System level investigations for mobile and indoor users in future cellular networks

Abstract

Betreiber zellulärer Netze stehen unter großem Druck ihren Nutzern eine störungsfreie drahtlose Verbindung zur Verfügung zu stellen. Aufgrund des erhöhten Bedarfs, nicht nur für Abdeckung sondern auch für eine erhöhte Netzkapazität, muss die Netzarchitektur angepasst werden und über das klassische hexagonale Grid hinaus verbessert werden. Der weltweit stattfindende Trend der Urbanisierung führt dazu, dass mehr und mehr Nutzer ihre drahtlosen Endgeräte in Gebäuden oder in mobilen Szenarien, wenn sie reisen oder pendeln, benutzen. Diese Szenarien stellen besondere Anforderungen an die Realisierung eines passenden Netzes sowohl im Bezug auf Ausbreitungsbedingungen als auch auf optimale Basisstationsplatzierung dar. Deshalb untersuche ich in meiner Dissertation die potentielle netzweite Durchschnittsperformanz von drahtlosen, zellulären Netzen insbesondere im Hochgeschwindigkeitszug (HGZ) Umfeld als auch von Netzinstallationen innerhalb von Gebäuden. Eine Untersuchung auf Netzebene verlangt die Komplexität des verwendeten Systemmodells zu beschränken. Dies ist notwendig sowohl um noch mathematisch lösbare Formulierungen zu erhalten als auch um Simulationen in endlicher Dauer durchführen zu können. Da die untersuchten Szenarien an sich recht spezifisch sind und sich auch im Vergleich zueiander in einigen Aspekten fundamental unterscheiden, erläutere ich zuerst verfügbare Signalausbreitungsmodelle und Modelle für Interferer Geometrie. Ich rechtfertige dann die gewählten Modelle und stelle die verschiedenen Ansätze zur Auswertung der Leistungsmetriken in beiden Szenarien vor. Drahtlose zelluläre Netze in HGZ Szenarien weisen mehrere spezifische Aspekte technischer und nicht-technischer Natur auf, die beim Systementwurf in Betracht gezogen werden müssen. Insbesondere die Entscheidung zwischen direkter oder Relay unterstützer Kommunikation muss getroffen werden. Um die Verwendung von Simulationen auf „System Level“ zu rechtfertigen, die unterschiedliche Abstraktionen beinhalten, werden Durchsatzergebnisse mit detaillierteren „Link Level“ Simulationen verglichen, wobei beide Simulationen mit Referenzwerten von realen Messdaten parametrisiert werden. Zusätzlich präsentiere ich ein Framework zur Untersuchung der Leistungsverbesserung durch die Zusammenarbeit von abgesetzten Übertragungseinheiten. Signalausbreitung innerhalb von Gebäuden wird durch die Blockierung durch Wänden dominiert. Erste Untersuchungen sind auf den Einfluss der Verteilung solcher blockierender Objekte fokusiert. Hierfür werden vier unterschiedliche Wandgenerierungsmethoden eingeführt, die so parametrisiert sind, dass die erzeugten räumlichen Szenarien vergleichbar bleiben. Basierend auf diesen Methoden werden Ausdrücke für die durchschnittliche Dämpfung eines Verbindungspfades und für das Signalzu- Interferenz Verhältnis hergeleitet. Nachfolgend wird der Einfluss der Basisstationsplatzierung betrachtet, indem Basisstationen zufällig oder in einem regulären Grid angeordnet werden. Hier wird zusätzlich die räumliche spektrale Effizienz verwendet um die Abhängigkeit der Netzkapazität von der Basisstationsdichte zu identifizieren.

Operators of cellular networks are hard pressed to provide a seamless wireless connection to their users. Due to the expanded demand not only for coverage but also for increased network capacity, the network architecture needs to be adapted and evolve beyond the classical hexagonal grid. The globally ongoing trend of urbanization leads to more and more users utilizing their wireless devices indoors or in mobile scenarios, when commuting or traveling. These scenarios pose particular challenges to implementing a suitable network in terms of propagation conditions as well as optimal base station (BS) deployment. Therefore, in this thesis, I investigate the potential network-wide average performance of wireless cellular networks particularly in high speed train (HST) environments , as well as of network deployments indoors. An investigation on network scale requires to limit the complexity of the applied system models. This is necessary in order to still obtain mathematically tractable formulations as well as to be able to perform simulations with finite duration. Since the scenarios under investigation are in themselves rather specific and also in comparison fundamentally different for some aspects, I first introduce available models for signal propagation and interferer geometry. I then justify the chosen models and introduce the different approaches for evaluating performance metrics in both scenarios. Wireless cellular networks in HST scenarios exhibit several specific aspects of technical and non-technical nature that need to be taken into account in the system design. Especially the decision between direct communication or relay aided communication has to be made. To justify the utilization of system level (SL) simulations, that include various abstractions, throughput results are compared to more detailed link level (LL) simulations, parameterizing both simulations with reference values from real-world measurements. Additionally, I present a framework for investigating the performance improvement of remote unit collaboration schemes. Signal propagation in indoor scenarios is dominated by wall blockages. Initial investigations focus on the influence of the distribution of blockage objects. Therefore, four different wall generation methods are introduced, which are parametrized such that the created spatial scenarios remain comparable. Based on these methods, expressions for the average attenuation of a link and for the signal to interference ratio (SIR) are derived. Subsequently, the effect of the BS placement is considered, by placing BSs randomly or by arranging them in a regular grid. Here, additionally the area spectral efficiency (ASE) is utilized to identify the dependency of the network capacity on the BS density.