A use case of low power wide area networks in future 5G healthcare applications

Abstract. The trend in all cellular evolution to the Long-Term Evolution (LTE) has always been to offer users continuously increasing data rates. However, the next leap forwards towards the 5th Generation Mobile Networks (5G) will be mainly addressing the needs of devices. Machines communicating with each other, sensors reporting to a server, or even machines communicating with humans, these are all different aspects of the same technology; the Internet of Things (IoT). The key differentiator between Machine-to-Machine (M2M) communications and IoT will be the added -feature of connecting devices and sensors not only to themselves, but also to the internet. The appropriate communications network is the key to allow this connectivity. Local Area Networks (LANs) and Wide Area Networks (WANs) have been thought of as enablers for IoT, but since they both suffered from limitations in IoT aspects, the need for a new enabling technology was evident. LPWANs are networks dedicated to catering for the needs of IoT such as providing low energy consumption for wireless devices. LPWANs can be categorized into proprietary LPWANs and cellular LPWANs. Proprietary LPWANs are created by an alliance of companies working together on creating a communications standard operating in unlicensed frequency bands. An example of proprietary LPWANs is LoRa. Whereas cellular LPWANs are standardized by the 3rd Partnership Project (3GPP) and they are basically versions of the LTE standard especially designed for machine communications. An example of cellular LPWANs is Narrowband IoT (NB IoT). This diploma thesis documents the usage of LoRa and NB IoT in a healthcare use case of IoT. It describes the steps and challenges of deploying an LTE network at a target site, which will be used by the LoRa and NB IoT sensors to transmit data through the 5G test network (5GTN) to a desired server location for storing and later analysis.Matalan tehonkulutuksen ja pitkänkantaman teknologian käyttötapaus tulevaisuuden 5G:tä hyödyntävissä terveydenhoidon sovelluksissa. Tiivistelmä. Pitemmän aikavälin tarkastelussa matkaviestintäteknologian kehittyminen nykyisin käytössä olevaan Long-Term Evolution (LTE) teknologiaan on tarkoittanut käyttäjille yhä suurempia datanopeuksia. Seuraavassa askeleessa kohti 5. sukupolven matkaviestintäverkkoja (5G) lähestytään kehitystä myös laitteiden tarpeiden lähtökohdista. Toistensa kanssa kommunikoivat koneet, palvelimille dataa lähettävät anturit tai jopa ihmisten kanssa kommunikoivat koneet ovat kaikki eri puolia samasta teknologisesta käsitteestä; esineiden internetistä (IoT). Oleellisin ero koneiden välisessä kommunikoinnissa (M2M) ja IoT:ssä on, että erinäiset laitteet tulevat olemaan yhdistettyinä paitsi toisiinsa myös internettiin. Tätä kytkentäisyyttä varten tarvitaan tarkoitukseen kehitetty matkaviestinverkko. Sekä lähiverkkoja (LAN) että suuralueverkkoja (WAN) on pidetty mahdollisina IoT mahdollistajina, mutta näiden molempien käsitteiden alle kuuluvissa teknologioissa on rajoitteita IoT:n vaatimusten lähtökohdista, joten uuden teknologian kehittäminen oli tarpeellista. Matalan tehonkulutuksen suuralueverkko (LP-WAN) on käsite, johon luokitellaan eri teknologioita, joita on kehitetty erityisesti IoT:n tarpeista lähtien. LP-WAN voidaan jaotella ainakin itse kehitettyihin ja matkaviestinverkkoihin perustuviin teknologisiin ratkaisuihin. Itse kehitetyt ratkaisut on luotu lukuisten yritysten yhteenliittymissä eli alliansseissa ja nämä ratkaisut keskittyvät lisensoimattomilla taajuuksilla toimiviin langattomiin ratkaisuihin, joista esimerkkinä laajasti käytössä oleva LoRa. Matkaviestinverkkoihin perustuvat lisensoiduilla taajuuksilla toimivat ratkaisut on puolestaan erikseen standardoitu 3GPP-nimisessä yhteenliittymässä, joka nykyisellään vastaa 2G, 3G ja LTE:n standardoiduista päätöksistä. Esimerkki 3GPP:n alaisesta LPWAN-luokkaan kuuluvasta teknologiasta on kapea kaistainen IoT-teknologia, NB-IoT. Tässä diplomityössä keskitytään terveydenhoidon käyttötapaukseen, missä antureiden mittaamaa tietoa siirretään langattomasti käyttäen sekä LoRa että NB-IoT teknologioita. Työssä kuvataan eri vaiheet ja haasteet, joita liittyi kun rakennetaan erikseen tiettyyn kohteeseen LTE-verkon radiopeitto, jotta LoRa:a ja NB-IoT:a käyttävät anturit saadaan välittämään mitattua dataa halutulle palvelimelle säilytykseen ja myöhempää analysointia varten. LTE-radiopeiton rakensi Oulun yliopiston omistama 5G testiverkko, jonka tarkoitus on tukea sekä tutkimusta että ympäröivää ekosysteemiä tulevaisuuden 5G:n kehityksessä

Towards Massive Machine Type Communications in Ultra-Dense Cellular IoT Networks: Current Issues and Machine Learning-Assisted Solutions

The ever-increasing number of resource-constrained Machine-Type Communication (MTC) devices is leading to the critical challenge of fulfilling diverse communication requirements in dynamic and ultra-dense wireless environments. Among different application scenarios that the upcoming 5G and beyond cellular networks are expected to support, such as eMBB, mMTC and URLLC, mMTC brings the unique technical challenge of supporting a huge number of MTC devices, which is the main focus of this paper. The related challenges include QoS provisioning, handling highly dynamic and sporadic MTC traffic, huge signalling overhead and Radio Access Network (RAN) congestion. In this regard, this paper aims to identify and analyze the involved technical issues, to review recent advances, to highlight potential solutions and to propose new research directions. First, starting with an overview of mMTC features and QoS provisioning issues, we present the key enablers for mMTC in cellular networks. Along with the highlights on the inefficiency of the legacy Random Access (RA) procedure in the mMTC scenario, we then present the key features and channel access mechanisms in the emerging cellular IoT standards, namely, LTE-M and NB-IoT. Subsequently, we present a framework for the performance analysis of transmission scheduling with the QoS support along with the issues involved in short data packet transmission. Next, we provide a detailed overview of the existing and emerging solutions towards addressing RAN congestion problem, and then identify potential advantages, challenges and use cases for the applications of emerging Machine Learning (ML) techniques in ultra-dense cellular networks. Out of several ML techniques, we focus on the application of low-complexity Q-learning approach in the mMTC scenarios. Finally, we discuss some open research challenges and promising future research directions.Comment: 37 pages, 8 figures, 7 tables, submitted for a possible future publication in IEEE Communications Surveys and Tutorial