3GPP Long Term Evolution: Performance Analysis and Evolution towards 4G with Coordinated Multi-Point Transmission

Abstract

[EN] In today's information society, there is a growing need to access data communication services ubiquitously, with mobility and increasingly higher data rates. This society's demand has motivated the development of the fourth generation of mobile communications (4G) and its evolution towards the fifth generation (5G). This development has required a revolution on the radio interface of the mobile communications systems, and, consequently, has significantly modified their capabilities and their radio resource management. This is the case of the technology known as Long Term Evolution (LTE) and its 4G version called LTE-Advanced. This Doctoral Thesis addresses the modelling, the radio resource management analysis, and the performance evaluation of the downlink of LTE and LTE-Advanced where, among the different features of LTE-Advanced, the focus is on the Coordinated Multi-Point (CoMP) transmission. The Thesis provides a detailed description of the main characteristics of LTE and LTE-Advanced. The high complexity of these systems, has prompted the use of computer simulations as the primary research methodology. The Thesis makes a detailed description of the simulation methodology and the system modelling required, including some contributions of the author in this field. Among them, it is of significant relevance the link-level simulation results used in the European project WINNER + for the LTE evaluation. With regard to the analysis of the radio resource management in LTE, the fundamentals of link adaptation and scheduling are explained in the first place. In relation to the scheduling, the Thesis includes a thorough study of the proportional fairness concept and the suboptimal implementation typically used in LTE to maximize this metric. This study has resulted in a series of ideas embodied in a modification of the typical implementation, which has proved to be capable of increasing the proportional fairness of the resource allocations. Moreover, the link adaptation analysis has revealed the "flash-light" effect problem, which is characterized by a high interference variability due to rapid changes in the scheduling decisions. The Thesis demonstrates that a particular implementation that stabilizes the scheduling decisions can improve the system performance. The radio resource management analysis of this Thesis is completed with the study of CoMP. Specifically, the CoMP scheme studied in this Thesis is a solution with coordinated scheduling and beamforming (CS/CB), that takes into account realistic and robust assumptions concerning the knowledge that the coordinated points have about the channel state. The Thesis proposes this solution for its simplicity and its ability to improve high data rates coverage and capacity even with incomplete channel knowledge. Concerning LTE and LTE-Advanced evaluation, it is performed in two different types of scenarios. On the one hand, the scenarios defined in the process of evaluation of IMT-Advanced. In this framework, it is evaluated the importance of different multi-antenna techniques, including CoMP, considering full-buffer traffic models. The most important conclusions in these scenarios are the significant performance improvement achieved with spatial multiplexing of users and the fact that CoMP mechanisms provide a reduced benefit. The second group of scenarios are those defined by the European project METIS for the evaluation of 5G technologies. Specifically, an indoor office scenario and an outdoor sports stadium have been selected. In these scenarios, a realistic traffic model is used, and it has been demonstrated the utility of CoMP to satisfy the first 5G requirement definitions with feasible frequency bandwidths. In these scenarios with less homogeneous deployments, or with a limited number of transmitters originating the major part of interference, is where this Thesis has found CoMP to be more useful and where the Thesis promotes its use.

[ES] En la actual sociedad, hay una creciente necesidad de acceso a servicios de comunicación de datos de forma ubicua, móvil y a velocidades cada vez más altas. Esta demanda ha motivado el desarrollo de la cuarta generación de comunicaciones móviles (4G) y su evolución hacia la quinta generación (5G). Este desarrollo ha requerido una revolución en la interfaz radio de los sistemas de comunicaciones móviles modificando en gran medida sus capacidades y la forma en la que se gestionan sus recursos. Este es el caso de la tecnología conocida como Long Term Evolution (LTE) y su versión 4G llamada LTE-Advanced. En concreto, esta Tesis Doctoral aborda el modelado, análisis de la gestión de recursos radio y evaluación de prestaciones del enlace descendente de LTE y LTE-Advanced, donde, de entre las características de LTE-Advanced, se ha puesto el foco de atención en la transmisión multipunto coordinada (CoMP). La Tesis proporciona una descripción detallada de las principales características de LTE y LTE-Advanced. La gran complejidad del sistema descrito ha motivado que la metodología de estudio haya sido la simulación mediante ordenador. La Tesis realiza una descripción detallada de dicha metodología y del modelado del sistema empleado, incluyendo algunas aportaciones del autor en este campo. De entre éstas, destaca la provisión de resultados de simulación de nivel de enlace que se usaron en el proyecto europeo WINNER+ para la evaluación de LTE. En cuanto al análisis de la gestión de recursos radio en LTE, en primer lugar, se explican los fundamentos de la adaptación al enlace y el scheduling. En relación con el scheduling, se realiza un estudio del concepto de proportional fairness y de la implementación subóptima típicamente usada en LTE para maximizar esta métrica. Este estudio ha dado como resultado una modificación de la implementación típica que ha demostrado ser capaz de aumentar la proportional fairness en la asignación de recursos con un bajo incremento de complejidad. Además, el análisis de la adaptación al enlace ha revelado el problema del efecto de "luz de flash" consistente en la alta variabilidad de la interferencia debida a rápidos cambios en las decisiones del scheduler. La Tesis demuestra que se pueden mejorar las prestaciones del sistema estabilizando dichas decisiones mediante una implementación concreta. El bloque de análisis de la gestión de recursos se completa con el estudio de CoMP. Específicamente, se estudia una solución con coordinación de scheduling y conformación de haz (CS/CB) que tiene en cuenta suposiciones reales y robustas en cuanto al conocimiento que los puntos coordinados tienen de los canales radio. La Tesis propone esta solución por su sencillez y capacidad de mejorar la eficiencia de los sistemas de comunicaciones móviles, tanto en cobertura de velocidades altas de transmisión como en capacidad, aun teniendo un conocimiento incompleto del canal. En cuanto a la evaluación de LTE y LTE-Advanced, ésta se realiza en dos tipos de escenarios. Por un lado, los escenarios definidos en el proceso de evaluación de IMT-Advanced. En este marco, se evalúa la importancia de diferentes técnicas de transmisión multiantena, incluyendo CoMP, y considerando tráfico de tipo full-buffer. Se ha obtenido una gran mejora de prestaciones por la multiplexación espacial de usuarios y mejoras discretas por el uso de CoMP. El segundo grupo de escenarios son los definidos por el proyecto europeo METIS para evaluación de tecnologías 5G, concretamente se han elegido un escenario de interiores con una oficina, y uno de exteriores con un estadio deportivo. En estos escenarios se utiliza un tráfico realista y se ha demostrado la utilidad de CoMP para mejorar las prestaciones del sistema. En estos escenarios con despliegues menos uniformes, o con un número limitado de transmisores provocando la mayor parte de la interferencia, es donde esta Tesis ha encontrado la mayor u

