Separation Framework: An Enabler for Cooperative and D2D Communication for Future 5G Networks

Soaring capacity and coverage demands dictate that future cellular networks need to soon migrate towards ultra-dense networks. However, network densification comes with a host of challenges that include compromised energy efficiency, complex interference management, cumbersome mobility management, burdensome signaling overheads and higher backhaul costs. Interestingly, most of the problems, that beleaguer network densification, stem from legacy networks' one common feature i.e., tight coupling between the control and data planes regardless of their degree of heterogeneity and cell density. Consequently, in wake of 5G, control and data planes separation architecture (SARC) has recently been conceived as a promising paradigm that has potential to address most of aforementioned challenges. In this article, we review various proposals that have been presented in literature so far to enable SARC. More specifically, we analyze how and to what degree various SARC proposals address the four main challenges in network densification namely: energy efficiency, system level capacity maximization, interference management and mobility management. We then focus on two salient features of future cellular networks that have not yet been adapted in legacy networks at wide scale and thus remain a hallmark of 5G, i.e., coordinated multipoint (CoMP), and device-to-device (D2D) communications. After providing necessary background on CoMP and D2D, we analyze how SARC can particularly act as a major enabler for CoMP and D2D in context of 5G. This article thus serves as both a tutorial as well as an up to date survey on SARC, CoMP and D2D. Most importantly, the article provides an extensive outlook of challenges and opportunities that lie at the crossroads of these three mutually entangled emerging technologies.Comment: 28 pages, 11 figures, IEEE Communications Surveys & Tutorials 201

Ultra-Reliable Short-Packet Communications: Fundamental Limits and Enabling Technologies

The paradigm shift from 4G to 5G communications, anticipated to enable ultra-reliable low-latency communications (URLLC), will enforce a radical change in the design of wireless communication systems. Unlike in 4G systems, where the main objective is to provide a large transmission rate, in URLLC, as implied by its name, the objective is to enable transmissions with low latency and, simultaneously, very high reliability. Since low latency implies the use of short data packets, the tension between blocklength and reliability is studied in URLLC.Several key enablers for URLLC communications have been designated in the literature. Of special importance are diversity-enabling technologies such as multiantenna systems and feedback protocols. Furthermore, it is not only important to introduce additional diversity by means of the above examples, one must also guarantee that thescarce number of channel uses are used in an optimal way. Therefore, it is imperative to develop design guidelines for how to enable reliable detection of incoming data, how to acquire channel-state information, and how to construct efficient short-packet channel codes. The development of such guidelines is at the heart of this thesis. This thesis focuses on the fundamental performance of URLLC-enabling technologies. Specifically, we provide converse (upper) bounds and achievability (lower) bounds on the maximum coding rate, based on finite-blocklength information theory, for systems that employ the key enablers outlined above. With focus on the wireless channel, modeled via a block-fading assumption, we are able to provide answers to questions like: howto optimally utilize spatial and frequency diversity, how far from optimal short-packet channel codes perform, how multiantenna systems should be designed to serve a given number of users, and how to design feedback schemes when the feedback link is noisy. In particular, this thesis is comprised out of four papers. In Paper A, we study the short-packet performance over the Rician block-fading channel. In particular, we present achievability bounds for pilot-assisted transmission with several different decoders that allow us to quantify the impact, on the achievable performance, of imposed pilots and mismatched decoding. Furthermore, we design short-packet channel codes that perform within 1 dB of our achievability bounds. Paper B studies multiuser massive multiple-input multiple-output systems with short packets. We provide an achievability bound on the average