Handover techniques for coexisting LTE macro and femtocells

Long Term Evolution (LTE) is the latest standard in the Mobile Network Technologies that is being developed by the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). The project started in 2004 with the aim of enhancing the Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) and optimizing the radio access architectures in order to satisfy the recent increase of mobile data usage and the emerging of new applications such as MMOG (Multimedia Online Gaming), mobile TV, Web 2.0, and streaming contents. The demand of a high quality in the mobile data transmission is rising and an improvement on the mobile technologies is needed; among these demands the enhancement of the system capacity for wireless links appears the most crucial objective. It is considered that for achieving such improvement the transmitter and receiver should be closer to each other creating dual benefits, higher-quality and more spatial reuse. Since in a mobile network all users can be considered as nomadic, the deployment of more infrastructures, typically in the form of microcells, hot-spots, distributed antennas and relays becomes inevitable. However, a less expensive alternative is the recent concept of Femtocell Access Points (FAPs) - also called Home Base Stations – which are data access points installed by home users to get better indoor voice and data coverage. Therefore, for the deployment of the LTE systems the FAPs become a crucial, critical and challenging issue, especially regarding the technical and business arguments that it could represent and the way they could be integrated effectively into the LTE architecture. For this reason, the aim of this thesis is to describe, summarize and expose the state of the art of the different approaches to perform a better and effective integration of the LTE macro and femtocell scenarios in terms of mobility and execution of handover procedures. The document is organized as follows: chapter 1 and 2 contain an overview of the LTE systems with its features, architecture and basic procedures on the physical layer, chapter 3 contains a description of the mobility on LTE systems, chapter 4 introduces the basic aspects of LTE Femtocell systems, chapter 5 presents the challenging scenarios of coexistence of LTE macro and femtocells and finally, chapter 6 describes the novel techniques and approaches that have been proposed and implemented in order to mitigate the impact and improve the system capacity during handover procedures between LTE macro and femtocells.

Long Term Evolution (LTE) è il più recente standard nelle tecnologie di rete mobile ed è in fase di sviluppo nel 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Il progetto è iniziato nel 2004 con l'obiettivo di migliorare la Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) e ottimizzare l’architettura di accesso radio, al fine di soddisfare l'aumento recente dell’ utilizzo della telefonia mobile per il traffico dati e l'emergere di nuove applicazioni come il MMOG (Multimedia Online Gaming), TV mobile, Web 2.0, e contenuti in streaming. La richiesta di una elevata qualità nell’esperienza della trasmissione mobile è in aumento e un miglioramento della tecnologia è necessario; tra queste esigenze viene incluso il miglioramento della capacità del sistema per i collegamenti wireless. Si ritiene che per conseguire tale miglioramento il trasmettitore e il ricevitore devono essere più vicini l'uno all'altro creando un doppio beneficio di qualità superiore e di riuso spaziale. Dato che in una rete mobile tutti gli utenti possono essere considerati come nomadi, il dispiegamento di ulteriori infrastrutture, in genere sotto forma di microcelle, hot-spot, antenne distribuite e ripetitori diventa inevitabile. Un’alternativa meno costosa sono i recenti punti di accesso Femtocell (FAP) - chiamati anche Stazioni Home Base - che sono i punti di accesso ai dati installati da utenti domestici per ottenere una migliore copertura per dati e voce nell’ambiente domestico. Quindi, per la diffusione dei sistemi LTE, i FAP diventano così un’importante sfida per quanto riguarda gli argomenti tecnici e di business che potrebbero rappresentare e il modo in cui potrebbero essere integrati efficacemente nell'architettura LTE. Per questo motivo, l'obiettivo di questa tesi è quello di descrivere, sintetizzare ed esporre lo stato dell'arte dei diversi approcci per effettuare una migliore ed efficace integrazione delle macro e delle femtocelle negli scenari di coesistenza in rete LTE in termini di mobilità e esecuzione di procedure di Handover. Il documento è organizzato come segue: capitolo 1 e 2 contengono una panoramica dei sistemi LTE con le sue caratteristiche, l'architettura e le procedure di base per il livello fisico, il capitolo 3 contiene una descrizione della mobilità sui sistemi LTE, il capitolo 4 introduce gli aspetti fondamentali dei sistemi LTE con Femtocelle, il capitolo 5 presenta gli scenari impegnativi della coesistenza di macro e femtocelle LTE, e infine il capitolo 6 descrive le nuove tecniche e gli approcci che sono stati proposti e realizzati per mitigare e l'impatto e migliorare la capacità del sistema durante il passaggio di informazioni preliminari tra LTE macro e femtocelle.