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Abstrakt in Englisch

While today’s mobile networks are mainly used for connecting people, upcoming fifth generation (5G) technologies have the potential to expand wireless communication into a broad range of new applications and industries, with nearly everything being connected. Important parts of this vision are Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) and the Tactile Internet, which enable controlling objects in real-time but also require unprecedented high reliability and low latency. This thesis lays theoretical foundations for understanding and enhancing the reliability and availability of wireless networks. The primary approach followed is to model the statistical behavior of relevant components and to develop (semi-)-analytical tools for in-depth analysis of small outage probabilities. Initially, availability and survivability models are introduced for different combining schemes and small-scale fading channels. It is shown that, for achieving a particular availability, utilizing multiple low-power links can be considerably more power-efficient than using only a few powerful links. Moreover, novel closed-form expressions of the Minimum Duration Outage are derived for multiple selection-combined Rayleigh fading links. The core contribution of this thesis is a signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) model that captures shadowing as a random component but considers a realistic user association based on total receive powers including shadowing. The SINR model enables a fast yet accurate analysis of the availability performance of wireless networks. Various system properties, e.g., multiple path loss models and antenna types, are considered for traditional sub-6 GHz carrier frequencies and higher frequencies in cmWave and mmWave bands. Results demonstrate that interference-limited sub-6 GHz carrier frequencies are, in principle, better suited to achieve the goals of URLLC, especially when interference mitigation techniques are applied in addition. Nonetheless, the availability of noise-limited higher carrier frequencies can be enhanced as well, for instance, by adapting the power spectral density. Moreover, intra- and inter-frequency multi-connectivity prove to be promising concepts for increasing the availability of wireless networks to a level suited for URLLC and Tactile Internet applications. Furthermore, the SINR model is combined with other causes of failure, namely mobility issues, non-radio failures, and small-scale fading, to a unifying framework for joint system analysis. The extension by mobility aspects provides valuable insights into how mobility deteriorates the availability performance and reveals that intra- and inter-frequency multi-connectivity have the potential to compensate for mobility effects.

Abstrakt in Deutsch

Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) und das Taktile Internet ermöglichen es, Objekte in Echtzeit über Funkverbindungen fernzusteuern, und haben das Potenzial, eine Vielzahl neuartiger Anwendungsfelder und Märkte für Mobilfunktechnologien zu erschließen. Allerdings ist es dafür erforderlich, eine bislang in der Funkkommunikation nicht erreichte extrem hohe Zuverlässigkeit und niedrige Latenzzeiten zu garantieren. Die vorliegende Arbeit liefert theoretische Erkenntnisse, die das Verständnis fördern und Möglichkeiten zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Mobilfunknetzen aufzeigen. Der hauptsächlich verfolgte Ansatz ist, das statistische Verhalten von relevanten Komponenten zu modellieren und darauf aufbauend (semi-)analytische Methoden zu entwickeln, die es ermöglichen, kleine Ausfallwahrscheinlichkeiten mit hoher Genauigkeit, jedoch geringem Aufwand zu ermitteln. Zu Beginn werden Verfügbarkeitsmodelle für verschiedene Combining-Verfahren und Fadingkanäle eingeführt. Die Anwendung der Modelle zeigt, dass eine gewünschte Verfügbarkeit in bestimmten Fällen mit deutlich geringeren Gesamtleistungen erreicht werden kann, wenn viele leistungsschwache anstatt weniger leistungsstarker Übertragungen genutzt werden. Des Weiteren wird ein theoretisches Modell für Selection Combining und Rayleigh-Fading entwickelt, welches sehr kurze Ausfallzeiten der Funkkanäle toleriert und realitätsnähere Untersuchungen ermöglicht. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit ist ein Modell des Signal-zu-Interferenz-und-Rausch-Verhältnisses (englische Abkürzung SINR). Dieses Modell behandelt Abschattungseffekte (engl. shadowing) als Zufallsprozesse und berücksichtigt eine Wahl der Zielzelle basierend auf Gesamtempfangsleistungen inklusive der Abschattungseffekte. Das SINR-Modell zeichnet sich dadurch aus, dass es schnelle und dennoch genaue Analysen von Verfügbarkeiten von Funknetzen ermöglicht. Zudem können wichtige Systemparameter und -charakteristiken wie z.B. mehrere Pfadverlustmodelle und Antennentypen in das Modell integriert und dadurch sowohl klassische Mobilfunkfrequenzen unterhalb von 6 GHz als auch zunehmend genutzte Frequenzen im Zentimeter- und Millimeter-Frequenzbereich betrachtet werden. Die Anwendung des Modells zeigt auf, dass die interferenzlimitierten Frequenzen unterhalb von 6 GHz besser zur Erreichung der Ziele von URLLC geeignet sind ­– insbesondere, wenn zusätzlich Techniken zur Vermeidung von Interferenz angewendet werden. Allerdings kann auch die Verfügbarkeit bei rauschlimitierten höheren Funkfrequenzen gesteigert werden, indem z.B. die spektrale Leistungsdichte erhöht wird. Außerdem zeigt sich, dass Intra- und Inter-Frequenz Multi-Konnektivität (engl. intra- and inter-frequency multi-connectivity) vielversprechende Verfahren zur Erhöhung der Verfügbarkeit und Erreichung der von URLLC und dem Taktilen Internet gesteckten Ziele sind. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit das SINR-Modell mit anderen Fehlerursachen wie z.B. nicht-funkbedingten Systemausfällen und durch Mobilität verursachten Störungen kombiniert und zu einem Gesamtmodell erweitert. Insbesondere die Mobilitätsuntersuchungen liefern wichtige Erkenntnisse, wie Mobilität die Verfügbarkeit von Übertragungen beeinflussen kann. Zur Vermeidung von durch Mobilität bedingten Störungen und zur Realisierung von Hochverfügbarkeit bewähren sich wiederum die genannten Multi-Konnektivitäts-Verfahren.