Optimization of Small Cells Deployment and Frequency Assignment using Spectrum Sharing

Abstract

5G New Radio is an ai r-interface technology with the objective of improving performance, flex¬ibility [1], [2],[3] scalability and efficiency of current mobile networks. 5G NR is envisioned to support multipIe services and devices where the heterogeneous networks will be of such im¬portance with the densification of small cells, and different techniques will be used such as carrier aggregation, spectrum sharing or dual connectivity. This dissertation aims to explore the optimization of small cell networks using the spectrum sharing in the UHF, SHF and mil¬limeter wave bands for urban environments. ln the study, different scenarios and topologies have been considered, while frequencies of 2.6 GHz and 3.5 GHz have been considered for the UHFISHF bands, and 28, 38, 60 and 73 GHz for the millimeter wave bands. A linear topol¬ogy has been considered for the millimeter waves that contains a scenario with sharing and another without shared spectrum, while in the UHF and SHF bands a hexagonal topology has been considered, containing both a scenario without spectrum sharing and six spectrum sharing topologies, divided by its region in the cell, as Northeast, East, Southeast and Soutwest. Propa¬gation models are the Urban Micro LoS for UHFISHF, a two-slope model, and the modified Friis equation for the millimeter waves. Different reuse patterns have also been considered, i.e., k = 3 and k = 4. However, for the millimeter wave scenario only k = 3 has been considered. With the established scenario and the considered models, the performance parameters such as the CNIR, PHY throughput, supported throughput, average CNIRISINR have been obtained and discussed. ln the UHFISHF bands, by comparing the curves for the supported throughput and the average CNIR, we can observe that the trend of the values, i.e., the line shapes, are very similar. The 28 GHz frequency band has the highest supported throughput, reaching 45 Mbps. The supported throughput at the 38, 60 and 73 GHz is higher than the one for the UHFISHF bands for the shortest Rs. For longer coverage distances, the supported throughput is clearly higher for the UHF/SHF frequency bands (compared to the 38, 60 and 73 GHz frequency bands). LTE-Sim, a open source framework developed in the University of Bari [4], commonly known as an event-driven simulator written in C + + has been used for packet-level simulations. Results for the goodput, packet loss ratio and delay have been obtained. One scenario with only a small cell cluster, with one picocell and six co-channel pico cells, has been considered in the simu-lations. The goodput and packet loss ratio achieved by simulation are complementary to each other (where achieved goodput is slightly higher at 2.6 GHz, compared to the 3.5 GHz frequency band). By comparing the analytical and simulation results for the supported throughoutigood¬put (without sharing) there are differences, as analytical results do not consider packet errors, and for a number of users higher than 16 -18, the PLR is too high even for distances longer than 100 -150 m, while for 16 or less users the PLR is only high for coverage distances up to circa 100 m. These differences between analytical and simulation results can be mainly explained by the fact that the number of users are not considered in the analytical formulation (saturation conditions are assumed instead), and also because of the high value for the PLR. The maximum delay is 55 ms. Hence, e.g., for gaming applications, latency will be adequate.

o 5G New Radio irá melhorar o desempenho, flexibilidade [1], [2], [3] escalabilidade e eficiên¬cia das redes móveis atuais. O 5G NR suportará serviços e dispositivos múltiplos onde as redes heterogéneas serão de grande importância, especialmente devido à densificação de pequenas células, e às diferentes técnicas que serão usadas, tal como a agregação de espectro, a partilha de espectro e conectividade dupla. Esta dissertação tem como objetivo explorar a otimização de redes de pequenas células utilizando a partilha de espectro nas bandas de UHF, SHF e na banda das ondas milimétricas para ambientes urbanos. Neste estudo foram considerados diferentes cenários e topologias, as frequências de 2.6 GHz e 3.5 GHz, e 28, 38, 60 e 73 GHz (bandas das ondas milimétricas). Considerou-se uma topologia linear para as ondas milimétricas, com e sem partilha de espectro, enquanto nas bandas UHF e SHF considerou-se uma topologia hexagonal, contendo tanto um cenário sem partilha de espectro como um cenário onde 05 interferentes na partilha de espectro organizam-se em diferentes posições relativamente à célula, ou seja, Nordeste, Este, Sudeste e Sudoeste. Os modelos de propagação são o UrbanMicroLoS para UHF/SHF, um modelo com expoente de propagação duplo, e a fórmula de Friis modificada para a banda das ondas milimétricas. Consideraram-se diferentes padrões de reutilização, ou seja, k = 3 e k = 4. No entanto, para o cenário de ondas milimétricas, apenas k = 3 foi considerado. Obtiveram-se as métricas de desempenho como o CNIR, o débito binário, o débito binário su¬portado e o CNIRISINR médio. Nas bandas UHFISHF, comparando as curvas do débito binário suportado e do CNIR médio, observa-se que a tendência, ou seja, a forma das curvas, é similar. A banda de 28 GHz tem o débito binário suportado superior, atingindo 05 45 Mbps. O débito binário suportado nos 38, 60 e 73 GHz é superior ao débito suportado nas bandas UHFISHF para valores mais reduzidos de R. Para distâncias de cobertura mais longas, o débito binário suportado é claramente superior para as bandas de UHFISHF (em comparação com as bandas de frequência de 38, 60 e 73 GHz). Utilizou-se o LTE·Sim, um simulador de código aberto desenvolvido na Universidade de Bari [4], um simulador orientado a eventos em C + +, para simulações a nível de pacotes. Foram obtidos resultados para o goodput, a taxa de perda de pacotes (PLR) e o atraso. Considerou-se uma topologia contendo uma picocélula e seis picocélulas ao seu redor, partilhando o mesmo canal. Existem diferenças nos resultados analíticos e de simulação para o débito binário suportado/goodput (sem partilha de espectro), dado que os resultados analíticos não consideram erros nos pacotes, e para um número de utilizadores, superior a 16 -18, o PLR é muito superior mesmo para distâncias mais longas do que 100 -150 m, enquanto para 16 ou menos utilizadores o PLR é apenas elevado para distâncias de cobertura até cerca de 100 m. Es· tas diferenças entre resultados analíticos e de simulação podem ser facilmente explicadas pelo facto de o número de utilizadores não ser considerado na formulação analítica (assumindo-se condições de saturação), e também devido aos valores elevados do PLR. O goodput e a taxa de perda de pacotes obtidas por simulação são complementares entre si (sendo ligeiramente superior a 2.6 GHz, em comparação com os 3.5 GHz). Pode-se concluir que quanto maior é o raio da célula, maior é o goodput. No entanto, para um número reduzido de utilizadores, o goodput também é reduzido. O atraso máximo é de 55 ms. Consequentemente, por exemplo para aplicação de jogos, a latência é adequada.