5G Vertical Use Cases and Trials of Transportation

The 5G networks are still being deployed in many countries creating new business opportunities. 5G networks allow us to include new features and deliver new levels of system capacity and efficiency such as higher speed connectivity, ultra low latency connectivity, improved security, distributed networks, virtualizednetworks and so on. They enable us to have new use cases and scenarios such as automated vehicles, smart city, eHealth, and so on. In this paper, 5G vertical use cases and large scale trials of transportation undertaken at the EU 5G-HEART project trial sites across Europe are introduced. Four representative transport use cases are validated in the 5G-HEART project. They are as follows: (1) Platooning that drives a group of vehicles together, (2) Autonomous driving that avoids collision and achieves safer driving and better traffic efficiency, (3) Remote driving support that allows an user or cloud software to control vehicles remotely, and (4) Vehicle data services that provides us with a better vehicle services byinterconnecting various third-party data to autonomous vehicles using5G networks. User requirements and KPIs are analyzed for 5G transportation use cases. The selected results of 5G-HEART transportation vertical trials are presented

Design, Development and Evaluation of 5G-Enabled Vehicular Services:The 5G-HEART Perspective

The ongoing transition towards 5G technology expedites the emergence of a variety of mobile applications that pertain to different vertical industries. Delivering on the key commitment of 5G, these diverse service streams, along with their distinct requirements, should be facilitated under the same unified network infrastructure. Consequently, in order to unleash the benefits brought by 5G technology, a holistic approach towards the requirement analysis and the design, development, and evaluation of multiple concurrent vertical services should be followed. In this paper, we focus on the Transport vertical industry, and we study four novel vehicular service categories, each one consisting of one or more related specific scenarios, within the framework of the “5G Health, Aquaculture and Transport (5G-HEART)” 5G PPP ICT-19 (Phase 3) project. In contrast to the majority of the literature, we provide a holistic overview of the overall life-cycle management required for the realization of the examined vehicular use cases. This comprises the definition and analysis of the network Key Performance Indicators (KPIs) resulting from high-level user requirements and their interpretation in terms of the underlying network infrastructure tasked with meeting their conflicting or converging needs. Our approach is complemented by the experimental investigation of the real unified 5G pilot’s characteristics that enable the delivery of the considered vehicular services and the initial trialling results that verify the effectiveness and feasibility of the presented theoretical analysis

Satunnaistettujen välitysmenetelmien suorituskyky suurissa ad hoc -verkoissa

Ad hoc -verkko on langaton verkko, joka koostuu liikuteltavista päätelaitteista. Päätelaitteet voivat viestiä keskenään monihyppyisesti ilman kiinteää verkkoinfrastruktuuria ja keskitettyä valvontaa. Useimmat ad hoc -verkon suorituskykyyn vaikuttavista tekijöistä liittyvät reititykseen ja pääsynvalvontaan (MAC). Tässä työssä tehdään kirjallisuustutkimus ad hoc -verkkojen reititys- ja MAC- menetelmistä. Lisäksi tutkitaan yksityiskohtaisemmin eri välitysmenetelmien suorituskykyä suuressa ad hoc -verkossa. Tässä työn jälkimmäisessä osassa mallinnetaan suuri ad hoc -verkko. Suuressa ad hoc -verkossa reititysongelma voidaan jakaa makroskooppiselle ja mikroskooppiselle tasolle. Mikroskooppisella tasolla pakettivuon suunta saadaan annettuna makroskooppisen tason reititysalgoritmilta. Mikroskooppisen tason välitysmenetelmän tehtävänä on maksimoida pakettivuo annettuun suuntaan. Pakettivuon tiheys riippuu vain Slotted ALOHAn lähetystodennäköisyysparametrista ja verkon tiheydestä. Maksimaalista pakettivuon tiheyttä tutkitaan näiden kahden parametrin suhteen ja vertaillaan neljän eri välitysmenetelmän, yhden deterministisen ja kolmen satunnaistetun, suorituskykyä. Satunnaistetut välitysmenetelmät saavuttivat paremman suorituskyvyn kuin deterministinen välitys. Deterministinen välitys keskitti liikenteen muutamille poluille jättäen suurimman osan verkosta hyödyntämättä, kun taas satunnaistettu välitys levitti liikenteen verkkoon tehokkaammin. Satunnaistetuista menetelmistä opportunistinen välitys, joka yhdistää MAC-protokollan ja välityksen toiminnan, oli selvästi paras

