Context-aware resource management and network design in 5G millimeter wave access networks

The exploitation of mm-wave technologies is one of the key-enabler for 5G mobile radio access networks, potentially providing several-GHz bandwidths. However, their introduction to cellular networks poses several challenges. The harsh propagation conditions limit the mm-wave access availability and make necessary the exploitation of high-gain antenna systems in order to overcome the high path loss and the limited power. Consequently, highly directional transmissions must be used with a significant increase in the system complexity. A further issue with mm-waves is related to their weak penetration ability, which makes every obstacle opaque to the mm-wave propagation, and thus a potential cause of link blockage. Therefore, to fully unleash mm-wave great potential and meet the stringent 5G requirements, we need novel network design strategies as well as new ways of dealing with legacy network functionalities to provide a fast and reliable mm-wave access. For guaranteeing a reliable signaling channel, legacy access technologies and a control and user plane (C-/U-plane) split need to be employed. This provides the opportunity to collect context information from the users that can support network operations management. We leverage the context information related to user positions to improve the directional cell discovery process, which is one of the most critical network operations in mm-wave access as it can cause non-negligible latency if not properly managed. We investigate the fundamental trade-offs of this process and the effects of the context information accuracy on the overall system performance. We also cope with obstacle obstructions in the cell area and propose an approach based on a geo-located context database where past system history is stored to guide future searches. Moreover, we investigate the coordination problem of multiple mm-wave base stations that jointly process user access requests. Analytic models and numerical results are provided to validate proposed strategies. The availability of a rich and accurate context is fundamental to effectively drive network operations and overcome mm-wave propagation weaknesses. Nevertheless, the mm-wave sensibility to the propagation environment can be exploited to enrich the context. To prove this concept, we present a passive human detection system that passively monitors indoor environments leveraging beamforming alignment procedures on already deployed indoor mm-wave communication systems, detecting and locating persons with high accuracy. We implemented our system in commercial off-the-shelf devices and deployed in an office environment for validation purposes. A widely adopted technique to guarantee mm-wave service reliability is to establish multiple connections from mobile to different base stations. Smart base-station selection must be made to minimize simultaneous blockage probability and maximize multi-connectivity effectiveness. However, the cell selection process is constrained by the network topology. The traditional approach to provide multi-connectivity is based on k-coverage planning. However, it is not guaranteeing reliable connection alternatives. Therefore, we propose a novel mm-wave access network planning framework specifically aimed at producing blockage robust network layout and ensuring the required QoS. Our framework provides the desired k-coverage while reducing the simultaneous blockage probability. The results show that our approach provides much better connection alternatives than traditional k-coverage against obstacle blockages. To improve the coverage and throughput of the mm-wave access network, the Integrated Access and Backhauling (IAB) paradigm is under standardization. IAB allows to dynamically use the large bandwidth available at mm-wave by tightly scheduling access and backhaul links. Within this framework, we investigate the operational problems of mm-wave multi-hop backhaul networks and propose a MILP model to address the joint optimization of both traffic routing and transmissions scheduling, according to the IAB paradigm. The model captures several technological aspects proper of mm-wave hardware and includes power allocation strategies and rate adaptation. The model is followed by a thorough numerical evaluation where the performance of the multi-hop IAB network is compared against the one of a single base station, showing the potential of IAB architecture.

