Autor: Fasil B. Tesema
Titel: Mobility Robustness and Multi-Connectivity in 5G Mobile Networks
Typ: Dissertation
Fachgebiet: Informationstechnik
Reihe: Mobile Nachrichtenübertragung, Nr.: 88
Auflage: 1
Sprache: Englisch
Erscheinungsdatum: 22.12.2017
Lieferstatus: lieferbar
Umfang: 150 Seiten
Bindung: Soft
Preis: 59,00 EUR
ISBN: 9783959470247
Umschlag: (vorn)
Inhaltsverzeichnis: (pdf)


Abstrakt in Englisch

The mobile communication industry has been working hard to satisfy the requirements of various generations of information and communication technologies. The 4 th Generation (4G) mobile technology, which is commonly termed as Long Term Evolution (LTE), has revolutionized mobile communication by providing high data rate broadband services through all-IP networks. While the deployment of 4G networks is rolling out and its operation is settling, the International Telecommunication Union (ITU) has put forward the requirements of 5 th Generation (5G) networks for the information society in 2020 and beyond. The three pillars of the requirements of 5G networks are providing ultra-high data rates via enhanced broadband services, supporting nonhuman-centric machine type communication, and achieving ultra high reliability and low latency for applications such as mission-critical services.

In particular, low latency and ultra-high reliability are expected to be some of the major requirements of future generation wireless communication applications such as vehicular communications where mobility is still required and accidents play a critical role on human life. Generally, enabling low latency can involve reducing end to end communication delay, transmission time interval, transmission round trips and call setup times. On the other hand, ultra-reliability mainly refers to continuous provisioning of a wireless application with low probability of service interruption. Some of the major risks of low latency and ultra-reliability in wireless communication networks are low received power due to fading processes such as shadowing and fast fading, interference, system failures such as hardware or software failures, and service interruption due to mobility events such as handovers and connection failures. The various components of the aforementioned challenges are the subjects of ongoing research in wireless communication industries and academia. Herein, this thesis focuses on addressing the risks of low latency and ultra-reliability that arise from mobility-related service interruptions.
Mobility in cellular networks such as LTE is performed via handover procedures. A conventional handover in LTE incurs a certain service interruption as it involves a number of procedures such as handover preparation, handover execution and handover completion phases, before a User Equipment (UE) has a fully-fledged change of serving cell. In particular, a UE experiences service interruption due to the delay to have initial access to the target new cell because this is usually achieved via random access channel procedures that require a certain time to be completed. Moreover, the backhaul delay in transferring residual packets from the source cell to a target cell contributes to the service interruptions. More prominently, mobility-related connection failures incur long service interruption due to the timers required for monitoring failures and the delay in connection re-establishment procedures. To deal with such connection failures, 3 rd Generation Partnership Project (3GPP) has specified Mobility Robustness Optimization (MRO) for LTE networks based on the requirements of 4G networks. However, MRO has not been evaluated based on the more stringent 5G ultra low latency and ultra-high reliability requirements. This work investigates 3GPP-based MRO algorithms based on 5G requirements. Moreover, it proposes advanced and practical context-aware MRO algorithms, showing its performance evaluation in a concrete and elaborated mobility scenario.
Evaluation of context-aware MRO has shown that more applications with higher reliability requirements can be supported as compared to a conventional handover. However, it is observed that context-aware MRO in single-connectivity does not fulfill 99.999% at extremely low latency which is a typical reliability requirement for future applications. Consequently, multi-connectivity schemes are investigated focusing on the mobility related challenges. The major components of multi-connectivity schemes involve pro-active preparation of a set of serving cells which are termed as Active Set (AS), and enabling the serving cells to perform a co-ordinated wireless transmission to the UE. The main criteria in preparing AS for a UE is to include the currently strongest cell(s) in terms of the slow changing channel. However, UEs are not able to directly measure the slow changing channel with sufficient accuracy and sufficient measurement delay because of fast fading and noise. A novel AS Management (ASM) strategy is proposed taking into account the inaccuracy and delayed availability of UE measurements. With support of theoretical and practical foundation, the proposed ASM strategy is evaluated based on the requirements of 5G wireless communication networks.
Once the set of serving cells is prepared using the proposed ASM strategy, the serving cells need to be co-ordinated for wireless transmission to the UE. Such multi-cell transmission is not a new topic, and it has been discussed in 3GPP’s LTE specifications under the umbrella of Co-ordinated Multi-Point (CoMP) transmission. However, multi-cell transmissions are performed only for data signals and mobility-related transmission of control signals are performed from only one cell which is updated based on conventional handover procedures in single-connectivity. Unlike LTE CoMP, this work proposes that multi-cell transmission is performed for both control and data signals to exploit the co-ordination gain not only on data signals, but also on control signal that in turn leads to a robust mobility that fulfills the requirements of future generation networks. One of the proposed transmission schemes is termed as Single Frequency Network (SFN) transmission. Herein, transmission of both control and data signals from all the cells of an AS, are aggregated at the UE non-coherently. This reduces the major overhead of coherent joint transmission which has very high requirements in antenna calibration. With SFN transmissions, one UE is allowed to block resources in multiple cells which risks throughput performance. As a result, concrete scheduler model is designed and used to monitor the throughput performance along with mobility performance which is the primary target of the investigation. The performance evaluation in a concrete mobility scenario has shown that the proposed transmission scheme provides not only full reduction of connections failures which are the main mobility-related ultra-reliability challenges, but also it provides gain in the throughput of cell-edge UEs due to the coordinated transmission gain on the data signals.
Some of the entailed challenges of multi-connectivity scheme with SFN transmission are requirement of multi-cell co-ordination to aggregate the received signals at the UE, and multi-cell resource scheduler. An alternative transmission scheme with lower overhead in multi-cell co-ordination is proposed with the primary target of reducing connection failures. The proposed transmission scheme is termed as Fast Cell Select (FCS) transmission. In this case, the strongest cell among the AS is selected based on feedback from the UE, and the selected cell is used for transmission of both control and data signals. Hence, the proposed scheme provides a UE the flexibility to change serving cells among the AS faster as compared to conventional handover which is slower. Performance evaluations show that even though FCS transmission exhibit limitations for noise-limited UEs, it provides a considerable reduction of connection failures with lower co-ordination complexity as compared to the SFN transmission scheme.

