Details

Autor: Jens Steven Bartelt
Titel: Joint Design of Access and Fronthaul Uplinks in Cloud Radio Access Networks
Typ: Dissertation
Fachgebiet: Informationstechnik
Reihe: Mobile Nachrichtenübertragung, Nr.: 84
Auflage: 1
Sprache: Englisch
Erscheinungsdatum: 30.04.2017
Lieferstatus: lieferbar
Umfang: 166 Seiten
Bindung: Soft
Preis: 59,00 EUR
ISBN: 9783959470117
Umschlag: (vorn)
Inhaltsverzeichnis: (pdf)


Bestellung

Abstrakt in Englisch

Cloud radio access networks (C-RANs) are a promising concept for the architecture of 5th generation mobile networks. In C-RANs, signal processing is not performed at the access points as in common mobile networks, but is instead centralized in large, cloud-based data centers. This approach promises many benefits, including smaller-footprint base stations, simplified network management, maintenance and upgrades, economies of scale and a more efficient implementation of cooperative processing techniques. However, such a centralized architecture comes at the heavy price of an extensive, so-called fronthaul network, which has to exchange the raw, unprocessed radio signals between the remote access points and the central processing unit. This requires the fronthaul network to fulfill challenging requirements in terms of data rate, latency, and synchronization. Currently, these fronthaul networks are designed, deployed, and operated separately from the radio access network, meaning that there is little cooperation and information exchange between the fronthaul and radio access network. To mitigate this, this thesis proposes a joint design of the radio access and fronthaul links, by considering the impact that they have on one another, and by exchanging more side-information to form a joint radio access/fronthaul link.
A first step towards such a joint design is the re-design of the so-called functional split, which refers to the amount of processing performed at the remote access points versus that performed at the central unit. While the current approaches are two extreme cases of either full centralization or decentralization, an intermediate option can reduce the strict fronthaul requirements, while maintaining several of the benefits of centralization.
Furthermore, the access and fronthaul links can cooperate on the level of the physical interface by exchanging information about signal statistics and their respective channel qualities. With this a joint minimum mean square error receiver is designed in this thesis, aiming to improve the performance of the joint radio access and fronthaul link. This receiver is especially beneficial when utilizing wireless millimeter wave fronthaul links, which suffer from a reduced channel quality due to their high attenuation by precipitation.
Finally, it can be shown that the design of the quantizer, which is employed to digitize the radio signals before fronthaul transmission, has a considerable impact on overall performance. Accordingly, optimization schemes are proposed to limit this impact by optimized quantizer design.
The three proposed approaches – intermediate functional split, joint receivers, and optimized quantizer design – are shown to improve the end-to-end performance of the joint radio access/fronthaul link considerably in a relevant scenario. An analysis of their implementation complexity further underlines their feasibility. In summary, the joint design of radio access and fronthaul is a promising novel approach to solve the challenges of today's fronthaul networks.

Abstrakt in Deutsch

Cloud-basierte Mobilfunknetzte (C-RANs) sind ein vielversprechender Ansatz für die Architektur der Mobilfunknetzte der fünften Generation. In C-RANs wird Signalverarbeitung nicht nur an den Zugangspunkten ausgeführt, wie es in konventionellen Architekturen der Fall ist, sondern auch in großen, cloud-basierten Datenzentren. Dieser Ansatz verspricht viele Vorteile: kleinere und leichtere Basisstationen, vereinfachte Verwaltung, Wartung und Nachrüstung, Rationalisierungseffekte, sowie eine effizientere Implementierung von kooperativen Signalverarbeitungstechniken. Allerdings benötigt eine solch zentralisierte Architektur ein aufwendiges, sogenanntes Fronthaul-Netzwerk, welches, rohe, unverarbeitete Funksignale zwischen den verteilt aufgestellten Zugangspunkten und der zentralisierten Signalverarbeitungsprozessoren austauscht. Dazu muss dieses Fronthaul-Netzwerk herausfordernde Anforderungen bezüglich Datenrate, Latenz und Synchronisierung erfüllen. Zurzeit werden die Fronthaul-Netzwerke getrennt von den eigentlichen Zugangsnetzwerken entwickelt, aufgebaut und betrieben. Die hat zur Folge, dass sehr wenig Informationen zwischen beiden Netzsegmenten ausgetauscht werden und sie kaum kooperativ arbeiten. Um dies zu verbessern, wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, Fronthaul- und Zugangsnetzte gemeinsam zu betrachten, indem ihre gegenseitige Abhängigkeit besser berücksichtigt wird und mehr Informationen zwischen ihnen ausgetauscht werden, um so eine gemeinsame Funkzugangs-und Fronthaul-Strecke zu bilden.
Ein erster Schritt in dieser Richtung, ist der Neuentwurf der Aufgabenteilung bei der Signalverteilung zwischen den Zugangspunkten und der zentralen Cloud. Die heutige Aufgabenverteilung stellt dabei zwei Extreme dar, bei der entweder sämtliche Signalverarbeitung in der Basisstation am Zugangspunkt stattfindet, oder sie komplett in die Cloud ausgelagert wird. Ein dazwischenliegender Ansatz kann stattdessen die Anforderungen an das Fronthaul-Netzwerk senken und zur selben Zeit einige Vorteile der Zentralisierung erhalten.
Des Weiteren können Funkzugangs- und Fronthaul-Verbindung auch auf der physikalischen Netzwerkschicht kooperieren, indem Informationen über Statistik und Qualität ihrer Signale und Kanäle ausgetauscht werden. Mit diesem Ansatz wird in dieser Arbeit ein kooperativer Empfänger zur Minimierung des quadratischen Fehlers entworfen, welcher die Übertragungsqualität der gemeinsamen Funkzugangs- und Fronthaul-Verbindung erhöht. Dieser Empfänger ist insbesondere von Vorteil, wenn Fronthaul-Verbindungen mit drahtloser Millimeterwellentechnik realisiert werden, deren Übertragungsqualität durch einen hohen Pfadverlust und Dämpfungseffekte bei Niederschlag limitiert ist.
Weiterhin wird gezeigt, dass das Design des Quantisierers, der notwendig ist um die analogen Funksignale für die Fronthaul-Übertragung zu digitalisieren, einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Übertragung hat. Daher werden in dieser Arbeit Optimierungsverfahren entwickelt, um diesen Einfluss durch ein angepasstes Quantisiererdesign zu limitieren.
Die drei vorgeschlagenen Ansätze – Aufgabenverteilung zwischen Zugangspunkt und Cloud, kooperativer Empfänger und optimierter Quantiserer – zeigen in einem repräsentativen Szenario eine deutliche Verbesserung der Ende-zu-Ende Übertragung der gemeinsamen Zugangs-/Fronthaul-Verbindung. Des Weiteren unterstreicht eine Analyse der Implementierungskomplexität die Praktikabilität der Ansätze.
Zusammenfassend betrachtet ist der gemeinsame Entwurf von Zugangs- und Fronthaul-Netzwerk ein neuer, vielversprechender Ansatz um den Herausforderungen zukünftiger Mobilfunknetzte zu begegnen.