Teletraffic call-level multirate loss models empahasizing on 4G/5G mobile networks

Abstract

This thesis studies two mobile network links and proposes call-level multi-service loss models that can be applied on them to calculate Call Blocking Probabilities and resource utilization. Analysis and simulation is about the X2 link of Long Term Evolution (LTE) networks and the downlink of an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based cell. Starting from existing literature, this thesis proposes the analysis of the aforementioned links assuming new call arrival processes and several resource reservation policies. The used call arrival processes are: (i) Random calls – Random traffic (traffic originated via an infinite number of traffic sources), (ii) Quasi-random calls – Quasi-random traffic and (iii) Compound Poisson arrivals (traffic originated via a infinite number of traffic sources). The studied resource reservation policies are the: (i) Complete Sharing (CS), (ii) Bandwidth Reservation (BR), (iii) Multiple Fractional Channel Reservation (MFCR), (iv) Threshold (TH) and v) Threshold Call Admission (TCA). In the first two chapters, the X2 link of the LTE networks is examined (chapter 1) and three new loss models are proposed (chapter 2). In chapters 3 and 4 the downlink of an OFDM-based cell is examined (chapter 3) and three loss models under Poisson arrivals are proposed (chapter 4). Chapter 5 proposes three loss models for the OFDM cell regarding quasi-random call arrivals, while in chapter 6, two loss models under compound Poisson arrivals are proposed. Finally, in chapters 7 and 8 the threshold (TH) policy is analyzed and a loss model under quasi-random arrivals assuming the Threshold Call Admission (TCA) policy is proposed. The accuracy of the proposed formulas for the determination of Call Blocking Probabilities and resource utilization has been verified via simulation and was found to be absolutely satisfactory.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά δύο διασυνδέσεις δικτύων κινητής τηλεφωνίας και προτείνει μοντέλα απωλειών πολυδιάστατης κίνησης σε επίπεδο κλήσεων που μπορούν να εφαρμοστούν στις διασυνδέσεις αυτές για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων απωλειών κλήσης και τη χρήση των διαθέσιμων πόρων. Η ανάλυση και προσομοίωση γίνεται στη διασύνδεση X2 των LTE δικτύων και στην κατερχόμενη ζεύξη ενός OFDM cell. Βασιζόμενη στην υπάρχουσα βιβλιογραφία, η διατριβή προτείνει την ανάλυση των συστημάτων αυτών με νέες διαδικασίες άφιξης των κλήσεων και διάφορες πολιτικές δέσμευσης των διαθέσιμων πόρων. Οι διαδικασίες άφιξης που χρησιμοποιούνται ειναι οι: i) Random calls - Random traffic (κίνηση που πηγάζει από άπειρες πηγές), ii) Quasi-random calls Quasi-random traffic (κίνηση που πηγάζει από πεπερασμένες πηγές), iii) Ομαδικές κλήσεις όπου η άφιξη των ομάδων ακολουθεί μια διαδικασία Poisson. Οι πολιτικές δέσμευσης των διαθέσιμων πόρων που μελετούνται είναι: i) η πολιτική πλήρους διάθεσης, ii) η πολιτική δέσμευσης εύρους ζώνης, iii) η πολιτική MFCR, iv) η πολιτική κατωφλίου και v) η πολιτική κατωφλίου αποδοχής κλήσεων, μια παραλαγή της πολιτικής κατωφλίου. Στα πρώτα δύο κεφάλαια μελετάται η διασύνδεση Χ2 των δικτύων LTE και προτείνονται τρία νέα μοντέλα απωλειών. Στα κεφάλαια 3 και 4 γίνεται ανάλυση της κατερχόμενης ζεύξης ενός OFDM cell και προτείνονται μοντέλα απωλειών για αφίξεις Poisson. Στο κεφάλαιο 5 προτείνονται τρία μοντέλα απωλειών για το OFDM cell θεωρώντας ψευδοτυχαίες αφίξεις κλήσεων, ενώ στο κεφάλαιο 6 προτείνονται δύο μοντέλα απωλειών θεωρώντας ομαδικές αφίξεις Poisson. Τέλος, στα κεφάλαια 7 και 8 αναλύεται η πολιτική κατωφλίου και προτείνεται ένα μοντέλο απωλειών με ψευδοτυχαίες αφίξεις υπό την πολιτική TCA. Η ακρίβεια των προτεινόμενων σχέσεων για τον υπολογισμό της πιθανότητας απώλειας κλήσεων και της εκμετάλευσης των πόρων έχει πιστοποιηθεί μέσω προσομοίωσης και έχει κριθεί ως απολύτως ικανοποιητική.