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2011-07-11, 09:15 PM
Understanding LTE and its Performance
by Tara Ali-Yahiya
http://media.dav-medien.de/25307546Z.jpg
· Hardcover: 280 pages
· Publisher: Springer; 1st Edition. edition (July 29, 2011)
· Language: English
· ISBN-10: 1441964568
· Price: $81.27
The aim of this book is to provide comprehensive coverage of current state of the art theoretical and technological aspects of broadband mobile and wireless networks focusing on Long Term Evolution Network. The presentation starts from basic principles, and proceeds to the most advanced topics. Provided schemes are developed and oriented in the context of actual closed standards of the IEEE working groups and the 3 GPPP LTE. Also this book will focus on the understanding of the LTE technology as well as the study of its performance in terms of mobility, quality of service, security, resource allocation.
TOC:
Part I Understanding LTE
1 Introduction to Mobile Broadband Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Mobile Generation Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 First-Generation Mobile 1G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Second-Generation Mobile 2G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Third-Generation Mobile 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4 The Path Toward 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 LTE and Other Broadband Wireless Technologies . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Mobile WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 WiFi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Overview of LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Relevant Features of LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Relevant Features of LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Network Architecture and Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Architecture Model and Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Architecture Reference Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Functional Description of LTE Network . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Reference Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Control and User Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 User Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Control Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 X2 Interface in User and Control Planes . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4 S1 Interface in User and Control Planes . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Multimedia Broadcast and Multicast Service (MBSM) . . . . . . . . 29
2.4.1 MBMS Service Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 MBMS Service Deployment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5 Stream Control Transmission Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6 Network Discovery and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 Radio Resource Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7.1 Radio Bearer Control (RBC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.2 Connection Mobility Control (CMC) . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.3 Dynamic Resource Allocation (DRA) – Packet Scheduling (PS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.4 Inter-cell Interference Coordination (ICIC) . . . . . . . . . . . 35
2.7.5 Load Balancing (LB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.6 Inter-RAT Radio Resource Management . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.7 Subscriber Profile ID for RAT/Frequency Priority . . . . . 35
2.8 Authentication and Authorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.8.1 User Authentication, Key Agreement, and Key Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8.2 Signaling and User-Plane Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.9 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 LTE Radio Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1 Layer 2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 MAC Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Transport Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 Mapping of Transport Channels to Logical Channels . . 45
3.2.4 MAC Transport Block Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.5 HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.6 Buffer Status Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.7 Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.8 Scheduling Request . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 PDCP Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Header Compression and Decompression . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2 Ciphering and Deciphering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Integrity Protection and Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 RLC Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 LTE Phyiscal Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1 LTE Fundamental Concepts of PHY Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 Single-Carrier Modulation and Channel Equalization . . 55
4.1.2 Frequency Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.3 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.4 Link Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.5 Generic Radio Frame Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.6 Downlink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.7 Uplink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.8 Downlink Control Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.9 Uplink Control Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 MIMO and LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 MIMO and MRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Part II LTE Key Features
5 Quality of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1 QoS Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 QoS Control at Bearer Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.1 QoS Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.2 Network Initiation QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 QoS Control at Service Data Flow Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Policy and Charging Control Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Multimedia Session Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.1 Session Initiation Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.2 Registration and IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4.3 QoS Provisioning and IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 Interworking Design for LTE Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1 General Design Principles of the Interworking Architecture . . . . 92
6.2 Interworking Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3 LTE Interworking with IEEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.1 Mobile WiMAX and LTE Interworking Architecture . . 93
6.3.2 WLAN and LTE Interworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.3 Network Discovery and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.4 LTE Interworking with 3GPP2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4.1 E-UTRAN and HRPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.5 IEEE 802.21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.6 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1 Mobility Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1.1 Location Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.1.2 Handover Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.2 Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.2.1 Registering the Care-of Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.2 Automatic Home Agent discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2.3 Tunneling to the Care-of Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2.4 Proxy and Gratuitous Address Resolution Protocol (ARP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.3 Differences Between IPv4 and IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3.1 Reverse Tunnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3.2 Use of Route Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4 Proxy Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4.1 Idle Mode Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4.2 Active Mode Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.4.3 Handover Using the S1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4.4 Inter-MME Handover Using the S1 Interface (Without Changing S-GW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.5 Inter-RAT Handover: E-UTRAN to UTRAN Iu Mode . . . . . . . . . 122
