Evolution of Mobile Backhaul
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2017-03-20
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
132 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 29/2017
Abstract
In the last quarter of a century, wireless networks have dramatically transformed and redefined our lives. At first, cellular networks provided mobile telephone service; currently, they also offer mobile internet access. This technology has been evolving at an astonishing pace to provide ever-higher network capacities, increasing mobile internet data rates, and lower latency access. While radio access networks have drawn the most attention, the fixed network providing connectivity to the base stations - the backhaul network - has evolved at a similar pace. As innovations on the radio interface have continued to create issues for the backhaul, in turn, this has led to innovations on the backhaul network. This dissertation investigates six challenges for the backhaul network; it presents solutions to these challenges and evaluates their performance through simulations. One such challenge was the femtocell concept, which appeared with 3.5G systems. Femtocells are small cells that are backhauled by an arbitrary wired internet connection. Another challenge is the shift to Voice over Internet Protocol (VoIP). VoIP has led to very inefficient transportation of small and frequent voice packets, which are burdened by excessive packet overhead. This overhead can be reduced if the small packets are bundled or multiplexed together in order for multiple packets to share a single overhead. Adaptive multiplexing algorithms are proposed that further improve efficiency. A further issue is the backhaul requirement for Coordinated Multipoint (CoMP), which is a feature of 4G that increases radio interface efficiency. Its applicability is restricted by backhaul latency requirements. This dissertation describes a method that decreases these backhaul requirements, and allows its employment in more scenarios. Furthermore, a cognitive radio system concept is presented where the difference between the radio interface and backhaul is blurred. To provide the data rates promised by 5G, wireless networks have to turn to far higher frequencies, such as millimetre wavelengths; however, this implies very small maximum cell sizes. For providing backhaul for such dense deployments, a cost efficient technology candidate is multi-hop, millimetre-wave, in-band backhaul; the performance of which is also evaluated in this dissertation. Finally, the effect of rain fading on millimetre-wave multi-hop backhaul is also quantized. The results presented in this dissertation show that the individual backhaul challenges of each generation of wireless networks can be overcome with corresponding backhaul solutions.Viimeisen neljännesvuosisadan aikana langattomat verkot ovat muuttuneet merkittävästi. Matkapuhelinverkot tarjoavat nykyisin myös mobiililaajakaistaa. Tekniikka on kehittynyt hämmästyttävällä nopeudella tarjoten yhä suurempia verkkokapasiteetteja, yhä korkeampia siirtonopeuksia, ja alhaisempia latensseja. Vaikka langattomat tilaajaverkot ovat vieneet suurimman huomion, kiinteä verkko, joka tarjoaa yhteyden tukiasemiin - nk. siirtoverkko - on kehittynyt samaan tahtiin. Koska innovaatiot radiorajapinnassa ovat asettaneet haasteita siirtoverkoille, tämä on johtanut innovaatio-tarpeisiin myös siirtoverkoissa. Tämä väitöskirja tutkii kuutta siirtoverkon haastetta; esittää ratkaisuja näihin haasteisiin ja arvioi niiden suorituskykyä simulaatioilla. Yksi tällainen haaste oli femto-solu käsite, joka otettiin käyttöön 3.5G järjestelmissä. Femto-solut ovat pieniä soluja, joiden siirtoyhteytenä käytetään kiinteän verkon internet-yhteyttä. Toinen haaste on internet