulta essa combinação. Nesse contexto, esta dissertação tem como objetivo principal criar uma metodologia de predição de qualidade de vídeo em redes WiMAX com uso combinado de simulações e técnicas de Inteligência Computacional (IC). A partir de parâmetros de QoS e QoE obtidos através das simulações será realizado a predição do comportamento futuro do vídeo com uso de Redes Neurais Artificiais (RNA). Se por um lado o uso de simulações permite uma gama de opções como extrapolação de cenários de modo a imitar as mesmas situações do mundo real, as técnicas de IC permitem agilizar a análise dos resultados de modo que sejam feitos previsões de um comportamento futuro, correlações e outros. No caso deste trabalho, optou-se pelo uso de RNAs uma vez que é a técnica mais utilizada para previsão do comportamento, como está sendo proposto nesta dissertação.

WiMAX interoperabilidade mundial para acesso de microondas

This paper presents a technique dubbed WiMAX radio link, the IEEE 802.16 was completed in October 2001 and published on April 8, 2002 and is constantly updated, this technology specifies an interface for wireless metropolitan networks (WMAN) and is under control of the WiMAX Forum, which is a group of companies responsible for the dissipation of this technology in the world, the great benefit of this standard is to offer broadband Internet connection in areas where there is no infrastructure such as fiber optics that has a cost higher. The main purpose of this paper is to present the theoretical and technical characteristics of this technology for both the standard for fixed and mobile standard, regulation of frequency bands by the FCC and description of the physical layer, through to basic concepts are used in many other types of radio link and technologies have been adapted and updated for this little-known standard, allowing a greater range and speed, which are specified and differentiate these advancements is one of the contributions of the work done here. After the theoretical conceptualization stage, a real case study has been inserted in this work to demonstrate the effectiveness of this technology deployed. The idea of presenting this case study is linked to a better view of the use of standard in the market, nationwide

Multi-antenna non-line-of-sight identification techniques for target localization in mobile ad-hoc networks

Target localization has a wide range of military and civilian applications in wireless mobile networks. Examples include battle-field surveillance, emergency 911 (E911), traffc alert, habitat monitoring, resource allocation, routing, and disaster mitigation. Basic localization techniques include time-of-arrival (TOA), direction-of-arrival (DOA) and received-signal strength (RSS) estimation. Techniques that are proposed based on TOA and DOA are very sensitive to the availability of Line-of-sight (LOS) which is the direct path between the transmitter and the receiver. If LOS is not available, TOA and DOA estimation errors create a large localization error. In order to reduce NLOS localization error, NLOS identifcation, mitigation, and localization techniques have been proposed. This research investigates NLOS identifcation for multiple antennas radio systems. The techniques proposed in the literature mainly use one antenna element to enable NLOS identifcation. When a single antenna is utilized, limited features of the wireless channel can be exploited to identify NLOS situations. However, in DOA-based wireless localization systems, multiple antenna elements are available. In addition, multiple antenna technology has been adopted in many widely used wireless systems such as wireless LAN 802.11n and WiMAX 802.16e which are good candidates for localization based services. In this work, the potential of spatial channel information for high performance NLOS identifcation is investigated. Considering narrowband multiple antenna wireless systems, two xvNLOS identifcation techniques are proposed. Here, the implementation of spatial correlation of channel coeffcients across antenna elements as a metric for NLOS identifcation is proposed. In order to obtain the spatial correlation, a new multi-input multi-output (MIMO) channel model based on rough surface theory is proposed. This model can be used to compute the spatial correlation between the antenna pair separated by any distance. In addition, a new NLOS identifcation technique that exploits the statistics of phase difference across two antenna elements is proposed. This technique assumes the phases received across two antenna elements are uncorrelated. This assumption is validated based on the well-known circular and elliptic scattering models. Next, it is proved that the channel Rician K-factor is a function of the phase difference variance. Exploiting Rician K-factor, techniques to identify NLOS scenarios are proposed. Considering wideband multiple antenna wireless systems which use MIMO-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signaling, space-time-frequency channel correlation is exploited to attain NLOS identifcation in time-varying, frequency-selective and spaceselective radio channels. Novel NLOS identi?cation measures based on space, time and frequency channel correlation are proposed and their performances are evaluated. These measures represent a better NLOS identifcation performance compared to those that only use space, time or frequency.

Consumer appraisals of mobile marketing communications

This paper reports on a study that investigates the emotions elicited from appraising SMS-based mobile marketing (m-marketing) communications under three marketing conditions: product consistency, incentives and permission giving. Results from the experimental design show that appraising m-marketing communications elicits both single emotions and mixed emotions; that is, a mixture of positive and negative emotions in the same response. Additionally, the results show that the influence of specific marketing conditions may increase or reduce the intensity of the emotions elicited. This study contributes to marketing practice by examining consumer appraisals of m-marketing communications under different combinations of marketing conditions. The results provide insights into which emotions are likely to be elicited as a result, and how a specific marketing condition might influence their levels of intensity. The study contributes to marketing theory also through combining appraisal theory with Richins (1997) consumption emotion set.