Generally, this work and the related contributions have been documented in 9 conference papers [TZV + 14] [TZV + 16] [KWT + 15] [TZV + 15] [TAV + 15] [TAV + 16a] [TAV + 16b] [TGVR13] [TAV + ed], 2 journals [TAV + 16c] [TAV + ed], and 3 filed patent ap- plications [VTA + 62] [TAV39] [ATV14]. Moreover, this work has contributed [Nok16a] to 3GPP discussion on URLLC and mobility events, and a demo at Mobile World Congress 2015.

Abstrakt in Deutsch

Die Kommunikationsindustrie hat intensiv daran gearbeitet, die Anforderungen diverser Generationen der Informations- und Kommunikationstechnologien zu erfüllen. Mobilfunktechnologien der vierten Generation (4G), häufig auch als Long Term Evolution (LTE) bezeichnet, haben die mobile Kommunikation revolutioniert, indem echte Breitbanddienste mit hoher Datenrate über reine IP-Netzwerke bereitgestellt werden konnten. Während die 4G-Netze weitgehend aufgebaut und in Betrieb sind, hat die International Telecommunication Union die Anforderungen an die fünfte Generation (5G) für die Informationsgesellschaft 2020 und darüber hinaus definiert. Die wesentlichen drei Kategorien der 5G-Anwendungen sind die Bereitstellung von verbesserten Breitbanddiensten mit extrem hohen Datenraten, die Unterstützung von nicht-menschlicher Kommunikation zwischen Maschinen, und das Erreichen von extrem zuverlässigen Übertragungen mit extrem niedriger Latenz für (echtzeit-)kritische Dienste.

