LTE Carrier Aggregation Deployment – From Standardization to Deployment

Purpose: The objective of this research was to investigate LTE Carrier Aggregation commercial deployment and how soon it happened after standardization finalization. Because LTE Carrier Aggregation feature was expected to be important feature there is good reason to expect its deployment for real commercial markets.   Theoretical framework: The literature at time when standardization was ongoing predicted and speculated Carrier Aggregation feature as promising deployment selection. However there is room to investigate whether Carrier Aggregation happened shortly after standard specification work finalized.    Design/methodology/approach: Used methodology was to gather network operators’ and equipment manufacturers’ intentions for LTE Carrier Aggregation commercial deployment purposes during and after standardization finalization. Information found from public sources where commercial deployment intentions launched by companies.      Findings: The research showed that after and already before standardization finalized there were immediate intentions for LTE Carrier Aggregation deployment. Commercial trials appeared within one year and real commercial deployments appeared within two years from standardization finalization. That means soon deployments in commercial markets when considering deployment in licensed band.   Research, Practical & Social implications: For future works there could be study why not LTE Carrier Aggregation solutions in unlicensed band was not successful and whether there will be changes when going towards 5G standard related deployments.   Originality/value: This article is an academic contribution for innovation feature commercial deployment in telecommunications industry and investigation whether LTE Carrier Aggregation feature deployment happened as soon as expected

Improved planning and resource management in next generation green mobile communication networks

In upcoming years, mobile communication networks will experience a disruptive reinventing process through the deployment of post 5th Generation (5G) mobile networks. Profound impacts are expected on network planning processes, maintenance and operations, on mobile services, subscribers with major changes in their data consumption and generation behaviours, as well as on devices itself, with a myriad of different equipment communicating over such networks. Post 5G will be characterized by a profound transformation of several aspects: processes, technology, economic, social, but also environmental aspects, with energy efficiency and carbon neutrality playing an important role. It will represent a network of networks: where different types of access networks will coexist, an increasing diversity of devices of different nature, massive cloud computing utilization and subscribers with unprecedented data-consuming behaviours. All at greater throughput and quality of service, as unseen in previous generations. The present research work uses 5G new radio (NR) latest release as baseline for developing the research activities, with future networks post 5G NR in focus. Two approaches were followed: i) method re-engineering, to propose new mechanisms and overcome existing or predictably existing limitations and ii) concept design and innovation, to propose and present innovative methods or mechanisms to enhance and improve the design, planning, operation, maintenance and optimization of 5G networks. Four main research areas were addressed, focusing on optimization and enhancement of 5G NR future networks, the usage of edge virtualized functions, subscriber’s behavior towards the generation of data and a carbon sequestering model aiming to achieve carbon neutrality. Several contributions have been made and demonstrated, either through models of methodologies that will, on each of the research areas, provide significant improvements and enhancements from the planning phase to the operational phase, always focusing on optimizing resource management. All the contributions are retro compatible with 