error probability over quasistatic spatially correlated Rayleigh-fading channels. The bound applies to arbitrary multiuser settings, pilot-assisted transmission, and mismatched decoding. This makes it suitable to assess the performance in the uplink/downlink for arbitrary linear signal processing. We show that several lessons learned from infinite-blocklength analyses carry over to the finite-blocklength regime. Furthermore, for the multicell setting with randomly placed users, pilot contamination should be avoided at all cost and minimum mean-squared error signal processing should be used to comply with the stringent requirements of URLLC.In Paper C, we consider sporadic transmissions where the task of the receiver is to both detect and decode an incoming packet. Two novel achievability bounds, and a novel converse bound are presented for joint detection-decoding strategies. It is shown that errors associated with detection deteriorates performance significantly for very short packet sizes. Numerical results also indicate that separate detection-decoding strategies are strictly suboptimal over block-fading channels.Finally, in Paper D, variable-length codes with noisy stop-feedback are studied via a novel achievability bound on the average service time and the average error probability. We use the bound to shed light on the resource allocation problem between the forward and the feedback channel. For URLLC applications, it is shown that enough resources must be assigned to the feedback link such that a NACK-to-ACK error becomes rarer than the target error probability. Furthermore, we illustrate that the variable-length stop-feedback scheme outperforms state-of-the-art fixed-length no-feedback bounds even when the stop-feedback bit is noisy

Ultra Dense Networks Deployment for beyond 2020 Technologies

A new communication paradigm is foreseen for beyond 2020 society, due to the emergence of new broadband services and the Internet of Things era. The set of requirements imposed by these new applications is large and diverse, aiming to provide a ubiquitous broadband connectivity. Research community has been working in the last decade towards the definition of the 5G mobile wireless networks that will provide the proper mechanisms to reach these challenging requirements. In this framework, three key research directions have been identified for the improvement of capacity in 5G: the increase of the spectral efficiency by means of, for example, the use of massive MIMO technology, the use of larger amounts of spectrum by utilizing the millimeter wave band, and the network densification by deploying more base stations per unit area. This dissertation addresses densification as the main enabler for the broadband and massive connectivity required in future 5G networks. To this aim, this Thesis focuses on the study of the UDN. In particular, a set of technology enablers that can lead UDN to achieve their maximum efficiency and performance are investigated, namely, the use of higher frequency bands for the benefit of larger bandwidths, the use of massive MIMO with distributed antenna systems, and the use of distributed radio resource management techniques for the inter-cell interference coordination. Firstly, this Thesis analyzes whether there exists a fundamental performance limit related with densification in cellular networks. To this end, the UDN performance is evaluated by means of an analytical model consisting of a 1-dimensional network deployment with equally spaced BS. The inter-BS distance is decreased until reaching the limit of densification when this distance approaches 0. The achievable rates in networks with different inter-BS distances are analyzed for several levels of transmission power availability, and for various types of cooperation among cells. Moreover, UDN performance is studied in conjunction with the use of a massive number of antennas and larger amounts of spectrum. In particular, the performance of hybrid beamforming and precoding MIMO schemes are assessed in both indoor and outdoor scenarios with multiple cells and users, working in the mmW frequency band. On the one hand, beamforming schemes using the full-connected hybrid architecture are analyzed in BS with limited number of RF chains, identifying the strengths and weaknesses of these schemes in a dense-urban scenario. On the other hand, the performance of different indoor deployment strategies using HP in the mmW band is evaluated, focusing on the use of DAS. More specifically, a DHP suitable for DAS is proposed, comparing its performance with