MMWave Wireless Access Backhaul: experimental insights from a 5G testbed

The heterogeneity of modern 5G networks, with their increasing demand for available bandwidth and data traffic, has pushed the standardization of new frequency spectrums. The mmWave band offers an encouraging prospect for improvements in data rates, reduction of latency and support for an extended number of clients. Besides the great availability of free spectrum and the guarantee of high throughput rates, this frequency band addresses the overcrowding issue of lower frequency bandwidths. However, significant challenges emerge from the deployment of this technology. Short-range coverage, high penetration losses worsened by environmental condition impairments and scarce adoption of these frequencies in commercial devices compromise the adoption of mmWave technology. To face these challenges the deployment of dense mmWave networks, with frequent small cells, becomes necessary to ensure reliable coverage, consequently increasing overall costs. The Wireless Access Backhaul (WAB) technology represents a solution, offering wireless backhaul that lowers deployment costs. The thesis introduces a hybrid WAB testbed that combines mmWave backhaul and Sub-6GHz access segments. Such a system leverages mmWave advantages in terms of bandwidth and throughput, while providing access to User Equipments (UEs) in a more commonly adopted bandwidth. The proposed experimental setup is unique, given the novelty of WAB technology and the lack of studies on this topic in the literature. It deploys commercial hardware and open-source software. To validate the testbed, an extensive experimental campaign was performed. The measurements were first conducted in a Mobile scenario. The aim of these experiments was to verify the testbed functioning in an environment were WAB could solve the mobility issues of mmWave technology. The following experiments covered the Outdoor-to-Indoor scenarios. Measurements were conducted inside a building to study if WAB technology addresses mmWave issues in penetrating surfaces. The proposed network covers an entire neighborhood in Milan and is compatible with Commercial Off-The-Shelf (COTS) 5G UEs, supporting real-world applications in dense urban environments.

L’eterogeneità delle reti 5G moderne, con la loro crescente richiesta di banda e l’aumento del traffico dati, ha indotto la standardizzazione di nuovi spettri di frequenza. La banda a onde millimetriche (mmWave) offre promettenti aspettative per il miglioramento di velocità di trasferimento dei dati, per la riduzione della latenza e per il supporto a un numero esteso di utenti. Oltre alla grande disponibilità di banda libera e alla promessa di velocità di trasmissione crescenti, questa banda di frequenza risolve il problema di sovraffollamento delle bande a più bassa frequenza. Tuttavia, l’utilizzo di questa tecnologia causa problemi significativi. L’adozione della tecnologia a onde millimetriche è compromessa da fattori come il limitato raggio di copertura del segnale, le grandi perdite da penetrazione delle superfici che vengono peggiorate da problematiche legate alle condizioni ambientali e la scarsa adozione di queste frequenze da parte dei dispositivi commerciali. Per fare fronte a queste problematiche e garantire una copertura adeguata, risulta necessario l’utilizzo di reti a onde millimetriche definite dense, caratterizzate dall’adozione di celle piccole e frequenti. Conseguentemente, i costi generali aumentano. La tecnologia di accesso e rete di ritorno wireless (WAB) rappresenta una soluzione in quanto offre una rete di ritorno senza fili che diminuisce i costi operativi. La tesi introduce un sistema WAB ibrido che combina una rete di ritorno a onde millimetriche e una sezione di accesso che usa frequenze sotto i 6GHz (Sub-6GHz). Questo tipo di sistema sfrutta vantaggi delle onde millimetriche, come la banda larga e alte velocità di trasferimento dati, contemporaneamente garantisce l’accesso a utenti in una banda utilizzata più comunemente. L’installazione sperimentale proposta è unica nel suo genere, come conseguenza della novità della tecnologia WAB e della mancanza di letteratura in tale ambito di studi. Il sistema utilizza hardware commerciale e software open source. Per validare l’installazione è stata condotta una vasta campagna sperimentale. Le misurazioni sono state effettuate in primo luogo in ambito mobile. Lo scopo degli esperimenti era quello di verificare il funzionamento del sistema in un contesto in cui WAB possa risolvere le problematiche della tecnologia a onde millimetriche legate alla mobilità. Gli esperimenti successivi hanno riguardato il contesto outdoor-to-indoor, ovvero di copertura interna degli edifici. Le misurazioni sono state condotte all’interno di un edificio per verificare se WAB è in grado di mitigare le problematiche di propagazione delle onde millimetriche attraverso le superfici. La rete proposta copre un intero quartiere di Milano ed è compatibile con dispositivi 5G pronti per il commercio (COTS), consentendo così la sua applicazione in contesti urbani.