Dynamic Time-domain Duplexing for Self-backhauled Millimeter Wave Cellular Networks

Millimeter wave (mmW) bands between 30 and 300 GHz have attracted considerable attention for next-generation cellular networks due to vast quantities of available spectrum and the possibility of very high-dimensional antenna ar-rays. However, a key issue in these systems is range: mmW signals are extremely vulnerable to shadowing and poor high-frequency propagation. Multi-hop relaying is therefore a natural technology for such systems to improve cell range and cell edge rates without the addition of wired access points. This paper studies the problem of scheduling for a simple infrastructure cellular relay system where communication between wired base stations and User Equipment follow a hierarchical tree structure through fixed relay nodes. Such a systems builds naturally on existing cellular mmW backhaul by adding mmW in the access links. A key feature of the proposed system is that TDD duplexing selections can be made on a link-by-link basis due to directional isolation from other links. We devise an efficient, greedy algorithm for centralized scheduling that maximizes network utility by jointly optimizing the duplexing schedule and resources allocation for dense, relay-enhanced OFDMA/TDD mmW networks. The proposed algorithm can dynamically adapt to loading, channel conditions and traffic demands. Significant throughput gains and improved resource utilization offered by our algorithm over the static, globally-synchronized TDD patterns are demonstrated through simulations based on empirically-derived channel models at 28 GHz.Comment: IEEE Workshop on Next Generation Backhaul/Fronthaul Networks - BackNets 201

Towards 5th Generation Cellular Mobile Networks

Cellular mobile networks have enabled ubiquitous communications and largely changed the way we live and work. At the same time, the network itself has been undergoing significant changes in the process of meeting our ever increasing demands on data rate and quality of service. In this article, we show the path of the evolution in both standards and techniques, and provide our vision for the future of the cellular networks. We review the evolution of international standards for cellular mobile networks in the last two decades, describe how the network layout has been migrating from rigid cellular architecture to random and dense small cells, and provide an indepth discussion on potential enabling techniques for the next generation (5G) cellular networks, particularly massive MIMO and multiband base-station antennas

Técnicas de pré-codificação para sistemas multicelulares coordenados

Doutoramento em TelecomunicaçõesCoordenação Multicélula é um tópico de investigação em rápido crescimento e uma solução promissora para controlar a interferência entre células em sistemas celulares, melhorando a equidade do sistema e aumentando a sua capacidade. Esta tecnologia já está em estudo no LTEAdvanced sob o conceito de coordenação multiponto (COMP). Existem várias abordagens sobre coordenação multicélula, dependendo da quantidade e do tipo de informação partilhada pelas estações base, através da rede de suporte (backhaul network), e do local onde essa informação é processada, i.e., numa unidade de processamento central ou de uma forma distribuída em cada estação base. Nesta tese, são propostas técnicas de pré-codificação e alocação de potência considerando várias estratégias: centralizada, todo o processamento é feito na unidade de processamento central; semidistribuída, neste caso apenas parte do processamento é executado na unidade de processamento central, nomeadamente a potência alocada a cada utilizador servido por cada estação base; e distribuída em que o processamento é feito localmente em cada estação base. Os esquemas propostos são projectados em duas fases: primeiro são propostas soluções de pré-codificação para mitigar ou eliminar a interferência entre células, de seguida o sistema é melhorado através do desenvolvimento de vários esquemas de alocação de potência. São propostas três esquemas de alocação de potência centralizada condicionada a cada estação base e com diferentes relações entre desempenho e complexidade. São também derivados esquemas de alocação distribuídos, assumindo que um sistema multicelular pode ser visto como a sobreposição de vários sistemas com uma única célula. Com base neste conceito foi definido uma taxa de erro média virtual para cada um desses sistemas de célula única que compõem o sistema multicelular, permitindo assim projectar esquemas de alocação de potência completamente distribuídos. Todos os esquemas propostos foram avaliados em cenários realistas, bastante próximos dos considerados no LTE. Os resultados mostram que os esquemas propostos são eficientes a remover a interferência entre células e que o desempenho das técnicas de alocação de potência propostas é claramente superior ao caso de não alocação de potência. O desempenho dos sistemas completamente distribuídos é inferior aos baseados num processamento centralizado, mas em contrapartida podem ser usados em sistemas em que a rede de suporte não permita a troca de grandes quantidades de informação.Multicell coordination is a promising solution for cellular wireless systems to mitigate inter-cell interference, improving system fairness and increasing capacity and thus is already under study in LTE-A under the coordinated multipoint (CoMP) concept. There are several coordinated transmission approaches depending on the amount of information shared by the transmitters through the backhaul network and where the processing takes place i.e. in a central processing unit or in a distributed way on each base station. In this thesis, we propose joint precoding and power allocation techniques considering different strategies: Full-centralized, where all the processing takes place at the central unit; Semi-distributed, in this case only some process related with power allocation is done at the central unit; and Fulldistributed, where all the processing is done locally at each base station. The methods are designed in two phases: first the inter-cell interference is removed by applying a set of centralized or distributed precoding vectors; then the system is further optimized by centralized or distributed power allocation schemes. Three centralized power allocation algorithms with per-BS power constraint and different complexity tradeoffs are proposed. Also distributed power allocation schemes are proposed by considering the multicell system as superposition of single cell systems, where we define the average virtual bit error rate (BER) of interference-free single cell system, allowing us to compute the power allocation coefficients in a distributed manner at each BS. All proposed schemes are evaluated in realistic scenarios considering LTE specifications. The numerical evaluations show that the proposed schemes are efficient in removing inter-cell interference and improve system performance comparing to equal power allocation. Furthermore, fulldistributed schemes can be used when the amounts of information to be exchanged over the backhaul is restricted, although system performance is slightly degraded from semi-distributed and full-centralized schemes, but the complexity is considerably lower. Besides that for high degrees of freedom distributed schemes show similar behaviour to centralized ones