eli bo M fo no it ul ov E lu ah kc aB

132 Pages·2017·3.13 MB·English

by  Árpád Drozdy

Department of Communications and Networking
Evolution of Mobile
A Á
otla pr
-D dá
D 92 rD Backhaul
/7102 ydzo

E
v
o
ul
t
oi
n
o Árpád Drozdy
f
M
o
b
eli
B
a
c
k
h
a
u
l
ISBN 978-952-60-7303-3 (printed) BUSINESS +
9 ISBN 978-952-60-7302-6 (pdf) ECONOMY
H ISSN-L 1799-4934
S ISSN 1799-4934 (printed) ART +
T
F ISSN 1799-4942 (pdf) DESIGN +
M ARCHITECTURE
*G Aalto University aA
dha SDcehpoaortlm oef nEtl eocf tCricoaml mEunngiicnaeteiorinnsg and Networking STECCIEHNNCOEL +O GY U otl
a www.aalto.fi n
dd CROSSOVER vi
+ re DOCTORAL
DOCTORAL s DISSERTATIONS
DISSERTATIONS yti

2017
Aalto University publication series
DOCTORAL DISSERTATIONS 29/2017
Evolution of Mobile Backhaul
Árpád Drozdy
A doctoral dissertation completed for the degree of Doctor of
Science (Technology) to be defended, with the permission of the
Aalto University School of Electrical Engineering, at a public
examination held at the lecture hall TU2 of the school on 20 March
2017 at 12.
Aalto University
School of Electrical Engineering
Department of Communications and Networking
Supervising professor
Prof. Jukka Manner, Aalto University, Finland

Preliminary examiners
Prof. Tapani Ristaniemi, University of Jyväskylä, Finland
Prof. Seong-Lyun Kim, Yonsei University, Korea

Opponent
Prof. Mikko Valkama, Tampere University of Technology, Finland
Aalto University publication series
DOCTORAL DISSERTATIONS 29/2017

© Árpád Drozdy

ISBN 978-952-60-7303-3 (printed)
ISBN 978-952-60-7302-6 (pdf)
ISSN-L 1799-4934
ISSN 1799-4934 (printed)
ISSN 1799-4942 (pdf)
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7302-6

Unigrafia Oy
Helsinki 2017

Finland
Abstract
Aalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto www.aalto.fi
Author
Árpád Drozdy
Name of the doctoral dissertation
Evolution of Mobile Backhaul
Publisher School of Electrical Engineering
Unit Department of Communications and Networking
Series Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS 29/2017
Field of research Networking technology
Manuscript submitted 13 February 2017 Date of the defence 20 March 2017
Permission to publish granted (date) 31 January 2017 Language English
Monograph Article dissertation Essay dissertation
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.
Keywords backhaul, wireless networks, 3G, 4G, 5G, femtocells, packet bundling, packet
multiplexing, CoMP, cognitive radio, multi-hop backhaul, rain fading
ISBN (printed) 978-952-60-7303-3 ISBN (pdf) 978-952-60-7302-6
ISSN-L 1799-4934 ISSN (printed) 1799-4934 ISSN (pdf) 1799-4942
Location of publisher Helsinki Location of printing Helsinki Year 2017
Pages 190 urn http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7302-6

Tiivistelmä
Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 Aalto www.aalto.fi
Tekijä
Árpád Drozdy
Väitöskirjan nimi
Matkapuhelintukiasemien siirtoverkon evoluutio
Julkaisija Sähkötekniikan korkeakoulu
Yksikkö Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos
Sarja Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS 29/2017
Tutkimusala Tietoverkkotekniikka
Käsikirjoituksen pvm 13.02.2017 Väitöspäivä 20.03.2017
Julkaisuluvan myöntämispäivä 31.01.2017 Kieli Englanti
Monografia Artikkeliväitöskirja Esseeväitöskirja
Tiivistelmä
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.
Avainsanat matkapuhelintukiasemien siirtoverkko, langattomat verkot, 3G, 4G, 5G, femto-solu,
pakettien yhteenpakkaus, pakettien multipleksointi, CoMP, kognitiivinen radio,
monihyppyinen backhaul, sadevaimennus
ISBN (painettu) 978-952-60-7303-3 ISBN (pdf) 978-952-60-7302-6
ISSN-L 1799-4934 ISSN (painettu) 1799-4934 ISSN (pdf) 1799-4942
Julkaisupaikka Helsinki Painopaikka Helsinki Vuosi 2017
Sivumäärä 190 urn http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7302-6

Preface
First and foremost, I would like to thank Csaba Vulkán. All I
know about the subject of this dissertation I learnt from him.
Additionally, he set an example of flawless work, which I could
only try to follow. Without the countless hours he spent on me,
this dissertation would never have been completed.
I am also indebted to the Finnish experts at Nokia, Jouko
Kapanen, Pekka Wainio, Juha Salmelin and Jyri Putkonen for
the many years of continued cooperation. Without their sup-
port, I do not know how I could have managed.
My Hungarian colleagues and co-authors at Nokia must also
be acknowledged: Balázs Héder, László Kőrössy, Zoltán Vincze,
Attila Rákos, Csaba Deák, Péter Szilágyi, Lajos Bajzik, Zsolt
Lakatos, Norbert Radics, Tamás Kárász, Szabolcs Novácki, and
Zoltán Nagy, not to mention a few others, for the many fruitful
years that we worked together.
I also wish to thank my professor, János Bitó, under whose
tutelage I spent most of my post-grad years; he strived to sup-
port me to the end.
Thanks should also be expressed to Péter Kántor for the work
that we did together.
For his kind-heartedness and essential role in the completion
of this dissertation, I must mention Harri Okkonen.
Furthermore, I am especially obliged to my current professor,
Jukka Manner, who not only invited me to Aalto University,
thus providing me with the means to finish my dissertation, but
also believed in me.
1
Preface
One other person I wish to thank is Anya Siddiqi who has
been a blessing to this text by spending many an hour editing
each line with the author.
This work starts with 3G systems, continues with 4G systems,
and concludes with future 5G systems. Simulations of the
previous 2G generation telecommunication systems,
specifically GSM, were already covered by the previous
generation, specifically my father, whom I also must thank.
Espoo, September 2016
Árpád Drozdy
2
Contents
Preface .......................................................................................... 1
List of Publications ...................................................................... 7
Author’s Contribution ................................................................. 9
List of Abbreviations .................................................................. 11
Introduction ................................................................................17
1.1 Motivation .................................................................. 18
1.2 Scope ........................................................................... 18
1.3 Research Question and Methodology ....................... 19
1.4 Contribution and Results........................................... 21
1.5 Structure of Dissertation ........................................... 22
2. Mobile backhaul ............................................................. 23
2.1 Backhaul Costs ........................................................... 24
2.2 Dimensioning Backhaul ............................................. 25
2.3 Backhaul Technologies .............................................. 26
2.4 Backhaul Architecture Evolution .............................. 27
2.5 Summary ..................................................................... 31
3. Femtocells for 3.5G ........................................................ 33
3.1 Introduction to Femtocells ........................................ 34
3.2 Interference Issues ..................................................... 36
3.3 The Business Case for Femtocells ............................. 38
3.4 Femtocell Network Integration ................................. 39
3.5 Purpose of the Femtocell Simulations ...................... 41
3.6 Simulation Results ..................................................... 43
3