Title: Link error analysis and modeling for cross-layer design in UMTS mobile communication networks
Language: English
Authors: Karner, Wolfgang 
Qualification level: Doctoral
Keywords: UMTS; Analyse der Übertragungsfehler; Modellierung der Übertragungsfehler; Fehlerhäufung; Fehlervorhersage; schichtenübergreifende Verfahren; H.264; Videoübertragung
UMTS; link error analysis; error modeling; error bursts; error prediction; cross-layer; scheduling; H.264; video streaming
Advisor: Rupp, Markus 
Assisting Advisor: Verdone, Roberto 
Issue Date: 2007
Number of Pages: 137
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Aufgrund der relativ hohen Fehlerwahrscheinlichkeit und der spezifischen Eigenschaften der Übertragungsfehler (z.B. Fehlerhäufung) wird die Qualität der übertragenen Dienste speziell in der mobilen Funkkommunikation stark beeinträchtigt.
In dieser Arbeit wird aufgezeigt, dass eine genaue Analyse und ein entsprechendes Modellieren des Übertragungsfehlerverhaltens essentiell wichtig ist, nicht nur um die Protokolle der höheren Schichten zu evaluieren und zu optimieren. Die Kenntnis der Fehlereigenschaften ist auch eine notwendige Grundlage für die Entwicklung von neuen schichtenübergreifenden Methoden, die auf die momentanen Zustände im Übertragungskanal Rücksicht nehmen. Dadurch sind diese neuen Prozesse in der Lage, die speziellen Eigenschaften der Fehlerstatistik (wie z.B. die Vorhersagbarkeit der Übertragungsfehler) explizit auszunützen.
Diese Doktorarbeit präsentiert die gründliche Analyse der Übertragungsfehler in der Funkschnittstelle basierend auf Messungen in operativen UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Netzen. Es wird gezeigt, dass aufgrund der resultierenden Fehlereigenschaften in der Funkschnittstelle grundsätzlich nur zwei verschiedene Szenarien unterschieden werden müssen: statisches Szenario und Szenario mit Bewegung (unabhängig von der Art der Bewegung). Die Analyse zeigt außerdem, dass - neben den Effekten des zeitvariablen Schwundes im Übertragungskanal - auch die qualitätsbezogene Regelung der Sendeleistung Korrelationseffekte zwischen den Übertragungsfehlern verursacht, die in Fehlerhäufung und der Vorhersagbarkeit der Übertragungsfehler resultieren.
Es wird gezeigt, dass bekannte klassische Fehlermodelle nicht in der Lage sind, die gemessenen Fehlereigenschaften des UMTS DCH (Dedicated Channel) richtig zu beschreiben. Speziell die Vorhersagbarkeit der Übertragungsfehler kann durch die erzeugten geometrischen Verteilungen der Modelle nicht reproduziert werden. Darum werden in dieser Arbeit neue Modellierungsansätze vorgestellt, die auf Semi-Markov Modellen und (Markov-modulierten) Weibull-Erneuerungsprozessen aufbauen. Von diesen Modellen können auch einfache Schätzer für die bedingte Fehlerwahrscheinlichkeit abgeleitet werden.
Anhand von Messergebnissen wird die dynamische Ressourcenzuteilung in UMTS analysiert und daraus resultierende Modelle für das dynamische Umschalten zwischen verschiedenen Trägertypen werden vorgestellt. Diese Modelle bilden gemeinsam mit den Übertragungsfehlermodellen eine geeignete Beschreibung des dynamischen Verhaltens der UMTS Funkschnittstelle.
In dieser Arbeit werden neue schichtenübergreifende Algorithmen präsentiert, die die in den Analysen vorgefundene Vorhersagbarkeit der Übertragungsfehler ausnutzen und gleichzeitig die speziellen Eigenschaften der übertragenen Dienste berücksichtigen. Es wird gezeigt, dass durch die Anwendung dieser neuen schichtenübergreifenden Methoden im UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) große Verbesserungen in der Qualität von übertragenen H.264/AVC Videodaten erreicht werden können.

Particularly in wireless mobile communications, link errors severely affect the quality of the services due to the high error probability and the specific error characteristics (burst errors) in the radio access part of the network.
In this thesis it is shown that a thorough analysis and the appropriate modeling of the radio-link error behaviour is essential not only to evaluate and optimize the higher layer protocols and services. It is also the basis for finding network-aware cross-layer processing algorithms which are capable of exploiting the specific properties of the link error statistics (e.g. the predictability).
This thesis presents the analysis of the radio link errors based on measurements in live UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) radio access networks. It is shown that due to the link error characteristics basically two scenarios have to be distinguished: static and dynamic (regardless of which kind of mobility). Furthermore, the analysis shows that apart from fading effects, also the quality-based power control mechanism induces correlation to the link error characteristics, resulting in error bursts, error clusters and the predictability of the link errors. It is presented that 'well-known' classical error models are not capable of describing the measured specific error characteristics of the UMTS DCH (Dedicated Channel) properly. Especially the error predictability cannot be represented at all due to the geometric distributed output of the models. Thus, a new modeling approach based on semi-Markov models as well as (Markov modulated) Weibull renewal processes is presented.
Simple estimators for future link error probabilities are derived from these models.
Based on measurements, the dynamic resource allocation of the UMTS is analysed and models for the dynamic bearer type switching are proposed which together with the link error models can provide a proper representation of the dynamic radio link behaviour.
In this thesis, novel cross-layer algorithms are presented which make use of the discovered predictability of the link errors and consider the service characteristics. It is shown that high gain in the quality of H.264/AVC video streaming is reached by introducing such network aware cross-layer algorithms in the UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network).
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-18539
http://hdl.handle.net/20.500.12708/10833
Library ID: AC05036177
Organisation: E389 - Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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