7.6 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8 LTE and Femtocell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.1 Behind Femtocell Emergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.2 Femtocell Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.3 Femtocell Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.3.1 User Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.3.2 Operator Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.4 LTE Femtocell Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.4.1 LTE Femtocell Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.5 LTE Femtocell Deployment Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.5.1 Scenario 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.5.2 Scenario 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.5.3 Scenario 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.6 Femtocell Access Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.6.1 CSG Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.6.2 Physical Cell Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.7 LTE Femtocell Challenges and Technical Issues . . . . . . . . . . . . . . 136
8.7.1 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.7.2 Spectrum Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.7.3 Access Mode Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.7.4 Security and Privacy Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.7.5 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.7.6 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.8 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Part III LTE Performance
9 Downlink Radio Resource Allocation Strategies in LTE Networks . 147
9.1 An Overview of Resource Allocation Techniques in OFDMA Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.3 OFDMA Key Principles – Analysis and Performance Characterizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.3.1 OFDMA Slot Structure in LTE Generic Frame . . . . . . . . 150
9.3.2 Adaptive Modulation and Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.3.3 Multiuser Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.3.4 Capacity Analysis – Time and Frequency Domain . . . . . 152
9.4 Proposed Radio Resource Allocation Strategies . . . . . . . . . . . . . . 154
9.4.1 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.4.2 Adaptive Slot Allocation (ASA) Algorithm . . . . . . . . . . 156
9.4.3 Reservation-Based Slot Allocation (RSA) Algorithm . . 157
9.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.5.1 Simulation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.5.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
9.6 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
10 Performance Study of Opportunistic Scheduling in LTE Networks . 167
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
10.2 Downlink System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
10.3 Opportunistic Packet Scheduling Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.3.1 Proportional Fairness (PF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.3.2 Maximum Largest Weighted Delay First (M-LWDF) . . 169
10.3.3 Exponential Proportional Fairness (EXP/PF) . . . . . . . . . 170
10.4 Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10.5 Traffic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.6 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.6.1 Packet Loss Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.6.2 Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.6.3 Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.6.4 Fairness Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.6.5 Cell Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
10.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
11 Cross-Layer Multiservice Scheduling for LTE Networks . . . . . . . . . 181
11.1 Channel-Based Scheduling Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
11.1.1 Modified Largest Weighted Delay First (M-LWDF) Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
11.1.2 Exponential (EXP) Algorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
11.1.3 Delay-Based Utility Optimization Algorithm . . . . . . . . . 183
11.1.4 Maximum Fairness (MF) Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.2 Channel-Aware Class-Based Queue (CACBQ) – The Proposed Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
11.2.1 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
11.2.2 Channel-Aware Class-Based Queue (CACBQ) Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
11.3 CACBQ Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.3.1 Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.3.2 Traffic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.3.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
11.3.4 Fairness and Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
11.4 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
12 Fractional Frequency Reuse in LTE Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
12.2 Proposed Design for LTE Network Architecture . . . . . . . . . . . . . . 200
12.2.1 Radio Resource Allocation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
12.2.2 Link Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
12.2.3 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
12.3 Hierarchical Resource Allocation Approach (HRAA) . . . . . . . . . 203
12.3.1 Resource Allocation at RRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
12.3.2 Resource Allocation at the eNodeB . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.4 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.4.1 Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.4.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
12.5 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
13 Performance Study of MobileWiMAX and LTE Interworking . . . . 211
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
13.2 Handover Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
13.3 Mobile WiMAX and LTE Interworking Architecture . . . . . . . . . . 213
13.4 Handover Decision-Based Neyman–Pearson Lemma . . . . . . . . . . 215
13.5 Handover Execution Based on FMIPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
13.6 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
13.6.1 Scenario 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
13.6.2 Scenario 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
13.6.3 Scenario 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.7 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.8 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
14 LTE Femtocell Integration withWireless Sensor/Actuator Networks
and RFID Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
14.1.1 Handover Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
14.2 Motivation and Proposal Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
14.3 Scheme A: RFID-Assisted Network Movement Detection . . . . . . 231
14.3.1 System Architecture Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
14.3.2 Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
14.4 Scheme B: Deploying RFID and WSAN for Improving Handover at Link and Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
14.4.1 System Architecture Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
14.4.2 Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
14.5 Theoretical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
14.5.1 Time Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
14.6 Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
14.6.1 Simulation Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
14.6.2 Accuracy Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
14.6.3 Time Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
14.7 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Appendix A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
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by Tara Ali-Yahiya
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· Hardcover: 280 pages
· Publisher: Springer; 1st Edition. edition (July 29, 2011)
· Language: English
· ISBN-10: 1441964568
· Price: $81.27
The aim of this book is to provide comprehensive coverage of current state of the art theoretical and technological aspects of broadband mobile and wireless networks focusing on Long Term Evolution Network. The presentation starts from basic principles, and proceeds to the most advanced topics. Provided schemes are developed and oriented in the context of actual closed standards of the IEEE working groups and the 3 GPPP LTE. Also this book will focus on the understanding of the LTE technology as well as the study of its performance in terms of mobility, quality of service, security, resource allocation.