5G NR and can also be applied to what starts being foreseen as future mobile networks. From the subscriber’s perspective and the ultimate goal of providing the best quality of experience possible, still considering the mobile network operator’s (MNO) perspective, the different proposed or developed approaches resulted in optimization methods for the numerous problems identified throughout the work. Overall, all of such contributed individually but aggregately as a whole to improve and enhance globally future mobile networks. Therefore, an answer to the main question was provided: how to further optimize a next-generation network - developed with optimization in mind - making it even more efficient while, simultaneously, becoming neutral concerning carbon emissions. The developed model for MNOs which aimed to achieve carbon neutrality through CO2 sequestration together with the subscriber’s behaviour model - topics still not deeply focused nowadays – are two of the main contributions of this thesis and of utmost importance for post-5G networks.Nos próximos anos espera-se que as redes de comunicações móveis se reinventem para lá da 5ª Geração (5G), com impactos profundos ao nível da forma como são planeadas, mantidas e operacionalizadas, ao nível do comportamento dos subscritores de serviços móveis, e através de uma miríade de dispositivos a comunicar através das mesmas. Estas redes serão profundamente transformadoras em termos tecnológicos, económicos, sociais, mas também ambientais, sendo a eficiência energética e a neutralidade carbónica aspetos que sofrem uma profunda melhoria. Paradoxalmente, numa rede em que coexistirão diferentes tipos de redes de acesso, mais dispositivos, utilização massiva de sistema de computação em nuvem, e subscritores com comportamentos de consumo de serviços inéditos nas gerações anteriores. O trabalho desenvolvido utiliza como base a release mais recente das redes 5G NR (New Radio), sendo o principal focus as redes pós-5G. Foi adotada uma abordagem de "reengenharia de métodos” (com o objetivo de propor mecanismos para resolver limitações existentes ou previsíveis) e de “inovação e design de conceitos”, em que são apresentadas técnicas e metodologias inovadoras, com o principal objetivo de contribuir para um desenho e operação otimizadas desta geração de redes celulares. Quatro grandes áreas de investigação foram endereçadas, contribuindo individualmente para um todo: melhorias e otimização generalizada de redes pós-5G, a utilização de virtualização de funções de rede, a análise comportamental dos subscritores no respeitante à geração e consumo de tráfego e finalmente, um modelo de sequestro de carbono com o objetivo de compensar as emissões produzidas por esse tipo de redes que se prevê ser massiva, almejando atingir a neutralidade carbónica. Como resultado deste trabalho, foram feitas e demonstradas várias contribuições, através de modelos ou metodologias, representando em cada área de investigação melhorias e otimizações, que, todas contribuindo para o mesmo objetivo, tiveram em consideração a retro compatibilidade e aplicabilidade ao que se prevê que sejam as futuras redes pós 5G. Focando sempre na perspetiva do subscritor da melhor experiência possível, mas também no lado do operador de serviço móvel – que pretende otimizar as suas redes, reduzir custos e maximizar o nível de qualidade de serviço prestado - as diferentes abordagens que foram desenvolvidas ou propostas, tiveram como resultado a resolução ou otimização dos diferentes problemas identificados, contribuindo de forma agregada para a melhoria do sistema no seu todo, respondendo à questão principal de como otimizar ainda mais uma rede desenvolvida para ser extremamente eficiente, tornando-a, simultaneamente, neutra em termos de emissões de carbono. Das principais contribuições deste trabalho relevam-se precisamente o modelo de compensação das emissões de CO2, com vista à neutralidade carbónica e um modelo de análise comportamental dos subscritores, dois temas ainda pouco explorados e extremamente importantes em contexto de redes futuras pós-5G

