Continuous Ultra-Dense Networks - A System Level Design for Urban Outdoor Deployments

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-06-30
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
92 + app. 74
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 86/2017
Abstract
Ultra-dense networks (UDNs) will play a critical role in the future of mobile communications. Especially within urban street canyons with an extensive amount of mobile users, the propagation environment prevents the efficient spatial densification by means of macro cell massive MIMO systems. Hence, increasing the amount of transmission and reception points (TRPs) is the key to success. In this thesis, a system level continuous UDN (C-UDN) concept is developed. In particular, a novel radio frame structure is designed to meet the low-latency, high-capacity and mobility support requirements of the future generation wireless networks. Also the time and frequency domain scheduling framework is further developed in order to support spatial domain scheduling of highly mobile users. Moreover, transmit and receive beamforming that is based on user location estimates is studied in order to increase signal-to-interference-plus-noise ratio and decrease pilot overhead caused by full-band uplink reference signals, commonly used for channel state information (CSI) in time-division-duplex TDD systems. Since one of the main challenges for wide-scale deployment of UDNs is the backhaul, also a massive MIMO based sub-6 GHz solution that exploits spatial multiple-access and TDD for UDN self-backhauling is given. This is shown to outperform self-backhauling that is based on time domain multiplexing only. What makes this study attractive is that with wireless alternatives to wired solutions, deployment costs can be lowered significantly. Furthermore, millimeter wave technologies typically require line-of-sight conditions, which significantly reduces deployment flexibility. Lastly, an approach for dealing with uplink small packet transmissions from a massive amount of machine type communication (MTC) devices in UDNs is proposed. The proposed approach exploits beamforming based distribution of uplink grants for connectionless small data transmissions. Receive beamforming is also employed for receiving subsequent small packet transmissions. It is shown that with the proposed approach, low collision and decode failure probabilities can be achieved. Additionally, the results provided show that simultaneous reception of such small packet transmissions can be dealt with low latency and low physical resource usage by utilizing spatial receive filters that maximize received power towards the directions where grants were broadcasted.

Äärimmäisen tiheillä verkoilla tulee olemaan ratkaiseva merkitys tulevaisuuden matkaviestinnässä. Erityisesti kaupunkialueilla radiokanavan etenemisominaisuudet katukuiluissa estävät tehokkaan spatiaalisen tihentämisen makro-solujen massiivisilla MIMO -järjestelmillä. Siksi radionoodien huomattava lisääminen on avain menestykseen. Tässä väitöskirjassa on kehitetty uusi yhtäjaksoisen peiton tarjoava tiheän verkon järjestelmätason konsepti. Uusi radion kehysrakenne on suunniteltu täyttämään uuden sukupolven verkkojen matalan latenssin, suuren kapasiteetin ja käyttäjien liikkuvuuden vaatimukset. Myös ajan ja taajuuden hallintaa on kehitetty, jotta myös tila otetaan huomioon yhtenä dimensiona radioresurssien hallinnassa. Lisäksi tutkitaan lähetyksen ja vastaanoton keilanmuodostusta, joka perustuu käyttäjän sijaintiin, jotta signaalin ja häiriön suhdetta saadaan parannettua. Paikannukseen perustuvalla keilanmuodostuksella voidaan myös pienentää referenssisignaalien käyttämien radioresurssien määrää verrattuna koko kaistan pilottisignaaleihin, joita käytetään yleisesti kanavan tilan mittaamiseen TDD-järjestelmissä. Koska yksi tärkeimmistä haasteista tiheiden verkkojen laajamittaisen käyttöönoton yleistymisessä on kustannustehokkaiden tiedonsiirtoratkaisujen