Inter-numerology analysis for 5G

The rapidly increasing number of mobile devices, voluminous data, and higher data rate are pushing to modify the current generation of the cellular mobile communication. The next or fifth generation (5G) cellular networks are expected to meet high-end requirements. The 5G networks are broadly characterized by three unique features: ubiquitous connectivity, extremely low latency, and very high-speed data transfer. But there are many challenges for the implementations of this system. Like the channel allocation, tradeoffs between efficiency and other aspects, inter-numerology interference raised due to multi-numerologies non-orthogonality and this document contains a study of 5G New Radio (NR) implementation w.r.t. INI impact and characteristics. Chapter 1 is dedicated to the introduction about 5G technology, evolution of mobile communication systems, to a comparison between 4G and 5G technologies (benefits of 5G over 4G and some tradeoffs), to what is new in 5G, i.e. mainly NR (Multi-numerologies) and Information Centric virtualization (sharing Networks in different ways). In Chapter 2, we have just revised the contributions of different authors in 5G Multi-numerologies and this is a kind of summary of different publications, regarding the problems we have in 5G multi-numerology systems and how we can resolve these problems. Chapter 3 is devoted to the description of 3GPP standard, 5G frame structure, scheduling in 5G modulation schemes, channel types in 5G and the final system design. This is the main part of implementation, in which we have a system model (block diagram), transmitter side and receiver side. In the 4th Chapter, we have the discussion of the factors that are affecting the INI: I- number of subcarriers, i.e. if we increase or decrease the number of subcarriers of two different numerologies, we have different INI (increased or decreased). II- Guard Band (GB), and in this section we can observe that by increasing GB length we can decrease the INI as tradeoff of BW. III- Power Offset, when the power is assigned to each user differently according to their needs, power offset will be random (i.e. users in the victim numerology will have different power offsets with each user in the interfacing numerology). In this case the INI will not only depend upon the spectral distance of the user from interfacing numerology but also on the power offset of each user in the interfacing numerology. IV- Windowing, high out of band emission of the OFDM waveform can be diminished by smoothing the edges of its rectangular heartbeat. One method for accomplishing this is through a windowing procedure where each OFDM image is duplicated with a smooth capacity, such as raised cosine. We used here a Greedy scheduling that is the same as the windowing but not with fixed lengths as it chooses window lengths by different algorithms. V- Spacing offset, in multi-numerology system as SCS offset (∆f2-∆f1) increases their SIR performance decreases, and in the results we can observe that INI increases when we have a large offset between subcarrier spacings. Finally, Chapter 5 will be the conclusion of the work.

I dispositivi mobili sono in costante crescita e le maggiori velocità di trasmissione dati sono una delle spinte a modificare l'attuale generazione della comunicazione mobile cellulare. Si prevede che le reti cellulari di prossima generazione o di quinta generazione (5G) soddisferanno requisiti di fascia ancora più alta. Le reti 5G sono generalmente caratterizzate da tre caratteristiche: connettività pervaisva, latenza estremamente bassa e trasferimento dei dati ad altissima velocità. Le reti 5G forniranno quindi nuove architetture e tecnologie. Ma ci sono molte sfide per le implementazioni di questo sistema. Per esempio, l'allocazione del canale, il compromesso tra efficienza e altri fattori, l'INI generata a causa di multi-numerologie non-ortogonali; questo documento contiene uno studio sull'implementazione del 5G NR e su come possiamo diminuire l'INI. Il capitolo 1 contiene l'introduzione della tecnologia 5G, l'evoluzione dei sistemi di comunicazione mobile, il confronto tra le tecnologie 4G e 5G (vantaggi di 5G su 4G e relativi compromessi), la novità del 5G NR (per es. Le multi-numerologie) e la virtualizzazione della rete. Nel capitolo 2 abbiamo revisionato i contributi di diversi autori sulle multi-numerologie 5G e il capitolo contiene una sorta di riassunto di diverse pubblicazioni, riguardanti i problemi che abbiamo nei sistemi con multi-numerologia 5G e come possiamo risolvere questi problemi. Il capitolo 3 è fondamentalmente una descrizione dello standard 3GPP, della struttura del frame 5G, della pianificazione negli schemi di modulazione 5G utilizzati, dei tipi di canale in 5G e della progettazione del sistema finale. Questa è la parte principale dell'implementazione, in cui abbiamo il modello di sistema (schema a blocchi), lato trasmettitore e lato ricevitore per le due numerologie simulate. Nel capitolo 4 abbiamo l’analisi dei fattori che influenzano l'INI: I- numero di sottoportanti, se aumentiamo o diminuiamo il numero di sottoportanti di due diverse numerologie, abbiamo INI diversi (aumento o diminuzione). II- Guard Band, possiamo osservare che aumentando la larghezza GB possiamo ridurre l'INI. III- Offset di potenza, quando la potenza viene assegnata a ciascun utente in modo diverso in base alle proprie esigenze, l'offset di potenza sarà casuale (ovvero, gli utenti nella numerologia avranno diversi offset di potenza). In questo caso l'INI non dipenderà solo dalla distanza spettrale dell'utente dalla numerologia di interfacciamento ma anche dall'offset di potenza con ciascun utente della numerologia di interfaccia. IV- Windowing, l'emissione out-of-band della forma d'onda OFDM può essere ridotta attenuando i bordi del suo impulso rettangolare. Un metodo per ottenerlo è tramite una procedura di windowing in cui ogni immagine OFDM è finestrata con una forma d’onda come il raised cosine. Abbiamo usato qui una programmazione simile al windowing ma non a lunghezze fisse ma scelte automaticamente con algoritmi diversi. V- Spacing Offset, nel sistema multi-numerologia se l’offset SCS (Δf2-Δf1) aumenta la prestazione SIR diminuisce e nei risultati possiamo osservare che INI aumenta quando abbiamo un ampio offset tra le spaziature delle sottoportanti. Alla fine il capitolo 5 presenta le conclusioni del lavoro.