that of HP in other indoor deployment strategies. Lastly, the presence of practical limitations and hardware impairments in the use of hybrid architectures is also investigated. Finally, the investigation of UDN is completed with the study of their main limitation, which is the increasing inter-cell interference in the network. In order to tackle this problem, an eICIC scheduling algorithm based on resource partitioning techniques is proposed. Its performance is evaluated and compared to other scheduling algorithms under several degrees of network densification. After the completion of this study, the potential of UDN to reach the capacity requirements of 5G networks is confirmed. Nevertheless, without the use of larger portions of spectrum, a proper interference management and the use of a massive number of antennas, densification could turn into a serious problem for mobile operators. Performance evaluation results show large system capacity gains with the use of massive MIMO techniques in UDN, and even greater when the antennas are distributed. Furthermore, the application of ICIC techniques reveals that, besides the increase in system capacity, it brings significant energy savings to UDNs.A partir del año 2020 se prevé que un nuevo paradigma de comunicación surja en la sociedad, debido a la aparición de nuevos servicios y la era del Internet de las cosas. El conjunto de requisitos impuesto por estas nuevas aplicaciones es muy amplio y diverso, y tiene como principal objetivo proporcionar conectividad de banda ancha y universal. En las últimas décadas, la comunidad científica ha estado trabajando en la definición de la 5G de redes móviles que brindará los mecanismos necesarios para garantizar estos requisitos. En este marco, se han identificado tres mecanismos clave para conseguir el necesario incremento de capacidad de la red: el aumento de la eficiencia espectral a través de, por ejemplo, el uso de tecnologías MIMO masivas, la utilización de mayores porciones del espectro en frecuencia y la densificación de la red mediante el despliegue de más estaciones base por área. Esta Tesis doctoral aborda la densificación como el principal mecanismo que permitirá la conectividad de banda ancha y universal requerida en la 5G, centrándose en el estudio de las Redes Ultra Densas o UDNs. En concreto, se analiza el conjunto de tecnologías habilitantes que pueden llevar a las UDNs a obtener su máxima eficiencia y prestaciones, incluyendo el uso de altas frecuencias para el aprovechamiento de mayores anchos de banda, la utilización de MIMO masivo con sistemas de antenas distribuidas y el uso de técnicas de reparto de recursos distribuidas para la coordinación de interferencias. En primer lugar, se analiza si existe un límite fundamental en la mejora de las prestaciones en relación a la densificación. Con este fin, las prestaciones de las UDNs se evalúan utilizando un modelo analítico de red unidimensional con BSs equiespaciadas, en el que la distancia entre BSs se disminuye hasta alcanzar el límite de densificación cuando ésta se aproxima a 0. Las tasas alcanzables en redes con distintas distancias entre BSs son analizadas, considerando distintos niveles de potencia disponible en la red y varios grados de cooperación entre celdas. Además, el comportamiento de las UDNs se estudia junto al uso masivo de antenas y la utilización de anchos de banda mayores. Más concretamente, las prestaciones de ciertas técnicas híbridas MIMO de precodificación y beamforming se examinan en la banda milimétrica. Por una parte, se analizan esquemas de beamforming en BSs con arquitectura híbrida en función de la disponibilidad de cadenas de radiofrecuencia en escenarios exteriores. Por otra parte, se evalúan las prestaciones de ciertos esquemas de precodificación híbrida en escenarios interiores, utilizando distintos despliegues y centrando la atención en los sistemas de antenas distribuidos o DAS. Además, se propone un algoritmo de precodificación híbrida específico para DAS, y se evalúan y comparan sus prestaciones con las de otros algoritmos de precodificación utilizados. Por último, se investiga el impacto en las prestaciones de ciertas limitaciones prácticas y deficiencias introducidas por el uso de dispositivos no ideales. Finalmente, el estudio de las UDNs se completa con el análisis de su principal limitación, el nivel creciente de interferencia en la red. Para ello, se propone un algoritmo de control de interferencias basado en la partición de recursos. Sus prestaciones son evaluadas y comparadas con las de otras técnicas de asignación de