Novel Aspects of Distributed Antenna Systems in 5G and Beyond
Mobile communications technology has been revolutionizing people's life and work. To meet the ever-increasing demands for varied wireless services, the International Telecommunication Union (ITU) has recently defined challenging requirements for Fifth Generation (5G) and Beyond mobile networks. This thesis work is motivated by the flagship 5G enhanced Mobile Broad Band (eMBB) hotspot scenario, which represents crowded or dense mobile devices scenarios such as stadiums, shopping malls and marketplaces. Hotspot scenario sets very high requirement on one of the key capabilities of 5G, Area traffic capacity (10 Mbit/s/m2), which is the total throughput served per coverage area. In the recent years, centralized processing architecture with distributed Remote Radio Heads (RRHs) called Centralized Radio Access Network (C-RAN) or Cloud-RAN has emerged as a very viable and fitting solution for hotspots. At lower layers, Distributed Antenna System (DAS) technology is well known to offer significant benefits over the conventional cellular systems such as improved coverage, improved throughput and connection density. Driven by the huge potential of C-RAN architecture and DAS technology, this thesis focuses at first on designing a novel lower layer framework for DAS, corresponding to the key design principles of 5G and Beyond systems, namely reliability and flexibility. In this thesis, reliability is defined as the probability of achieving a minimum required Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio (SINR) at the User Equipment (UE) location. In this regard, a novel RRH distribution model is presented, besides deriving lower layers reliability in Non-Line-Of-Sight (NLOS) and Line-Of-Sight (LOS) channel conditions.
In order to address the challenging requirements set forth in hotspot scenario, a pertinent DAS transmission scheme called paired selection transmission is investigated. Based on the novel reliability framework, three key challenges utilizing this transmission scheme are identified, formulated and analyzed. These key challenges are: formation of (UE, RRH) pairs, rapid frequency reuse and Downlink (DL) transmit power allocation among RRHs within a frequency reuse group. In order to achieve effective frequency reuse, based on the users' reliability and throughput requirements, a novel minimum reuse distance is derived. DL transmit power allocation among the reuse RRHs is addressed by using optimum solutions from cooperative game theory in conjunction with reliability based novel utility function. In this regard, the existence, uniqueness and fairness of the formulated cooperative game are proved analytically by validating all the Nash conditions and proved the existence of an optimal and unique Nash Bargaining Solution (NBS). Furthermore, iterative Nash bargaining algorithms are developed and implemented using MATLAB simulation models which are shown to converge to a Pareto-optimal equilibrium. The simulation results show how the reduction in RRH coverage area decreases the reuse distance which helps to achieve multifold improvement in throughput and area traffic capacity.
The latter part of the thesis aims at investigating the challenges faced by C-RAN / DAS in a realistic ultra-dense Heterogeneous Mobile Networks (HMN). HMN pose challenges to C-RAN / DAS primarily because of the coexistence of C-RAN / DAS with high radiating power base stations. Consequently, a novel flexible and programmable Software Defined Networking (SDN) based RAN architecture is presented, which is shown to have the ability to efficiently perform the control and coordination in HMN. The novel Network Graphs (NG) based abstraction and control framework methodologies for efficient pairing and scheduling of resources in C-RAN / DAS systems in HMN are outlined. Lastly, the system design and implementation aspects of Long Term Evolution (LTE) based real-time C-RAN / DAS testbed, which is implemented on a Software Defined Radio (SDR) platform, are presented. The validation of some of the aspects of reliability based solutions presented in this thesis is achieved by observing Error Vector Magnitude (EVM) measurements on a commercial LTE test equipment.
In this thesis, based on novel reliability framework and the proposed solutions for 5G and Beyond eMBB hotspot scenarios and practical ultra-dense HMN, it will be shown that C-RAN / DAS technology has the potential to meet the challenging capabilities of multifold increase in system throughput and area traffic capacity via dense deployment of RRHs and rapid frequency reuse while maintaining reliability and fairness among UEs.
