An Efficient Uplink Multi-Connectivity Scheme for 5G mmWave Control Plane Applications

The millimeter wave (mmWave) frequencies offer the potential of orders of magnitude increases in capacity for next-generation cellular systems. However, links in mmWave networks are susceptible to blockage and may suffer from rapid variations in quality. Connectivity to multiple cells - at mmWave and/or traditional frequencies - is considered essential for robust communication. One of the challenges in supporting multi-connectivity in mmWaves is the requirement for the network to track the direction of each link in addition to its power and timing. To address this challenge, we implement a novel uplink measurement system that, with the joint help of a local coordinator operating in the legacy band, guarantees continuous monitoring of the channel propagation conditions and allows for the design of efficient control plane applications, including handover, beam tracking and initial access. We show that an uplink-based multi-connectivity approach enables less consuming, better performing, faster and more stable cell selection and scheduling decisions with respect to a traditional downlink-based standalone scheme. Moreover, we argue that the presented framework guarantees (i) efficient tracking of the user in the presence of the channel dynamics expected at mmWaves, and (ii) fast reaction to situations in which the primary propagation path is blocked or not available.Comment: Submitted for publication in IEEE Transactions on Wireless Communications (TWC

사용자 중심의 밀리미터파 통신 시스템을 위한 이동성 인식 분석 프레임워크 및 네트워크 관리 기법

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2021. 2. 박세웅.Millimeter wave (mmWave) communication enables high rate transmission, but its network performance may be degraded significantly due to blockages between the transmitter and receiver. There have been two approaches to overcome the blockage effect and enhance link reliability: multi-connectivity and ultra-dense network (UDN). Particularly, multi-connectivity under a UDN environment facilitates user-centric communication. It requires dynamic configuration of serving base station groups so that each user experiences high quality services. This dissertation studies a mathematical framework and network manament schemes for user-centric mmWave communication systems. First, we models user mobility and mobility-aware performance in user-centric mmWave communication systems with multi-connectivity, and proposes a new analytical framework based on the stochastic geometry. To this end, we derive compact mathematical expressions for state transitions and probabilities of various events that each user experiences. Then we investigate mobility-aware performance in terms of network overhead and downlink throughput. This helps us to understand network operation in depth, and impacts of network density and multi-connection capability on the probability of handover related events. Numerical results verify the accuracy of our analysis and illustrate the correlation between mobility-aware performance and user speed. Next, we propose user-oriented configuration rules and price based association algorithms for user-centric mmWave networks with fully/partially wired backhauls. We develop a fair association algorithm by solving the optimization problem that we formulate for mmWave UDNs. The algorithm includes an access price based per-user request decision method and a price adjustment rule for load balancing. Based on insights from the algorithm, we develop path-aware access pricing policy for mmWave integrated access and backhaul networks. Numerical evaluations show that our proposed methods are superior to other comparative schemes. Our findings from analysis and optimization provide useful insights into the design of user-centric mmWave communication systems.밀리미터파 통신은 고속 전송을 가능하게 하지만 송신기와 수신기 사이의 장애물로 인해 네트워크 성능이 크게 저하될 수 있다. 장애물 효과를 극복하고 링크 안정성을 향상시키는 다중 연결 및 네트워크 초고밀화 두가지 접근법이 있다. 특히 각 사용자가 고품질의 서비스를 경험할 수 있도록 서빙 기지국 그룹의 동적 구성이 필요하므로 초고밀도 네트워크 환경에서 다중 연결은 사용자 중심 통신을 용이하게 한다. 본 논문은 사용자 중심의 밀리미터파 통신 시스템을 위한 수학적 프레임워크와 네트워크 관리 체계를 연구한다. 먼저 다중 연결을 사용하여 사용자 중심의 밀리미터파 통신 시스템에서 사용자 이동성과 이동성 인식 성능 지표를 모델링하고 확률기하분석을 기반으로 하는 새로운 분석 프레임워크를 제안한다. 이를 위해 각 사용자가 경험하는 다양한 이벤트의 상태 전이 확률에 대한 수학적 표현을 도출한다. 그런 다음 네트워크 오버헤드 및 다운 링크 수율 측면에서 이동성 인식 성능을 연구한다. 이를 통해 네트워크 운영에 대한 깊이있는 이해와 네트워크 밀도 및 다중 연결 기능이 핸드 오버와 관련된 이벤트의 확률에 미치는 영향을 이해할 수 있다. 시뮬레이션 결과는 분석의 정확성을 검증하고 이동성 인식 성능과 사용자 속도 간의 상관 관계를 보여준다. 다음으로 완전 또는 부분 유선 백홀이 있는 사용자 중심 밀리미터파 네트워크를 위한 사용자 중심 구성 규칙 및 접속 가격 기반 연결 알고리즘을 제안한다. 밀리미터파 초고밀도 네트워크에 대한 최적화 문제를 해결하여 공정한 연결 알고리즘을 개발한다. 이 알고리즘에는 접속 가격 기반 사용자 별 요청 결정 방법과 로드 밸런싱을 위한 가격 조정 규칙이 포함된다. 위 알고리즘 개발을 통해 얻은 통찰력을 기반으로 밀리미터파 통합 액세스 및 백홀 네트워크를 위한 경로 인식 접속 요금 정책을 개발한다. 수치 평가에 따르면 제안된 방법이 다른 비교 기법보다 우수하다. 분석 및 최적화 결과는 사용자 중심의 밀리미터파 통신 시스템 설계에 대한 유용한 통찰력을 제공할 것 이다.Abstract i Contents iii List of Tables vi List of Figures vii 1 Introduction 1 1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Outline and Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Mobility-Aware Analysis of MillimeterWave Communication Systems with Blockages 5 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.1 Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2 Connectivity Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Mobility Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Mobility-Aware Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1 Analytical Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Urban Scenario with Ultra-Densely Deployed BSs . . . . . . 18 2.3.3 Handover Analysis for Macrodiversity . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.4 Normalized Network Overhead and Mobility-Aware Downlink Throughput with Greedy User Association . . . . . . . . 24 2.4 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3 Association Control for User-Centric Millimeter Wave Communication Systems 34 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.1 Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.2 Channel Model and Achievable Rate . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.3 User Centric mmWave Communication Framework . . . . . . 39 3.3 Traffic Load Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.1 Optimal Association and Admission Control . . . . . . . . . 45 3.3.2 Outage Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.4.1 Evaluation Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.4.2 Performance Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4 Path Selection and Path-Aware Access Pricing Policy in Millimeter Wave IAB Networks 60 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.1 Geographic and Pathloss Models . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.2 IAB Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3 Path Selection Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Path-Aware Access Pricing Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5 Conclusion 80 5.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.2 Limitations and Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Abstract (In Korean) 90Docto