TOC:
Part I Understanding LTE
1 Introduction to Mobile Broadband Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Mobile Generation Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 First-Generation Mobile 1G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.2 Second-Generation Mobile 2G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Third-Generation Mobile 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4 The Path Toward 4G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 LTE and Other Broadband Wireless Technologies . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Mobile WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 WiFi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Overview of LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Relevant Features of LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Relevant Features of LTE-Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Network Architecture and Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Architecture Model and Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Architecture Reference Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Functional Description of LTE Network . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Reference Points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Control and User Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 User Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Control Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 X2 Interface in User and Control Planes . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4 S1 Interface in User and Control Planes . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Multimedia Broadcast and Multicast Service (MBSM) . . . . . . . . 29
2.4.1 MBMS Service Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2 MBMS Service Deployment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5 Stream Control Transmission Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6 Network Discovery and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 Radio Resource Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7.1 Radio Bearer Control (RBC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.2 Connection Mobility Control (CMC) . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.3 Dynamic Resource Allocation (DRA) – Packet Scheduling (PS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.4 Inter-cell Interference Coordination (ICIC) . . . . . . . . . . . 35
2.7.5 Load Balancing (LB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.6 Inter-RAT Radio Resource Management . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.7 Subscriber Profile ID for RAT/Frequency Priority . . . . . 35
2.8 Authentication and Authorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.8.1 User Authentication, Key Agreement, and Key Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8.2 Signaling and User-Plane Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.9 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 LTE Radio Layer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1 Layer 2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 MAC Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 Logical Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2 Transport Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 Mapping of Transport Channels to Logical Channels . . 45
3.2.4 MAC Transport Block Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.5 HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.6 Buffer Status Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.7 Random Access Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.8 Scheduling Request . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 PDCP Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1 Header Compression and Decompression . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2 Ciphering and Deciphering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.3 Integrity Protection and Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 RLC Sublayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 LTE Phyiscal Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1 LTE Fundamental Concepts of PHY Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 Single-Carrier Modulation and Channel Equalization . . 55
4.1.2 Frequency Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.3 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.4 Link Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.5 Generic Radio Frame Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.6 Downlink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.7 Uplink Reference Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1.8 Downlink Control Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.9 Uplink Control Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 MIMO and LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 MIMO and MRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Part II LTE Key Features
5 Quality of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1 QoS Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 QoS Control at Bearer Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2.1 QoS Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.2 Network Initiation QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 QoS Control at Service Data Flow Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Policy and Charging Control Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4 Multimedia Session Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.4.1 Session Initiation Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.4.2 Registration and IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4.3 QoS Provisioning and IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.5 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6 Interworking Design for LTE Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1 General Design Principles of the Interworking Architecture . . . . 92
6.2 Interworking Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3 LTE Interworking with IEEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.1 Mobile WiMAX and LTE Interworking Architecture . . 93
6.3.2 WLAN and LTE Interworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.3 Network Discovery and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.4 LTE Interworking with 3GPP2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4.1 E-UTRAN and HRPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.5 IEEE 802.21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.6 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1 Mobility Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.1.1 Location Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.1.2 Handover Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.2 Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.2.1 Registering the Care-of Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.2 Automatic Home Agent discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2.3 Tunneling to the Care-of Address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2.4 Proxy and Gratuitous Address Resolution Protocol (ARP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.3 Differences Between IPv4 and IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3.1 Reverse Tunnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3.2 Use of Route Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4 Proxy Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4.1 Idle Mode Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4.2 Active Mode Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.4.3 Handover Using the S1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4.4 Inter-MME Handover Using the S1 Interface (Without Changing S-GW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.5 Inter-RAT Handover: E-UTRAN to UTRAN Iu Mode . . . . . . . . . 122