Die mobile Kommunikation hat das Leben und die Arbeit der Menschen stark verändert. Um die stetig steigende Nachfrage nach drahtlosen Diensten zu befriedigen, hat die Internationale Fernmeldeunion (engl. International Telecommunication Union, ITU) kürzlich herausfordernde Vorgaben für 5G und die zukünftigen Mobilfunknetze aufgestellt. Die vorliegende Dissertation ist durch das 5G enhanced Mobile Broad Band (deutsch erweiterte mobile Breitband, eMBB) Hotspot Szenario motiviert worden, in dem viele mobile Geräte auf engem Raum unterstützt werden sollen, wie z.B. in Stadien, Einkaufszentren oder auf Marktplätzen. Diese Szenarien stellen die hohe Anforderung von 10 Mbit/s/m2 an den Datendurchsatz pro Quadratmeter (engl. Area traffic capacity), hierbei handelt es sich um eine Schlüsselfähigkeit von 5G. In den letzten Jahren sind zentralverarbeitende Architekturen mit entfernt installierten Sende- und Empfangseinheiten (engl. Remote Radio Heads, RRHs), genannt zentralisiertes Funkzugangsnetz (engl. Centralized Radio Access Network, C-RAN or Cloud-RAN), als praktikable Lösung für Hotspot Szenarien erschienen. Für die unteren Protokollschichten ist bekannt, dass die Technik der verteilten Antennensysteme (engl. Distributed Antenna Systems, DAS) entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Zellennetzen aufweist, wie z.B. verbesserte Abdeckung, höhere Datenraten und eine höhere Verbindungsdichte. Getrieben durch das enorme Potenzial von C-RAN Architektur und DAS Technologie, konzentriert sich diese Dissertation zunächst auf die Entwicklung eines DAS-Lösungsansatzes für die unteren Protokollschichten, entsprechend den Schlüsselprinzipien für den Entwurf von 5G und zukünftigen Systemen, nämlich Zuverlässigkeit und Flexibilität. In dieser Arbeit ist Zuverlässigkeit durch die Wahrscheinlichkeit, einen minimalen Signal-Störer-Rauschabstand (engl. Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio, SINR) am Ort des Endnutzers (engl. User Equipment, UE) erreichen zu können, definiert. Dafür wird neben der Herleitung der Zuverlässigkeit bei Funkkanälen mit und ohne Sichtverbindung (engl. Line-Of-Sight, LOS, Non-Line-Of-Sight, NLOS) für die unteren Protokollschichten ein neuartiges RRH Verteilungs-Model präsentiert.
Um die anspruchsvollen Vorgaben für Hotspot Szenarien zu erfüllen, wird ein geeignetes DAS Übertragungsschema, genannt Paired Selection Transmission, untersucht. Basierend auf dem neu entwickelten Gerüst für die Zuverlässigkeit werden drei wesentliche Herausforderungen identifiziert, beschrieben und analysiert. Diese sind: die Identifizierung geeigneter UE-RRH-Paare, räumlich dichte Wiederverwendung gleicher Frequenzen und die Zuweisung der Sendeleistung auf der Abwärtsstrecke (engl. Downlink, DL) innerhalb der RRHs einer Gruppe der wiederverwendeten Frequenz. Es wird ein neuer Ansatz für die minimale Wiederverwendungsdistanz entwickelt, um basierend auf den Anforderungen an die Zuverlässigkeit und den Durchsatz beim Nutzer eine wirkungsvolle Frequenzwiederverwendung zu erreichen. Die Zuweisung der DL Sendeleistung innerhalb der RRHs wird mit Hilfe von optimalen Lösungsansätzen aus der Kooperativen Spieltheorie unter Berücksichtigung einer neuen, auf Zuverlässigkeit basierenden Nutzenfunktion (engl. utility function) ermittelt. In diesem Fall werden die Existenz, die Eindeutigkeit und die Fairness des formulierten kooperativen Spiels analytisch durch die Erfüllung aller von Nash aufgestellten Bedingungen überprüft und die Existenz einer optimalen und eindeutigen Nash’schen Verhandlungslösung (engl. Nash Bargaining Solution, NBS) bewiesen. Dazu werden iterative Algorithmen der Nash-Verhandlung entwickelt und in MATLAB simuliert, und es wird gezeigt, dass diese zu einem pareto-optimalen Gleichgewicht konvergieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Reduzierung der Abdeckungsfläche durch die RRH auch die Wiederverwendungsdistanz verkleinert, was Verbesserungen im Gesamtdatendurchsatz und im Datendurchsatz pro Quadratmeter bringt.
Der nächste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit den Herausforderungen, die sich in einem realen, ultra-dichten heterogenen Mobilfunknetz (engl. Heterogeneous Mobile Network, HMN) für C-RAN / DAS ergeben. Dabei liegt die wesentliche Herausforderung in der Koexistenz von C-RAN / DAS und Basisstationen mit hoher Sendeleistung. In der Folge wird eine neuartige flexible und über ein softwarebasiertes Netzwerk (engl. Software Defined Network, SDN) programmierbare RAN Architektur vorgestellt, die die Fähigkeit einer effizienten Kontrolle und Koordinierung im HMN aufweist. Es wird ein neuartiger, auf Netzwerkgraphen (engl. Network Graphs, NG) aufbauender Abstraktions- und Kontrollansatz für die effiziente Paarung und Verteilung (engl. Scheduling) der Ressourcen in C-RAN / DAS Systemen für HMN präsentiert. Zum Schluss werden Systementwurf und Implementierungsaspekte für eine LTE basierte, echtzeitfähige C-RAN / DAS Testumgebung an Hand einer Implementierung auf einer Software definierten Funkplattform (engl. Software Defined Radio, SDR) gezeigt. Die Gültigkeit einiger der auf Zuverlässigkeit basierenden Lösungen, die in dieser Dissertation diskutiert werden, wird exemplarisch mit Hilfe von EVM (engl. Error Vector Magnitude) Messungen mit einem kommerziellen LTE Testgerät nachgewiesen.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die C-RAN / DAS Technologie das Potenzial hat, die Herausforderungen in Bezug auf Gesamtdatendurchsatz und Datendurchsatz pro Quadratmeter durch dichten Einsatz von RRHs und Frequenz-Wiederverwendung, unter Wahrung von Zuverlässigkeit und Fairness zwischen den Nutzern, zu lösen.