Design and evaluation of technical components building the flexible 5G radio interface supporting heterogeneous use cases

In the last decades, mobile communications evolved from a limited and expensive technology to a commodity that is available to billions of people and is used every day. Their scope changed as well: first it was limited to voice calls, then messaging was introduced, and later multimedia communications with images and video were added. As of 2018, the prevailing use of cellular networks is to connect people to the Internet, allowing them to work, look for information, communicate, and many other activities. This has been possible thanks to fourth generation (4G) technologies such as LTE and LTE-Advanced. This landscape is ready to evolve once again: the fifth generation (5G) of cellular networks is almost ready for the roll-out of its first iteration, with the goal of further improving the performance of existing services and paving the road for completely new scenarios. Current plans include bringing broadband connectivity to remote rural areas, supporting huge numbers of small battery-powered sensors and IoT devices, providing fast Internet on very high-speed trains, and much more. But more importantly, 5G is being designed as a flexible, modular, and extensible technology, that can be improved at will when the need arises, to be able to support new scenarios that do not even exist today. Given these premises, the research activity carried out during the Ph.D. consisted mostly in the identification, modeling, and evaluation of promising techniques suitable for specific use cases of future 5G networks. Most of the work has been conducted as part of the EU H2020 FANTASTIC-5G project (Flexible Air iNTerfAce for Scalable service delivery wiThin wIreless Communication networks of the 5th Generation), whose main objective has been the design of a flexible air interface for the 5G, with focus on the lowest layers of the protocol stack and the integration of many components in a unified framework. Chapter 1 of this thesis offers an overall description of the 5G technology, of the vision behind it, of the main use cases being considered at the present time, together with their corresponding challenges. Chapter 2 introduces the Massive MIMO technology, which employs a large number of base station antennas and advanced signal processing to offer significant advantages over traditional systems with a limited number of antennas. First, the problem of implementing the technology in FDD mode is considered, as the original formulation requires the TDD mode, but it is inconvenient in most existing networks. The two-stage JSDM precoding technique is explored as a possible solution, together with a beam coordination technique to reduce the interference, and both techniques are shown to offer a large advantage over the legacy LTE- Advanced in urban and rural scenarios. Subsequently, a specific aspect of the JSDM technique is investigated, that is the identification of suitable user clusters for precoding. This activity has been pursued during a research period abroad, at the Fraunhofer Heinrich Hertz Institute in Berlin, Germany. An existing density-based clustering approach has been extended to cover a larger variety of operating conditions, ranging from small isolated user clusters to large crowds that need to be broken down. The resulting approach shows improved performance and compliance with the intended goals. The last part of this chapter is dedicated to the description of a distributed resource allocation algorithm suitable for the uplink of a Massive MIMO network, which allows the users to autonomously select a subset of resources and a power allocation profile, with the goal of maximizing the energy efficiency while respecting QoS constraints. The algorithm is shown to work as intended and provide significant improvements over two different reference strategies. Next, Chapter 3 tackles the problem of providing broadband Internet access on very high-speed trains, despite a number of obstacles due to the mobility. Specifically, as the feedback about the channel state becomes outdated very quickly, the Predictor Antenna concept is exploited to provide a more reliable channel estimation, resulting in up to 100% gain at a speed of 500 km/h. Chapter 4 deals with massive sensor deployments, where a large number of devices may try to access the network in a short time span, resulting in many collisions and failures during the initial connection phase. An extended version of the LTE access protocol is described, which is able to support a larger number of devices, as shown in the numerical evaluation. Chapter 5 proposes enhancements for the multicast/broadcast operation available in LTE, which are based on the introduction of an uplink channel associated with the downlink transmission. With this hypothesis, it is possible to implement a dynamic adaptation of the modulation and coding levels, as well as requesting retransmission of data packets that are not received correctly. As shown in the evaluation, these tools can make the broadcast transmission more effective and more reliable. Finally, the Appendix describes the most important aspects and developments of the LTE-Sim simulation tool, that has been used in most of the works presented in this Ph.D. thesis.