Optimization of 5G Second Phase Heterogeneous Radio Access Networks with Small Cells

Due to the exponential increase in high data-demanding applications and their services per coverage area, it is becoming challenging for the existing cellular network to handle the massive sum of users with their demands. It is conceded to network operators that the current wireless network may not be capable to shelter future traffic demands. To overcome the challenges the operators are taking interest in efficiently deploying the heterogeneous network. Currently, 5G is in the commercialization phase. Network evolution with addition of small cells will develop the existing wireless network with its enriched capabilities and innovative features. Presently, the 5G global standardization has introduced the 5G New Radio (NR) under the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). It can support a wide range of frequency bands (<6 GHz to 100 GHz). For different trends and verticals, 5G NR encounters, functional splitting and its cost evaluation are well-thought-out. The aspects of network slicing to the assessment of the business opportunities and allied standardization endeavours are illustrated. The study explores the carrier aggregation (Pico cellular) technique for 4G to bring high spectral efficiency with the support of small cell massification while benefiting from statistical multiplexing gain. One has been able to obtain values for the goodput considering CA in LTE-Sim (4G), of 40 Mbps for a cell radius of 500 m and of 29 Mbps for a cell radius of 50 m, which is 3 times higher than without CA scenario (2.6 GHz plus 3.5 GHz frequency bands). Heterogeneous networks have been under investigation for many years. Heterogeneous network can improve users service quality and resource utilization compared to homogeneous networks. Quality of service can be enhanced by putting the small cells (Femtocells or Picocells) inside the Microcells or Macrocells coverage area. Deploying indoor Femtocells for 5G inside the Macro cellular network can reduce the network cost. Some service providers have started their solutions for indoor users but there are still many challenges to be addressed. The 5G air-simulator is updated to deploy indoor Femto-cell with proposed assumptions with uniform distribution. For all the possible combinations of apartments side length and transmitter power, the maximum number of supported numbers surpassed the number of users by more than two times compared to papers mentioned in the literature. Within outdoor environments, this study also proposed small cells optimization by putting the Pico cells within a Macro cell to obtain low latency and high data rate with the statistical multiplexing gain of the associated users. Results are presented 5G NR functional split six and split seven, for three frequency bands (2.6 GHz, 3.5GHz and 5.62 GHz). Based on the analysis for shorter radius values, the best is to select the 2.6 GHz to achieve lower PLR and to support a higher number of users, with better goodput, and higher profit (for cell radius u to 400 m). In 4G, with CA, from the analysis of the economic trade-off with Picocell, the Enhanced multi-band scheduler EMBS provide higher revenue, compared to those without CA. It is clearly shown that the profit of CA is more than 4 times than in the without CA scenario. This means that the slight increase in the cost of CA gives back more than 4-time profit relatively to the ”without” CA scenario.Devido ao aumento exponencial de aplicações/serviços de elevado débito por unidade de área, torna-se bastante exigente, para a rede celular existente, lidar com a enormes quantidades de utilizadores e seus requisitos. É reconhecido que as redes móveis e sem fios atuais podem não conseguir suportar a procura de tráfego junto dos operadores. Para responder a estes desafios, os operadores estão-se a interessar pelo desenvolvimento de redes heterogéneas eficientes. Atualmente, a 5G está na fase de comercialização. A evolução destas redes concretizar-se-á com a introdução de pequenas células com aptidões melhoradas e características inovadoras. No presente, os organismos de normalização da 5G globais introduziram os Novos Rádios (NR) 5G no contexto do 3rd Generation Partnership Project (3GPP). A 5G pode suportar uma gama alargada de bandas de frequência (<6 a 100 GHz). Abordam-se as divisões funcionais e avaliam-se os seus custos para as diferentes tendências e verticais dos NR 5G. Ilustram-se desde os aspetos de particionamento funcional da rede à avaliação das oportunidades de negócio, aliadas aos esforços de normalização. Exploram-se as técnicas de agregação de espetro (do inglês, CA) para pico células, em 4G, a disponibilização de eficiência espetral, com o suporte da massificação de pequenas células, e o ganho de multiplexagem estatística associado. Obtiveram-se valores do débito binário útil, considerando CA no LTE-Sim (4G), de 40 e 29 Mb/s para células de raios 500 e 50 m, respetivamente, três vezes superiores em relação ao caso sem CA (bandas de 2.6 mais 3.5 GHz). Nas redes heterogéneas, alvo de investigação há vários anos, a qualidade de serviço e a utilização de recursos podem ser melhoradas colocando pequenas células (femto- ou pico-células) dentro da área de cobertura de micro- ou macro-células). O desenvolvimento de pequenas células 5G dentro da rede com macro-células pode reduzir os custos da rede. Alguns prestadores de serviços iniciaram as suas soluções para ambientes de interior, mas ainda existem muitos desafios a ser ultrapassados. Atualizou-se o 5G air simulator para representar a implantação de femto-células de interior com os pressupostos propostos e distribuição espacial uniforme. Para todas as combinações possíveis do comprimento lado do apartamento, o número máximo de utilizadores suportado ultrapassou o número de utilizadores suportado (na literatura) em mais de duas vezes. Em ambientes de exterior, propuseram-se pico-células no interior de macro-células, de forma a obter atraso extremo-a-extremo reduzido e taxa de transmissão dados elevada, resultante do ganho de multiplexagem estatística associado. Apresentam-se resultados para as divisões funcionais seis e sete dos NR 5G, para 2.6 GHz, 3.5GHz e 5.62 GHz. Para raios das células curtos, a melhor solução será selecionar a banda dos 2.6 GHz para alcançar PLR (do inglês, PLR) reduzido e suportar um maior número de utilizadores, com débito binário útil e lucro mais elevados (para raios das células até 400 m). Em 4G, com CA, da análise do equilíbrio custos-proveitos com pico-células, o escalonamento multi-banda EMBS (do inglês, Enhanced Multi-band Scheduler) disponibiliza proveitos superiores em comparação com o caso sem CA. Mostra-se claramente que lucro com CA é mais de quatro vezes superior do que no cenário sem CA, o que significa que um aumento ligeiro no custo com CA resulta num aumento de 4-vezes no lucro relativamente ao cenário sem CA