B5G 초고밀도 네트워크에서 유연한 이동성 관리 기법

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022. 8. 박세웅.차세대 모바일 이동통신을 위한 새로운 서비스와 어플리케이션이 등장함에 따라, 사용자들은 기존 시스템 대비 더 높은 전송 속도를 요구한다. 더불어 사용자들은 높은 데이터 전송 속도를 안정적으로 보장 받기를 원한다. 모바일 네트워크 사용자의 데이터 트래픽이 증가할수록 네트워크의 밀집도를 증가시키는 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network)에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 이러한 초고밀도 네트워크 환경에서는 기존 네트워크 대비 핸드오버가 자주 발생하게 되고, 이로 인해 네트워크 성능이 제한되는 문제가 드러나고 있다. 따라서 초고밀도 네트워크의 성능을 극대화하기 위해서는 효율적인 이동성 관리의 중요성이 어느때보다 부각되고 있다. 본 학위논문에서는 초고밀도 네트워크 환경에서 효율적인 이동성 관리를 위하여 다음의 세 가지 전략을 고려한다. 1) MIAB (mobile integrated access and backhaul) 네트워크에서의 이동성 관리, 2) 딥러닝 기반 장애물 예측을 통한 사전적인 핸드오버, 3) 다중 연결 환경에서의 강인한 이동성 관리. 첫째로, MIAB 네트워크에서 사용자의 QoS (quality-of-service)에 심각한 영향을 미치는 핸드오버 지연 시간을 감소시키기 위한 핸드오버 기법을 제안한다. MIAB 네트워크 환경에서 발생할 수 있는 intra-gNB 핸드오버, inter-gNB 핸드오버, 부모 MIAB 노드 핸드오버의 세 가지 핸드오버 케이스를 분류하고, 부모 MIAB 노드와 자녀 MIAB 노드의 속도에 따른 각 핸드오버 케이스 발생 확률 모델을 제시하였다. 또한, 상향링크 컨트롤 플레인 데이터 전송 지연 시간을 분석하였다. 제안하는 핸드오버 기법은 저지연 상향링크 컨트롤 플레인 데이터 전송 기법과 자녀 MIAB 노드의 RACH-less 핸드오버 기법을 포함한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 MIAB 핸드오버 기법이 기존 핸드오버 기법 대비 핸드오버 지연 시간 및 오버헤드 성능보다 매우 뛰어난 것을 확인하였다. 다음으로 안정적인 이동성 관리를 위한 장애물 예측 기반의 사전 핸드오버 (BAPH) 기법을 제시한다. BAPH는 딥러닝 기법을 활용하여 장애물과 차량의 이동성을 예측하고, 특정 차량이 기지국과 LoS (line-of-sight)에 있는지를 예측한다. 예측된 차량의 미래 위치와 장애물의 미래 위치 정보를 이용하여 gNB와 RLF (radio link failure)를 겪기 이전 시점에 다른 gNB로 핸드오버를 수행한다. 제안하는 사전 핸드오버 기법의 성능을 다양한 도로 환경 및 차량 속도를 반영한 시뮬레이션을 통해 평가하였다. 마지막으로 다중 연결 네트워크의 장점을 최대로 끌어내기 위한 안정적인 핸드오버 기법을 제안한다. 앵커 BS와 액티브 BS 집합이 각 모바일 기기마다 설정되는 사용자 중심 초고밀도 네트워크 (UUDN)을 고려한다. 앵커 BS는 주변 BS들의 RACH 오케스트레이션을 통하여 모바일 기기가 핸드오버를 위해 전송하는 RACH 프리앰블을 다수의 BS가 받을 수 있도록 한다. 또한 핸드오버 과정에서 하나의 액티브 BS에 RLF가 발생하는 경우 핸드오버 과정을 지속하여 빠르게 RLF를 복구하는 기법을 제안한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 핸드오버 기법이 RLF 지속 시간을 현재 핸드오버 기법 대비 줄이는 것을 확인하였으며, 연결 수가 증가하는 경우에 RLF 지속 기간을 더 감소시키는 것을 확인하였다. 요약하면, 차세대 모바일 네트워크에서 이동성 관리와 관련된 새로운 네트워크 구조 및 프로토콜에 대한 문제를 제기한다. 현재 이동성 관리 기법이 고이동성 환경이나 초고밀도 네트워크 환경에서 네트워크의 성능을 저하시키는 것을 확인하였다. 따라서 차세대 모바일 네트워크 시스템에서의 새로운 이동성 관리 기법 및 전략을 제안한다. 제안하는 모든 이동성 관리 기법은 시뮬레이션 결과를 통해 성능을 평가되었다.As new services and applications for next-generation mobile communication emerge, users of mobile communication systems require a higher data rate than the existing system. In addition, mobile communication users want a high data rate to be reliably guaranteed anytime, anywhere. As data traffic of mobile network users increases, ultra-dense networks (UDN) that increase network density are in the limelight. However, in such a UDN environment, handovers (HOs) occur more frequently than in the existing mobile network system, which limits network performance. Therefore, to maximize the performance of the UDN, the importance of efficient mobility management is being emphasized more than ever. In this dissertation, the following three strategies are considered for efficient mobility management in the UDN environment: 1) Mobility management in mobile integrated access and backhaul (MIAB) networks, 2) Proactive HO through blockage prediction