Insbesondere wird erwartet, dass die niedrige Latenz und die extrem hohe Zuverlässigkeit zu den Hauptanforderungen der zukünftigen Generationen drahtloser Kommunikationsanwendungen gehören, wie z.B. in der Fahrzeugkommunikation, bei der auch Mobilität extrem wichtig ist und bei der Unfälle eine ausschlaggebende Rolle spielen. Im Allgemeinen kann niedrige Latenz eine verkürzte Ende-zu-Ende Verzögerung, verkürzte Übertragungsintervalle, verkürzte Round Trips oder verkürzte Rufaufbauzeit bedeuten. Einige der Hauptrisiken von niedriger Latenz und extremer Zuverlässigkeit in drahtlosen Kommunikationsnetzen sind eine zu niedrige Empfangsleistung durch Schwundeffekte wie Abschattung und Fast Fading, Interferenz, Ausfälle von Hardware oder Software, sowie Dienstunterbrechungen durch mobilitätsbedingte Ereignisse wie Handover und Verbindungsabbrüche. Die verschiedenen Komponenten dieser Herausforderungen sind Gegenstand der gegenwärtigen Forschung in der Kommunikationsindustrie und an den Universitäten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Risiken von niedriger Latenz und extremer Zuverlässigkeit, die durch mobilitätsbedingte Dienstunterbrechungen entstehen.