[CA] En l'actual societat de la informació, hi ha una creixent necessitat d'accés a serveis de comunicació de dades de forma ubiqua, mòbil i a velocitats cada vegada més altes. Aquesta demanda de la societat, ha motivat el desenrotllament de la quarta generació de comunicacions mòbils (4G) i la seua evolució cap a la quinta generació (5G). Aquest desenrotllament ha requerit una revolució en la interfície ràdio dels sistemes de comunicacions mòbils i ha modificat en gran manera les seues capacitats i la forma en què es gestionen els seus recursos. Aquest és el cas de la tecnologia coneguda com a Long Term Evolution (LTE) i la seua versió 4G anomenada LTE-Advanced. En concret, aquesta Tesi Doctoral aborda el modelatge, anàlisi de la gestió de recursos ràdio i avaluació de prestacions de l'enllaç descendent de LTE i LTE-Advanced, on, d'entre les característiques de LTE-Advanced, s'ha posat el centre d'atenció en la transmissió multipunt coordinada (CoMP). La Tesi proporciona una descripció detallada de les principals característiques de LTE i LTE-Advanced. La gran complexitat del sistema descrit ha motivat que la metodologia d'estudi s'haja basat en simulació per mitjà d'ordinador. La Tesi realitza una descripció detallada de la metodologia de simulació i del modelatge del sistema empleat, incloent-hi algunes aportacions de l'autor en aquest camp. D'entre aquestes, destaca la provisió de resultats de simulació de nivell d'enllaç que es van usar en el projecte europeu WINNER+ per a l'avaluació de LTE. Pel que fa a l'anàlisi de la gestió de recursos ràdio en LTE, en primer lloc, s'expliquen els fonaments de l'adaptació a l'enllaç i el scheduling. En relació amb el scheduling, es realitza un estudi del concepte de proportional fairness i de la implementació subòptima típicament usada en LTE per a maximitzar aquesta mètrica. L'estudi ha donat com a resultat una modificació de la implementació típica que ha demostrat ser capaç d'augmentar la proportional fairness en l'assignació de recursos amb un baix increment de complexitat. A més, l'anàlisi de l'adaptació a l'enllaç ha desvetllat el problema de l'efecte de "llum de flaix" consistent en la alta variabilitat de la interferència deguda a una ràpida variació de les assignacions de recursos. La Tesi demostra que es poden millorar les prestacions del sistema estabilitzant les decisions del scheduler mitjançant una implementació concreta. En el bloc d'anàlisi de la gestió de recursos d'aquesta Tesi es completa amb l'estudi de CoMP. Específicament, s'estudia una solució amb coordinació de scheduling i conformació de feix (CS/CB), que té en compte suposicions reals i robustes quant al coneixement que els punts coordinats tenen dels canals ràdio dels usuaris servits. La Tesi proposa aquesta solució per la seua senzillesa i capacitat de millorar l'eficiència dels sistemes de comunicacions mòbils, tant en cobertura de velocitats altes de transmissió com en capacitat, encara tenint un coneixement incomplet del canal. Quant a l'avaluació de LTE i LTE-Advanced, aquesta es realitza en dos tipus d'escenaris diferents. D'una banda, els escenaris definits dins del procés d'avaluació de tecnologies IMT-Advanced. Dins d'aquest marc, s'avalua la importància de diferents tècniques de transmissió multi-antena, incloent-hi CoMP, i considerant tràfic de tipus full-buffer. S'ha obtingut una gran millora de prestacions amb la multiplexació espacial d'usuaris i una discreta millora amb CoMP. El segon grup d'escenaris són els definits pel projecte europeu METIS per a l'avaluació de tecnologies 5G, concretament s'han triat un escenari d'interiors amb una oficina, i un d'exteriors amb un estadi esportiu, on s'ha utilitzat un tràfic realista. En aquests escenaris amb desplegaments menys uniformes, o amb un nombre limitat de transmissors provocant la major part de la interferència, és on aquesta Tesi ha trobat la utilitat més gran de