Energy efficiency analysis and improvements of MIMO cellular communications

Abstract This thesis focuses on the energy efficiency of multiple-input multiple-output (MIMO) cellular communications. Energy efficiency has been set as one of the main major objectives for modern cellular networks. According to the requirements of the 5th Generation wireless system (5G), energy consumption should not increase from the level of the current networks even though the amount of data in 5G networks is expected to be significantly higher. This thesis contributes in its part to the energy efficiency target by providing tools and methods for analyzing the link energy efficiency as well as proposing energy efficiency improvements for MIMO base stations. The majority of conventional macro base station input power is consumed by its power amplifiers (PAs). Average PA efficiency measures how efficiently the direct current (DC) input power is converted to radio frequency (RF) output power. The average PA efficiency of power-adaptive spatial diversity methods is analyzed and a new metric, PA input signal-to-noise ratio (SNR), is proposed in this thesis. Bit error rate as a function of average PA input SNR captures the effect of the PA nonideal efficiency to the link performance analysis. It is shown that power-adaptive transmission methods, which are optimal with ideal PAs, should be replaced with constant power transmission methods when low efficiency PAs are used. Massive MIMO and coordinated multi-point (CoMP) have been proposed for modern base stations for improving the area spectral efficiency. A dynamic point selection (DPS) method with a static intercell agreement on the transmission point (TP) activity pattern is proposed for CoMP and distributed antenna systems. The proposed DPS method achieves significant energy efficiency gain over closed-loop spatial multiplexing with the same level of cell edge spectral efficiency. Unequal PA dimensioning and cell splitting combined with the adaptation of the number of antennas is proposed for massive MIMO base stations with digital beamforming. It is shown that unequal PA dimensioning can reduce the PA power consumption without any negative effect on the data rates. When a small reduction in the cell sum rate is acceptable, cell splitting is a very promising method that can achieve a significant energy efficiency improvement.Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa keskitytään MIMO-tiedonsiirron energiatehokkuuteen mobiiliverkoissa. Energiatehokkuus on asetettu yhdeksi päätavoitteeksi moderneissa mobiiliverkoissa. 5G-vaatimusten mukaan energiankulutus ei saisi nousta nykyisten tietoliikenneverkkojen tasosta, vaikka datan määrä 5G-verkoissa tuleekin olemaan huomattavasti suurempi. Tämä väitöskirja koettaa auttaa näiden tavoitteiden saavuttamisessa tarjoamalla menetelmiä ja työkalujen linkin energiatehokkuuden analysointiin sekä ehdottamalla parannuksia MIMO-tukiasemille. Tehovahvistimet kuluttavat suurimman osan tavallisten makrotukiasemien tehosta. Tehovahvistimen keskimääräinen hyötysuhde mittaa, kuinka tehokkaasti sisään tuleva DC-teho muutetaan lähetettäväksi RF-tehoksi. Tässä väitöskirjassa analysoidaan tehovahvistimien keskimääräistä hyötysuhdetta tehoadaptiivisissa tiladiversiteettijärjestelmissä sekä esitetään uusi metriikka, tehovahvistimen sisään tulevan tehon ja vastaanottimen kohinatehon suhde (PA input SNR). Bittivirhesuhde PA input SNR:n funktiona sisällyttää tehovahvistimen epäideaalisen hyötysuhteen mukaan linkin suorituskyvyn analysointiin. Väitöskirjassa näytetään, että tehoadaptiiviset lähetysmenetelmät, jotka ovat optimaalisia käytettäessä ideaalisia vahvistimia, pitäisi korvata vakiotehoisilla lähetysmenetelmillä, kun käytetään matalan hyötysuhteen tehovahvistimia. Massiivi-MIMO- ja CoMP-tekniikoilla voidaan parantaa alueellista spektritehokkuutta. Väitöskirjassa esitetään dynaaminen lähetyspisteen valintamenetelmä CoMPjärjestelmille ja hajautetuille antenniryhmille, johon on yhdistetty solujen välinen sopimus aktiivisista lähetyspisteistä. Tällä menetelmällä saavutetaan merkittävästi parempi energiatehokkuus kuin suljetun silmukan tilamultipleksoinnilla (closed-loop spatial multiplexing) ilman, että spektritehokkuus solun laidalla heikkenee. Lisäksi väitöskirjassa esitetään digitaalista keilanmuodostusta käyttäville massiivi-MIMO-tukiasemille tehovahvistimien epätasainen mitoitus ja solun halkaisu, joihin on yhdistetty antennien määrän adaptointi. Tulokset osoittavat, tehovahvistimien epätasainen mitoitus pienentää tehonkulutusta ilman, että datan siirtonopeudet kärsivät. Kun sallitaan, että solun yhteenlaskettu datan siirtonopeus hieman pienenee, solun halkaisu on erittäin lupaava menetelmä, jolla voidaan saavuttaa erittäin merkittävä parannus energiatehokkuudessa