Negli ultimi decenni, le comunicazioni mobili si sono evolute da una tecnologia limitata e costosa ad un bene di largo consumo disponibile per miliardi di persone e utilizzata ogni giorno. Anche il loro campo d'azione è cambiato: prima era limitato alle chiamate vocali, poi è stata introdotta la messaggistica e successivamente sono state aggiunte comunicazioni multimediali con immagini e video. A partire dal 2018, l'uso prevalente delle reti cellulari è quello di connettere le persone a Internet, consentendo loro di lavorare, cercare informazioni, comunicare e molte altre attività. Questo è stato possibile grazie alle tecnologie di quarta generazione (4G) come LTE e LTE-Advanced. Questo scenario è pronto a evolvere ancora una volta: la quinta generazione (5G) di reti cellulari è quasi pronta per il lancio della sua prima iterazione, con l'obiettivo di migliorare ulteriormente le prestazioni dei servizi esistenti e aprire la strada a scenari completamente nuovi. I piani attuali includono l'introduzione della connettività a banda larga nelle aree rurali remote, il supporto di un numero enorme di piccoli sensori alimentati a batteria e dispositivi IoT, fornire Internet veloce su treni ad altissima velocità e molto altro ancora. Ma ancora più importante, il 5G è stato progettato come una tecnologia flessibile, modulare ed estensibile, che può essere migliorata a piacimento in caso di necessità, per essere in grado di supportare nuovi scenari che oggi nemmeno esistono. Date queste premesse, l'attività di ricerca svolta durante il dottorato è consistita principalmente nell'identificazione, modellazione e valutazione di tecniche promettenti adatte a casi d'uso specifici di future reti 5G. La maggior parte del lavoro è stato condotto nell'ambito del progetto EU H2020 FANTASTIC-5G (Flexible Air iNTerfAce for Scalable service delivery wiThin wIreless Communication networks of the 5th Generation), il cui obiettivo principale è stato la progettazione di una air interface flessibile per il 5G, con particolare attenzione ai livelli più bassi dello stack protocollare e all'integrazione di molti componenti in un framework unificato. Il capitolo 1 di questa tesi offre una descrizione generale della tecnologia 5G, della visione che ne è alla base, dei principali casi d'uso considerati al momento attuale, insieme alle relative sfide. Il Capitolo 2 introduce la tecnologia Massive MIMO, che impiega un gran numero di antenne alla stazione radio base e un'elaborazione avanzata del segnale per offrire vantaggi significativi rispetto ai sistemi tradizionali con un numero limitato di antenne. Innanzitutto, viene preso in considerazione il problema dell'implementazione della tecnologia in modalità FDD, in quanto la formulazione originale richiede la modalità TDD, ma è scomoda nella maggior parte delle reti esistenti. La tecnica di precodifica a due stadi JSDM è esplorata come una possibile soluzione, insieme a una tecnica di beam coordination per ridurre l'interferenza, ed entrambe le tecniche hanno dimostrato di offrire un grande vantaggio rispetto alla tecnologia precedente LTE-Advanced negli scenari urbani e rurali. Successivamente, viene indagato un aspetto specifico della tecnica JSDM, ovvero l'identificazione di cluster di utenti adatti per la precodifica. Questa attività è stata perseguita durante un periodo di ricerca all'estero, presso l'Istituto Fraunhofer Heinrich Hertz di Berlino, in Germania. Un approccio di clustering esistente basato sulla densità è stato esteso per coprire una più ampia varietà di condizioni operative, che vanno da piccoli gruppi di utenti isolati a grandi folle che devono essere suddivise. L'approccio risultante mostra prestazioni migliori e conformità con gli obiettivi previsti. L'ultima parte di questo capitolo è dedicata alla descrizione di un algoritmo di allocazione delle risorse distribuito adatto per l'uplink di una rete Massive MIMO, che consente agli utenti di selezionare autonomamente un sottoinsieme di risorse e un profilo di assegnazione di potenza, con l'obiettivo di massimizzare l'efficienza energetica nel rispetto dei vincoli della QoS. Viene mostrato che l'algoritmofunziona come previsto e fornisce miglioramenti significativi rispetto a due diverse strategie di riferimento. Successivamente, il capitolo 3 affronta il problema della fornitura di accesso a Internet a banda larga su treni ad altissima velocità, nonostante una serie di ostacoli dovuti alla mobilità. In particolare, poiché il feedback sullo stato del canale diventa obsoleto molto rapidamente, il concetto di Predictor Antenna viene sfruttato per fornire una stima del canale più affidabile, con un guadagno fino al 100% a una velocità di 500 km/h. Il Capitolo 4 si occupa distribuzioni di sensori su larga scala, in cui un gran numero di dispositivi può tentare di accedere alla rete in un breve lasso di tempo, causando numerose collisioni e insuccessi durante la fase iniziale di connessione. Viene descritta una versione estesa del protocollo di accesso LTE, che è in grado di supportare un numero maggiore di dispositivi, come mostrato nella valutazione numerica. Il Capitolo 5 propone miglioramenti per l'operazione multicast/broadcast disponibile in LTE, che si basano sull'introduzione di un canale di uplink associato alla trasmissione downlink. Con questo presupposto, è possibile implementare un adattamento dinamico dei livelli di modulazione e codifica, nonché richiedere la ritrasmissione di pacchetti di dati che non vengono ricevuti correttamente. Come mostrato nella valutazione, questi strumenti possono rendere la trasmissione più efficace e più affidabile. Infine, l'Appendice descrive gli aspetti e gli sviluppi più importanti dello strumento di simulazione LTE-Sim, che è stato utilizzato nella maggior parte dei lavori presentati in questa tesi di dottorato.