7.6 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8 LTE and Femtocell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.1 Behind Femtocell Emergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.2 Femtocell Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.3 Femtocell Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.3.1 User Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.3.2 Operator Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.4 LTE Femtocell Design Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.4.1 LTE Femtocell Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.5 LTE Femtocell Deployment Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.5.1 Scenario 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.5.2 Scenario 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.5.3 Scenario 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.6 Femtocell Access Control Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.6.1 CSG Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.6.2 Physical Cell Identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.7 LTE Femtocell Challenges and Technical Issues . . . . . . . . . . . . . . 136
8.7.1 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.7.2 Spectrum Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.7.3 Access Mode Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.7.4 Security and Privacy Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.7.5 Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.7.6 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.8 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Part III LTE Performance
9 Downlink Radio Resource Allocation Strategies in LTE Networks . 147
9.1 An Overview of Resource Allocation Techniques in OFDMA Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9.3 OFDMA Key Principles – Analysis and Performance Characterizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.3.1 OFDMA Slot Structure in LTE Generic Frame . . . . . . . . 150
9.3.2 Adaptive Modulation and Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.3.3 Multiuser Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.3.4 Capacity Analysis – Time and Frequency Domain . . . . . 152
9.4 Proposed Radio Resource Allocation Strategies . . . . . . . . . . . . . . 154
9.4.1 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.4.2 Adaptive Slot Allocation (ASA) Algorithm . . . . . . . . . . 156
9.4.3 Reservation-Based Slot Allocation (RSA) Algorithm . . 157
9.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.5.1 Simulation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.5.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
9.6 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
10 Performance Study of Opportunistic Scheduling in LTE Networks . 167
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
10.2 Downlink System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
10.3 Opportunistic Packet Scheduling Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.3.1 Proportional Fairness (PF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
10.3.2 Maximum Largest Weighted Delay First (M-LWDF) . . 169
10.3.3 Exponential Proportional Fairness (EXP/PF) . . . . . . . . . 170
10.4 Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10.5 Traffic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
10.6 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.6.1 Packet Loss Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.6.2 Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
10.6.3 Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.6.4 Fairness Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.6.5 Cell Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
10.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
11 Cross-Layer Multiservice Scheduling for LTE Networks . . . . . . . . . 181
11.1 Channel-Based Scheduling Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
11.1.1 Modified Largest Weighted Delay First (M-LWDF) Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
11.1.2 Exponential (EXP) Algorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
11.1.3 Delay-Based Utility Optimization Algorithm . . . . . . . . . 183
11.1.4 Maximum Fairness (MF) Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.2 Channel-Aware Class-Based Queue (CACBQ) – The Proposed Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
11.2.1 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
11.2.2 Channel-Aware Class-Based Queue (CACBQ) Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
11.3 CACBQ Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.3.1 Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.3.2 Traffic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.3.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
11.3.4 Fairness and Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
11.4 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
12 Fractional Frequency Reuse in LTE Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
12.2 Proposed Design for LTE Network Architecture . . . . . . . . . . . . . . 200
12.2.1 Radio Resource Allocation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
12.2.2 Link Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
12.2.3 Problem Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
12.3 Hierarchical Resource Allocation Approach (HRAA) . . . . . . . . . 203
12.3.1 Resource Allocation at RRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
12.3.2 Resource Allocation at the eNodeB . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.4 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.4.1 Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.4.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
12.5 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
13 Performance Study of MobileWiMAX and LTE Interworking . . . . 211
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
13.2 Handover Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
13.3 Mobile WiMAX and LTE Interworking Architecture . . . . . . . . . . 213
13.4 Handover Decision-Based Neyman–Pearson Lemma . . . . . . . . . . 215
13.5 Handover Execution Based on FMIPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
13.6 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
13.6.1 Scenario 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
13.6.2 Scenario 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
13.6.3 Scenario 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.7 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.8 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
14 LTE Femtocell Integration withWireless Sensor/Actuator Networks
and RFID Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
14.1.1 Handover Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
14.2 Motivation and Proposal Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
14.3 Scheme A: RFID-Assisted Network Movement Detection . . . . . . 231
14.3.1 System Architecture Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
14.3.2 Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
14.4 Scheme B: Deploying RFID and WSAN for Improving Handover at Link and Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
14.4.1 System Architecture Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
14.4.2 Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
14.5 Theoretical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
14.5.1 Time Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
14.6 Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
14.6.1 Simulation Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
14.6.2 Accuracy Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
14.6.3 Time Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
14.7 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Appendix A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
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