Mobilität in Mobilfunknetzen wie LTE wird durch Handover-Prozeduren bewerkstelligt. Ein herkömmlicher Handover in LTE erzeugt eine gewisse Dienstunterbrechung, da einige Prozeduren durchlaufen werden müssen, im Speziellen Handovervorbereitung, -ausführung und -abschluss, bevor ein UE (engl. user equipment) die zuständige Zelle endgültig gewechselt hat. Insbesondere erfährt ein UE dadurch eine Dienstunterbrechung, dass es auf eine neue, noch nicht verbundene Zelle zugreifen muss (Random Access). Des Weiteren trägt zur Unterbrechung der Umstand bei, dass verbleibende Datenpakete von der Ursprungszelle an die Zielzelle transferiert werden müssen. Noch gröere Dienstunterbrechungen werden durch mobilitätsbedingte Verbindungsabbrüche verursacht, da Timer für die Überwachung der Kanalqualität benötigt werden und da die Neueinrichtung der Verbindung Zeit in Anspruch nimmt. Als ein Mittel gegen solche Verbindungsabbrüche hat das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) den Mechanismus Mobility Robustness Optimization (MRO) für LTE-Netzwerke spezifiziert, basierend auf den Anforderungen für 4G-Netzwerke. Jedoch wurde MRO nicht basierend auf den strengeren 5G-Anforderungen bezüglich extrem niedriger Latenz und extremer Zuverlässigkeit evaluiert. Diese Arbeit untersucht 3GPP-basierte MRO-Algorithmen basierend auf den 5G-Anforderungen. Des Weiteren werden weiterentwickelte und praktikable MRO-Algorithmen vorgeschlagen, die sich der Kenntnis bestimmter UE-Eigenschaften bedienen (“context-aware”). Deren Leistungsfähigkeit wird in konkreten und elaborierten Mobilitätsszenarien ausgewertet.
Die Auswertung von “context aware” MRO zeigt, dass im Vergleich zu konventionellen Handovern zwar mehr Anwendungen mit höheren Zuverlässigkeitsanforderungen unterstützt werden können. Man kann jedoch auch beobachten, dass solange das UE nur zu einer Zelle verbunden ist, keine extrem hohe Zuverlässigkeit bei niedriger Latenz erfüllt werden kann. Folglich werden “Multi-Connectivity”-Mechanismen, bei denen das UE gleichzeitig zu mehr als einer Zelle verbunden ist, mit Fokus auf mobilitätsbedingte Herausforderungen untersucht. Die Hauptbestandteile von solchen Multi-Connectivity-Mechanismen umfassen die prophylaktische Vorbereitung einer Gruppe von zuständigen Zellen, die “Aktives Set” (AS) genannt werden, und die koordinierten drahtlosen Übertragungen von diesen zuständigen Zellen zu einem Nutzer. Das Hauptkriterium bei der Zusammenstellung des AS für einen Nutzer ist es, dass die aktuell stärkste Zelle enthalten ist. Jedoch können die Nutzer die Kanalgüte nicht direkt mit ausreichender Genauigkeit und ausreichend kleiner Verzögerung messen, da schneller Kanalschwund und Rauschen die Messung beeinträchtigen. Eine neuartige Strategie für das AS-Management (ASM) wird vorgeschlagen, bei der die ungenaue und verspätete Verfügbarkeit von Nutzermessungen berücksichtigt wird. Unterstützt durch theoretische Erörterungen und praktische Analysen wird die ASM-Strategie hinsichtlich der Anforderungen von 5G-Netzen untersucht.
Sobald das AS durch die vorgeschlagene ASM-Strategie vorbereitet ist, müssen die zuständigen Zellen für die drahtlose Übertragung zum Nutzer koordiniert werden. Eine solche Mehrzellenübertragung wurde bereits in LTE-Spezifikationen unter dem Stichwort “Coordinated Multi-point” (CoMP) diskutiert. Jedoch wurden bislang Mehrzellenübertragungen nur für Datensignale durchgeführt, während die übertragung mobilitätsbezogener Kontrollsignale weiterhin über eine Zelle erfolgte, die durch herkömmliche Handover-Prozeduren aktualisiert wird. Anders als bei LTE CoMP schlägt diese Arbeit vor, dass Mehrzellenübertragungen sowohl auf Daten als auch auf Kontrollsignale angewendet werden, um den Koordinationsgewinn nicht nur auf den Daten- sondern auch auf den Kontrollkanälen auswerten zu können. Das wiederum führt zu einer robusteren Mobilität, die die Anforderungen zukünftiger Netzgenerationen erfüllt. Eine der vorgeschlagenen Übertragungsmethoden wird als “Single Frequency Network” (SFN) bezeichnet. Dabei überlagern sich die Übertragungen der Kontroll- und Datensignale von allen Zellen eines AS nicht-kohärent. Das verkleinert das Hauptproblem von kohärenter gemeinsamer Übertragung, nämlich die sehr hohen Anforderungen an die Kalibrierung der Antennen. Bei der SFN-Übertragung wird einem Nutzer erlaubt, Ressourcen in mehreren Zellen zu blockieren, was den Durchsatz einschränken könnte. Deshalb wurde ein konkretes Schedulermodell konzipiert, um den Durchsatz gemeinsam mit dem Mobilitätsverhalten zu überwachen. Die Auswertung der Leistungsfähigkeit in einem konkreten Mobilitätsszenario zeigt, dass die vorgeschlagene Übertragung nicht nur zur vollen Beseitigung der Verbindungsabbrüche führt, sondern auch zu Gewinnen im Durchsatz von Zellrandnutzern, was auf den Einsatz der koordinierten Datenübertragung zurückzuführen ist.
Einige der Herausforderungen von SFN sind die benötigte Mehrzellenkoordination, so dass sich die Empfangssignale beim Nutzer aggregieren, sowie der Mehrzellenscheduler. Ein alternatives Übertragungsschema mit weniger Mehraufwand für die Mehrzellenkoordination wird vorgeschlagen, mit dem primären Ziel der Reduktion von Verbindungsabbrüchen. Dieses Schema wird “Fast Cell Select” (FCS) genannt. In diesem Fall wird basierend auf Feedback des Nutzers die stärkste Zelle innerhalb des AS ausgewählt. Die ausgewählte Zelle wird für die Übertragung von sowohl Daten- als auch Kontrollsignalen verwendet. Folglich entsteht die Flexibilität, die übertragende Zelle innerhalb des AS schneller zu wechseln als dies bei einem herkömmlichen Handover der Fall wäre. Numerische Auswertungen zeigen, dass das FCS-Schema - trotz Einschränkungen für rauschbegrenzte Teilnehmer - eine beträchtliche Reduzierung von Verbindungsfehlern ermöglicht und einen niedrigeren Koordinationsaufwand verursacht als das SFN-Schema.
Diese Arbeit und verwandte Beiträge wurden dokumentiert in 9 Konferenzbeiträgen [TZV + 14] [TZV + 16] [KWT + 15] [TZV + 15] [TAV + 15] [TAV + 16a] [TAV + 16b] [TGVR13] [TAV + ed], 2 journals [TAV + 16c] [TAV + ed], and 3 filed patent applications [VTA + 62] [TAV39] [ATV14]. Des Weiteren hat diese Arbeit zu einer 3GPP-Diskussion über URLLC und Mobilität [Nok16a] und zu einer Demonstration auf dem Mobile World Congress 2015 beigetragen.