recursos. Tras este estudio, se puede afirmar que las UDNs tienen gran potencial para la consecución de los requisitos de la 5G. Sin embargo, sin el uso conjunto de mayores porciones del espectro, adecuadas técnicas de control de la interferencia y el uso masivo de antenas, las UDNs pueden convertirse en serios obstáculos para los operadores móviles. Los resultados de la evaluación de prestaciones de estas tecnologías confirman el gran aumento de la capacidad de las redes mediante el uso masivo de antenas y la introducción de mecanismos de IA partir de l'any 2020 es preveu un nou paradigma de comunicació en la societat, degut a l'aparició de nous serveis i la era de la Internet de les coses. El conjunt de requeriments imposat per aquestes noves aplicacions és ampli i divers, i té com a principal objectiu proporcionar connectivitat universal i de banda ampla. En les últimes dècades, la comunitat científica ha estat treballant en la definició de la 5G, que proveirà els mecanismes necessaris per a garantir aquests exigents requeriments. En aquest marc, s'han identificat tres mecanismes claus per a aconseguir l'increment necessari en la capacitat: l'augment de l'eficiència espectral a través de, per exemple, l'ús de tecnologies MIMO massives, la utilització de majors porcions de l'espectre i la densificació mitjançant el desplegament de més estacions base per àrea. Aquesta Tesi aborda la densificació com a principal mecanisme que permetrà la connectivitat de banda ampla i universal requerida en la 5G, centrant-se en l' estudi de les xarxes ultra denses (UDNs). Concretament, el conjunt de tecnologies que poden dur a les UDNs a la seua màxima eficiència i prestacions és analitzat, incloent l'ús d'altes freqüències per a l'aprofitament de majors amplàries de banda, la utilització de MIMO massiu amb sistemes d'antenes distribuïdes i l'ús de tècniques distribuïdes de repartiment de recursos per a la coordinació de la interferència. En primer lloc, aquesta Tesi analitza si existeix un límit fonamental en les prestacions en relació a la densificació. Per això, les prestacions de les UDNs s'avaluen utilitzant un model analític unidimensional amb estacions base equidistants, en les quals la distància entre estacions base es redueix fins assolir el límit de densificació quan aquesta distància s'aproxima a 0. Les taxes assolibles en xarxes amb diferents distàncies entre estacions base s'analitzen considerant diferents nivells de potència i varis graus de cooperació entre cel·les. A més, el comportament de les UDNs s'estudia conjuntament amb l'ús massiu d'antenes i la utilització de majors amplàries de banda. Més concretament, les prestacions de certes tècniques híbrides MIMO de precodificació i beamforming s'examinen en la banda mil·limètrica. D'una banda, els esquemes de beamforming aplicats a estacions base amb arquitectures híbrides és analitzat amb disponibilitat limitada de cadenes de radiofreqüència a un escenari urbà dens. D'altra banda, s'avaluen les prestacions de certs esquemes de precodificació híbrida en escenaris d'interior, utilitzant diferents estratègies de desplegament i centrant l'atenció en els sistemes d' antenes distribuïdes (DAS). A més, es proposa un algoritme de precodificació híbrida distribuïda per a DAS, i s'avaluen i comparen les seues prestacions amb les de altres algoritmes. Per últim, s'investiga l'impacte de les limitacions pràctiques i altres deficiències introduïdes per l'ús de dispositius no ideals en les prestacions de tots els esquemes anteriors. Finalment, l' estudi de les UDNs es completa amb l'anàlisi de la seua principal limitació, el nivell creixent d'interferència entre cel·les. Per tractar aquest problema, es proposa un algoritme de control d'interferències basat en la partició de recursos. Les prestacions de l'algoritme proposat s'avaluen i comparen amb les d'altres tècniques d'assignació de recursos. Una vegada completat aquest estudi, es pot afirmar que les UDNs tenen un gran potencial per aconseguir els ambiciosos requeriments plantejats per a la 5G. Tanmateix, sense l'ús conjunt de majors amplàries de banda, apropiades tècniques de control de la interferència i l'ús massiu d'antenes, les UDNs poden convertir-se en seriosos obstacles per als operadors mòbils. Els resultats de l'avaluació de prestacions d' aquestes tecnologies confirmen el gran augment de la capacitat de les xarxes obtingut mitjançant l'ús massiu d'antenes i la introducciGiménez Colás, S. (2017). Ultra Dense Networks Deployment for beyond 2020 Technologies [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86204TESI