Directional cell discovery in MM-wave 5G networks with context information

Mobile data traffic continues to grow strongly and will be no longer supportable by the actual mobile networks. This is driving providers and researchers to the development of the future 5G standard. In order to inject capacity in the mobile access network, heterogeneous networks with a pretty large number of small cells in the macro cell area will be deployed. Small cells will exploit millimeter-wave (mmW) communications over 30 GHz and 60 GHz bands, which provide a remarkable improvement of the available capacity, but, drastically reduces the achievable coverage. This makes networks based only on mmW not suitable to provide full coverage, therefore we have to maintain legacy network based on lower frequencies. Directional transmissions and new network architectures will be used in order to integrate mmW technologies in conventional wireless networks. The MiWEBA project proposes a functional split between C-plane and U-plane that allows to establish a signaling channel through conventional wireless technologies and transfer data using mmW, with the opportunity to convey context information from users to network. One of the main drawbacks related to the mmW use in the access network is that the transmission must be directional also during the initial cell discovery, wherein the synchronization must be acquired. This may lead to a non-negligible delay due to the need to explore the cell area with multiple transmissions in different directions. So, the use of advanced cell discovery procedure in order to reduce the initial access delay is mandatory. In this thesis work we analyze the behavior of different discovery procedures implemented in the new split architecture, in different propagation scenarios. These procedures leverage the opportunity to exploit the location information about the user provided form an external positioning system, and the use of a memory approach, which takes advantage of past accesses in order to speed up the current discovery. Finally, we analyze the cooperation-based cell discovery, where the directional search is simultaneously performed by different small cells in the macro cell area.

Il traffico dati mobile continua a crescere con forza e non sarà più sostenible dalle reti mobili attuali. Questo sta guidando operatori e ricercatori nello sviluppo del futuro standard 5G. Al fine di immettere capacità nella rete di accesso mobile, saranno utilizzate reti eterogenee con un gran numero di micro celle poste nell’area di copertura delle macro celle. Le micro celle sfrutteranno la comunicazione ad onde millimetriche (mmW) nelle bande a 30 GHz e a 60 GHz, che forniscono un notevole incremento della capacità disponibile, ma riducono drasticamente la copertura realizzabile. Ciò rende le mmW non adatte a fornire una copertura completa, per questo dobbiamo mantere l’attuale rete basata su frequenze più basse. Trasmissioni direzionali e nuove architetture di rete verranno utilizzate per integrare le tecnologie mmW nelle reti wireless convenzionali. Il progetto MiWEBA propone una divisione tra C-plane ed U-plane che permette di stabilire un canale di segnalazione attraverso le tecnologie wireless ordinarie e trasferire i dati usando le mmW, con la possibilità di trasmettere informazioni di contesto dagli utenti alla rete. Uno dei principali inconvenienti legati all’uso delle mmW è che la trasmissione deve essere direzionale anche durante la cell discovery iniziale, dove deve essere acquisita la sincronizzazione. Questo può portare ad un ritardo non trascurabile dovuto alla necessità di esplorare l’area di cella con trasmissioni multiple in più direzioni. L'uso di cell discovery procedure avanzate è quindi obbligatorio al fine di ridurre il ritardo d’accesso iniziale. In questo lavoro di tesi analizziamo, in diversi scenari di propagazione, il comportamento di diverse cell discovery procedure implementate nella nuova architettura. Queste procedure fanno leva sulla opportunità di sfruttare la posizione utente fornita da un sistema di localizzazione esterno, e l’utilizzo di un approccio di memorizzazione, che si avvale degli accessi precedenti al fine di velocizzare la discovery corrente. Infine, analizziamo il concetto di coopeartion-based cell discovery, dove la ricerca direzionale è svolta simultaneamente da più micro celle nell’area della macro cella.