based on deep learning technology, 3) Reliable HO using the anchor node in the multi-connectivity environment. First, we propose a novel handover (HO) scheme for the MIAB network to reduce handover interruption time (HIT) and radio link failure (RLF) that have a significant impact on users' quality of service (QoS). We investigate HO cases that cover intra-gNB HO, inter-gNB HO, and parent MIAB node HO and develop their probabilistic models according to the velocities of the parent MIAB node and the child MIAB node. In addition, we investigate the latency in uplink (UL) control plane (CP) data transmission and each HO case for the baseline MIAB network. Our proposed HO scheme consists of low-latency UL CP data transmission with semi-persistent resource pre-allocation and RACH-less HO procedure for child MIAB nodes. Through simulation, we verify our proposed MIAB HO scheme outperforms the baseline HO scheme in terms of HO delay and HO overhead. Second, we propose the blockage-aware proactive HO (BAPH) scheme to support reliable mobility management. BAPH leverages a deep neural network (DNN) to predict the mobility of blockages and which BSs will be in the line-of-sight (LoS) with the vehicle device. With the predicted future blockage locations, the network supports proactive HO to the target gNB before radio link failure (RLF) occurs with the current serving gNB. We evaluate the performance of the proposed proactive HO scheme through simulations in various road environments. Finally, a reliable HO scheme that fully leverages the advantage of the multi-connectivity network is proposed. We consider a user-centric UDN (UUDN) architecture composed of an anchor BS and active BSs set for each UE. The anchor BS orchestrates the RACH of neighbor BSs that are not included in the active BS set for the target UE so that multiple target BSs can receive the RACH preamble transmitted by the UE. In addition, we propose a fast RLF recovery scheme that allows the existing HO process to continue when RLF occurs in the serving BS included in the active BS set. Through simulation, the performance of the proposed HO scheme is verified that the RLF duration of the UE is reduced compared to the current HO scheme even when the number of connections increases in a multi-connectivity environment. In summary, we claim issues in the new network architecture and protocols for the next-generation mobile networks related to mobility management. We demonstrate that the existing mobility management schemes limit the network performance in high-mobility environments and UDN environments. Therefore, we propose new mobility management schemes and strategies for the future mobile network system. All the proposed mobility management schemes are evaluated with simulation results.1 Introduction 1 1.1 Vision of B5G and Challenges 1 1.1.1 Vision of B5G Networks and Services 1 1.1.2 Research Trends and Challenges 2 1.2 Motivation 3 1.3 Main Contributions 5 1.3.1 Mobile Integrated Access and Backhaul Handover 5 1.3.2 Blockage Prediction-based Proactive Handover 6 1.3.3 Mobility