puute radionoodien ja runkoverkon välille, myös massiivinen MIMO-pohjainen alle 6 GHz:n ratkaisu tuodaan esille. Väitöskirjassa osoitetaan, että ehdotettu ratkaisu suoriutuu paremmin kuin pelkästään aikatason erotteluun perustuvat perinteisemmät ratkaisut. Mikä tekee tästä tutkimuksesta houkuttelevan on se, että langattomilla vaihtoehdoilla langallisiin verrattuna voidaan alentaa tiheiden verkkojen rakennuskustannuksia merkittävästi. Lisäksi vaihtoehtoiset millimetriaaltoteknologiat vaativat tyypillisesti näkölinjaolosuhteet lähettimen ja vastaanottimen välille, mikä vähentää huomattavasti radionoodien ja runkoverkon rakentamisen joustavuutta. Lopuksi väitöskirjassa esitellään tiheään verkkoon perustuva menetelmä, jolla voidaan ratkaista pienten datapakettien lähetykset, joita valtava määrä konetyyppisen kommunikaation laitteita tuottaa. Ehdotettu lähestymistapa hyödyntää keilanmuodostusta ja perustuu ylälinkin allokaatioiden lähetykseen. Näitä allokaatioita laitteet voivat käyttää pienten pakettien lähettämiseen ilman varsinaista yhteyden muodostusta. Keilanmuodostusta käytetään myös lähetysten vastaanottamiseen. Väitöskirjassa osoitetaan, että ehdotettu lähestymistapa saavuttaa alhaiset todennäköisyydet törmäykselle ja dekoodauksen epäonnistumiselle. Lisäksi tulokset osoittavat, että useita pieniä lähetyksiä voidaan vastaanottaa samanaikaisesti pienellä viiveellä ja matalalla fyysisten radioresurssien menekillä hyödyntämällä spatiaalista vastaanottosuodatinta, joka maksimoi vastaanottotehon suuntiin joihin allokaatiot lähetettiin.
Description
Supervising professor
Jäntti, Riku, Prof., Aalto University, Department of Communications and Networking, Finland
Keywords
5G, NR, ultra-dense networks, radio resource management, multi-user MIMO, massive MIMO, massive MTC, äärimmäisen tiheät verkot, radioresurssien hallinta, monikäyttäjä-MIMO, massiivinen MIMO, massiivinen konetyyppinen kommunikaatio
Other note
Parts
  • [Publication 1]: P. Kela, J. Puttonen, N. Kolehmainen, T. Ristaniemi, T. Henttonen, and M. Moisio. Dynamic packet scheduling performance in UTRA long term evolution downlink. In Proc. 3rd. International Symposium on Wireless Pervasive Computing (ISWPC), Santorini, pp. 308-313, May 2008.
  • [Publication 2]: P. Kela, J. Turkka, M. Costa, T. Hiltunen, M. Hronec, J. Salmi, and K. Leppänen. A novel radio frame structure for 5G dense outdoor radio access networks. In Proc. IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring), Glasgow, pp. 1-6, May 2015.
    DOI: 10.1109/VTCSpring.2015.7145635 View at publisher
  • [Publication 3]: P. Kela, J. Turkka, and M. Costa. Borderless mobility in 5G outdoor ultra-dense networks. IEEE Access, Volume 3, pp. 1462-1476, August 2015.
    DOI: 10.1109/ACCESS.2015.2470532 View at publisher
  • [Publication 4]: P. Kela, X. Gelabert, J. Turkka, M. Costa, K. Heiska, K. Leppänen, and C. Qvarfordt. Supporting mobility in 5G: A comparison between massive MIMO and continuous ultra dense networks. In Proc. IEEE International Conference on Communications (ICC), Kuala Lumpur, pp. 1-6, July 2016.
    DOI: 10.1109/ICC.2016.7510708 View at publisher
  • [Publication 5]: P. Kela, M. Costa, J. Turkka, M. Koivisto, J. Werner, A. Hakkarainen, M. Valkama, R. Jäntti, and K. Leppänen. Location based beamforming in 5G ultra-dense networks. In Proc. IEEE 84th Vehicular Technology Conference (VTC Fall), Montréal, pp. 1-7, September 2016.
    DOI: 10.1109/VTCFall.2016.7881072 View at publisher
  • [Publication 6]: P. Kela, M. Costa, J. Turkka, K. Leppänen, and R. Jäntti. Flexible backhauling with massive MIMO for ultra-dense networks. IEEE Access, Volume 4, pp. 9625-9634, December 2016.
    DOI: 10.1109/ACCESS.2016.2634039 View at publisher
  • [Publication 7]: P. Kela, H. Lundqvist, M. Costa, K. Leppänen, and R. Jäntti. Connectionless access for massive machine type communications in ultra-dense networks. Accepted for publication in IEEE International Conference on Communications (ICC), Paris, May 2017.
Citation