L'utilizzo delle tecnologie a onda millimetrica è uno degli elementi chiave per abilitare le reti di accesso mobile 5G. Tuttavia, la loro introduzione nelle reti cellulari pone diverse sfide. Le difficili condizioni di propagazione limitano infatti la copertura del servizio a onda millimetrica, e rendono necessario l'utilizzo di sistemi di antenna ad alto guadagno per superare l'elevata attenuazione di percorso e i limiti di potenza. Di conseguenza, vengono impiegate trasmissioni altamente direzionali, con un conseguente aumento significativo della complessità del sistema. Un ulteriore problema legato a queste tecnologie è dovuto alla loro limitata capacità di penetrazione, che rende praticamente ogni ostacolo opaco alla propagazione del segnale, e quindi, una potenziale causa di blocco del collegamento. Pertanto, per esprimere completamente il grande potenziale di queste tecnologie e soddisfare i rigorosi requisiti della rete 5G, è necessario lo sviluppo di nuove strategie di progettazione e di gestione della rete, in grado di fornire un servizio di accesso a onda millimetrica rapido e affidabile. L'utilizzo di tecnologie di accesso tradizionali, assieme a una separazione tra piano di controllo e piano utente, garantiscono la disponibilità di un canale di segnalazione affidabile. Inoltre, offrono l'opportunità di raccogliere informazioni di contesto dagli utenti, che possono essere utilizzate a supporto delle operazioni di rete. In questa tesi sfruttiamo le informazioni di contesto relative alla posizione degli utenti per migliorare la procedura di accesso iniziale direzionale. Essa è una delle procedure più critiche per il servizio a onda millimetrica. Infatti, può essere causa una grande latenza se non gestita correttamente. In questa tesi analizziamo gli aspetti fondamentali di questa procedura, e studiamo i benefici derivanti l'utilizzo d'informazioni di contesto sulle prestazioni complessive del sistema. Consideriamo anche l'effetto di ostacoli che si possono trovare nell'area di servizio, proponendo un approccio basato su un database di contesto geo-localizzato che permette di sfruttare la cronologia del sistema per guidare le procedure di accesso future. Inoltre, studiamo il problema del coordinamento di più stazioni base a onda millimetrica che elaborano congiuntamente le richieste di accesso degli utenti. Vengono forniti modelli analitici e risultati numerici per convalidare le strategie proposte. La disponibilità di un contesto ricco e preciso è fondamentale per guidare efficacemente le operazioni di rete e superare le condizioni di propagazione avverse. Tuttavia, la sensibilità delle onde millimetriche all'ambiente di propagazione può essere sfruttata per arricchire le informazioni di contesto. Per dimostrare questo concetto, presentiamo un sistema passivo di rilevamento umano, che monitora passivamente l'ambiente di propagazione sfruttando le procedure di allineamento tipiche dei sistemi di comunicazione LAN a onda millimetrica, in grado di rilevare e localizzare persone all'interno dell'area monitorata con elevata precisione. Abbiamo implementato il nostro sistema su dispositivi commerciali standard e installato in un ambiente d'ufficio a scopo di convalida. Una tecnica ampiamente adottata per garantire l'affidabilità del servizio a onda millimetrica, è quella di stabilire connessioni multiple dal dispositivo mobile a diverse stazioni base. Per ridurre al minimo la probabilità di blocco simultaneo e massimizzare l'efficacia della connettività multipla, è necessario però selezionare efficacemente le stazioni base a cui collegare il dispositivo. Tuttavia, questo processo di selezione è vincolato dalla topologia di rete. L'approccio tradizionale per fornire connettività multipla si basa sulla pianificazione di tipo k-coverage. Tuttavia, essa non garantisce alternative di connessione affidabili. Pertanto, proponiamo un nuovo processo di pianificazione della rete di accesso a onda millimetrica, specificamente finalizzato alla produzione di topologie di rete robuste ai blocchi di segnale e in grado di fornire la qualità del servizio richiesta. Il nostro processo di pianificazione è in grado di fornire il livello di k-coverage desiderato, riducendo al contempo la probabilità di blocco simultaneo dei collegamenti. I risultati mostrano che il nostro approccio offre alternative di connessione migliori rispetto all'approccio k-coverage tradizionale in scenari con alta probabilità di blocco del segnale. Per migliorare la copertura e la capacità di trasmissione del servizio a onda millimetrica, il paradigma di accesso e backhaul integrato (IAB) è in fase di standardizzazione. L'IAB consente di allocare dinamicamente la banda disponibile, utilizzandola sia per i collegamenti di accesso che di backhaul. In questo contesto, studiamo i problemi operativi di reti di backhaul multi salto a onda millimetrica, e proponiamo un modello MILP per effettuare l'ottimizzazione congiunta dell'instradamento del traffico e della attivazione delle trasmissioni. Il modello proposto cattura diversi aspetti tecnologici propri dei dispositivi a onda millimetriche e include strategie di allocazione della potenza e di schemi di modulazione e codifica variabile. Il modello è seguito da un'approfondita valutazione numerica in cui le prestazioni della rete IAB vengono confrontate con quella di una singola stazione base, mostrando il potenziale dell'architettura IAB.