Management in Distributed User-centric Ultra-dense Network 7 1.4 Organization of the Dissertation 7 2 Mobility Management of Multi-hop Mobile Integrated Access and Backhaul Network 9 2.1 Introduction 9 2.1.1 Contributions 11 2.1.2 Organization 12 2.2 Preliminary Study 12 2.2.1 IAB Network and Moving Cells 12 2.2.2 5G NR Handover 13 2.2.3 Motivation 14 2.3 System Model 15 2.3.1 Network Model 15 2.3.2 Communication Model 15 2.3.3 Directional Beamforming Model 16 2.3.4 Handover Model 18 2.4 Analysis of Mobility Management in MIAB Networks 18 2.4.1 UL CP Data Transmission Latency 19 2.4.2 Handover Latency 21 2.4.3 Handover Probability 23 2.5 Proposed Mobile IAB Handover Scheme 27 2.5.1 Low-Latency UL CP Data Transmission Scheme 27 2.5.2 Inter-gNB Handover Scheme 29 2.6 Performance Evaluation 31 2.6.1 HO Probability 33 2.6.2 Handover Latency 34 2.6.3 Effective Spectral Efficiency 37 2.7 Summary 41 3 Blockage-aware Proactive Handover for mmWave V2I Communications 42 3.1 Introduction 42 3.2 Preliminaries and Motivation 44 3.2.1 Effect of Blockages in mmWave Systems 44 3.2.2 DNN based Network Prediction 46 3.2.3 Motivation 46 3.3 Analysis on Blockage Effect 47 3.4 Proposed BAPH System 51 3.4.1 System Architecture 51 3.4.2 Communication Model 51 3.4.3 Deep Learning-based Location Prediction 52 3.4.4 Unobserved Blockage Detection and Estimation 54 3.4.5 Proactive Handover Process 57 3.6 Performance Evaluation 58 3.7 Summary 62 4 Anchor Node Based Reliable Handover in User-centric Ultra-dense Network 64 4.1 Introduction 64 4.2 Motivation 65 4.2.1 HO Process in 5G NR 65 4.2.2 HO Failure in the Baseline HO Scheme 66 4.3 Proposed Distributed User-centric Ultra-Dense Network Architecture 69 4.4 Anchor Node-based Mobility Management 71 4.5 Performance Evaluation 73 4.6 Summary 75 5 Concluding Remarks 76 5.1 Research Contributions 76 5.2 Future Research Directions 77 Abstract (In Korean) 85박

Boosting 5G mm-Wave IAB Reliability with Reconfigurable Intelligent Surfaces

The introduction of the mm-Wave spectrum into 5G NR promises to bring about unprecedented data throughput to future mobile wireless networks but comes with several challenges. Network densification has been proposed as a viable solution to increase RAN resilience, and the newly introduced IAB is considered a key enabling technology with compelling cost-reducing opportunities for such dense deployments. Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) have recently gained extreme popularity as they can create Smart Radio Environments by EM wave manipulation and behave as inexpensive passive relays. However, it is not yet clear what role this technology can play in a large RAN deployment. With the scope of filling this gap, we study the blockage resilience of realistic mm-Wave RAN deployments that use IAB and RIS. The RAN layouts have been optimised by means of a novel mm-Wave planning tool based on MILP formulation. Numerical results show how adding RISs to IAB deployments can provide high blockage resistance levels while significantly reducing the overall network planning cost