Coordination inside centralized radio access networks with limited fronthaul capacity

par Jialong Duan

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Xavier Lagrange.

Soutenue le 27-11-2017

à l'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire , dans le cadre de École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes) , en partenariat avec Département Systèmes Réseaux, Cybersécurité et Droit du numérique (laboratoire) , Advanced technologies for operated networks (laboratoire) et de Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Coordination dans les réseaux d'accès radio centralidés avec liaisons de transport à débit limité


  • Résumé

    Le réseau d'accès radio centralisé (C-RAN) peut fortement augmenter la capacité des réseaux mobiles. Cependant, la faisabilité de C-RAN est limitée par le débit considérable engendré sur les liaisons de transport, appelées également fronthaul. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les performances de C-RAN tout en considérant les limitations du débit sur le frontaul, l'allocation de ressources et l'ordonnancement des utilisateurs.Nous étudions d'abord les séparations fonctionnelles possibles entre les têtes radios distantes (RRH) et les unités de traitement en bande de base (BBU) sur la liaison montante pour réduire le débit de transmission sur le fronthaul : certaines fonctions de couche basse sont déplacées du BBU vers les RRH. Nous fournissons une analyse quantitative des améliorations de performances ainsi obtenues.Nous nous concentrons ensuite sur la transmission coordonnée Multi-point (CoMP) sur le lien descendant. CoMP peut améliorer l'efficacité spectrale mais nécessite une coordination inter-cellule, ce qui est possible uniquement si une capacité fronthaul élevée est disponible. Nous comparons des stratégies de transmission avec et sans coordination inter-cellule. Les résultats de simulation montrent que CoMP doit être préféré pour les utilisateurs situés en bordure de cellule et lorsque la capacité du fronthaul est élevée. Nous en déduisons une stratégie hybride pour laquelle Les utilisateurs sont divisés en deux sous-ensembles en fonction de la puissance du signal. Les utilisateurs situés dans les zones centrales sont servis par un seul RRH avec une coordination simple et ceux en bordure de cellule sont servis en mode CoMP. Cette stratégie hybride constitue un bon compromis entre les débits offerts aux utilisateurs et les débits sur le fronthaul.


  • Résumé

    Centralized/Cloud Radio Access Network (C-RAN) is a promising mobile network architecture, which can potentially increase the capacity of mobile networks while reducing operators¿ cost and energy consumption. However, the feasibility of C-RAN is limited by the large bit rate requirement in the fronthaul. The objective of this thesis is to improve C-RAN performance while considering fronthaul throughput reduction, fronthaul capacity allocation and users scheduling.We first investigate new functional split architectures between Remote Radio Heads (RRHs) and Baseband Units (BBU) on the uplink to reduce the transmission throughput in fronthaul. Some low layer functions are moved from the BBU to RRHs and a quantitative analysis is provided to illustrate the performance gains. We then focus on Coordinated Multi-point (CoMP) transmissions on the downlink. CoMP can improve spectral efficiency but needs tight coordination between different cells, which is facilitated by C-RAN only if high fronthaul capacity is available. We compare different transmission strategies without and with multi-cell coordination. Simulation results show that CoMP should be preferred for users located in cell edge areas and when fronthaul capacity is high. We propose a hybrid transmission strategy where users are divided into two parts based on statistical Channel State Informations (CSIs). The users located in cell center areas are served by one transmission point with simple coordinated scheduling and those located in cell edge areas are served with CoMP joint transmission. This proposed hybrid transmission strategy offers a good trade-off between users¿ transmission rates and fronthaul capacity cost.


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