protokollin (VoIP) käyttöönotto puheluissa. VoIP on johtanut hyvin alhaiseen tiedonsiirtotehokkuuteen johtuen sen pienten ja usein toistuvien äänipakettien suhteellisen suuresta otsikkokentästä. Tätä tehottomuutta voidaan pienentää pakkaamalla tai multipleksoimalla pieniä paketteja yhteen, siten, että niillä on yksi yhteinen otsikkokenttä. Tämä väitöskirja ehdottaa tehokkuuden parantamiseksi adaptiivisia multipleksointi-algoritmeja. Eräs toinen haaste on täyttää Coordinated MultiPoint (CoMP) toiminteen asettamat siirtoverkko vaatimukset. CoMP on 4G-verkon toiminnallisuus, joka parantaa radiorajapinnan tehokkuutta. Siirtoverkon viivevaatimukset rajoittavat kuitenkin sen käyttöä. Tämä väitöskirja esittää menetelmän, joka lieventää CoMP-in asettamia siirtoverkko vaatimuksia, ja siten mahdollistaa sen laajemman käytön. Lisäksi esitellään kognitiivinen radiojärjestelmän konsepti, jossa liityntä- ja siirtoverkon välinen ero on hämärtynyt. Tarjotakseen niitä siirtonopeuksia joita edellytetään 5G:ltä, langattomien verkkojen täytyy siirtyä nykyistä paljon korkeampiin taajuuksiin, kuten millimetrin aallonpituuksiin, josta taas seuraa hyvin pienet maksimi solukoot. Ehdokas kustannustehokkaaksi teknologiaksi, joka voisi tarjota siirtoverkon tällaisille tiheille asennuksille, on monihyppyinen, millimetritaajuinen, kaistansisäinen siirtoverkko; jonka suorituskyky on myös analysoitu tässä väitöskirjassa. Lopuksi, määritellään sateen vaikutus millimetriaallonpituisille siirtoverkoille. Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset osoittavat, että jokaisen langattoman verkkosukupolven aiheuttamat yksittäiset siirtoverkko haasteet voidaan selvittää sopivilla ratkaisuilla.Description
Supervising professor
Manner, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Communications and Networking, FinlandKeywords
backhaul, wireless networks, 3G, 4G, 5G, femtocells, packet bundling, packet multiplexing, CoMP, cognitive radio, multi-hop backhaul, rain fading, matkapuhelintukiasemien siirtoverkko, langattomat verkot, femto-solu, pakettien yhteenpakkaus, pakettien multipleksointi, kognitiivinen radio, monihyppyinen backhaul, sadevaimennus
Parts
- [Publication 1]: Árpád Drozdy, László Kőrössy, Csaba Vulkán and János Bitó. Femtocell Quality of Service over DSL backhaul. In Proceedings of the ICT Mobile and Wireless Communications Summit (ICT-MobileSummit), Stockholm, Sweden, June 2008.
-
[Publication 2]: Árpád Drozdy, Zoltán Vincze and Csaba Vulkán. Bundling and multiplexing in packet based mobile backhaul. In Proceedings of the 16th European Wireless Conference (EW), Lucca, Italy, April 2010.
DOI: 10.1109/EW.2010.5483443 View at publisher
-
[Publication 3]: Árpád Drozdy, Attila Rákos, Zoltán Vincze and Csaba Vulkán. Adaptive VoIP Multiplexing in LTE Backhaul. In Proceedings of the 73rd IEEE Vehicular Technology Conference (VTC Spring), Budapest, Hungary, May 2011.
DOI: 10.1109/VETECS.2011.5956718 View at publisher
-
[Publication 4]: Kamran Arshad, Richard MacKenzie, Ulrico Celentano, Árpád Drozdy, Stéphanie Leveil, Geneviève Mange, Juan Rico, Arturo Medela and Christophe Rosik. Resource Management for QoS Support in Cognitive Radio Networks. IEEE Communications Magazine, volume 52, issue 3, pp. 114-120, March, 2014.
DOI: 10.1109/MCOM.2014.6766095 View at publisher
-
[Publication 5]: Árpád Drozdy, Péter Kántor and János Bitó. Effects of Rain Fading in 5G Millimetre Wavelength Mesh Networks. In Proceedings of the 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Davos, Switzerland, April 2016.
DOI: 10.1109/EuCAP.2016.7481521 View at publisher
- [Publication 6]: Árpád Drozdy, Jouko Kapanen and Jukka Manner. User Level Performance Analysis of Multi-hop In-band Backhaul for 5G. Accepted for publication in Wireless Networks pending minor revisions.
