[PDF] Self-meshed autonomous LTE/LTE-A radio access network for

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2017-ENST-0058

EDITE - ED 130

Doctorat ParisTech

T H È S E

pour obtenir le grade de docteur délivré par

TELECOM ParisTech

Spécialité " Electronique et Communications » présentée et soutenue publiquement par

Romain FAVRAUD

le 22 Novembre 2017 Réseau d"accès radio LTE/LTE-A autonome et maillé pour environnements contraints

Directeur de thèse :Navid NIKAEIN

Jury

M. Christian BONNET

,Professeur, Eurecom, FrancePrésident

Mme Carla-Fabiana CHIASSERINI

,Professeur associé, Politecnico di Torino, ItalieRapporteur

M. Riku JÄNTTI

,Professeur associé, Aalto University, FinlandeRapporteur

M. Tommy SVENSSON

,Professeur, Chalmers University of Technology, SuèdeExaminateur

M. Klaus MOESSNER

,Professeur, University of Surrey, Royaume-UniExaminateur

TELECOM ParisTech

école de l"Institut Mines-Télécom - membre de ParisTech

ABSTRACT

Performance of military communication systems is nowadays im- proving slowly compared to commercial systems which puts inter- ests in evolving mature commercial systems for military usage. In parallel,

Public Safety (PS)

communication systems ar echanging due to emergence ofLong Term Evolution (LTE)as a mature solution to replace the legacy ones while providing new services. However, LTEis initially designed for commercial cellular network and need to be further evolved to tackle the substantial requirements of pub- lic safety use cases. For instance, opportunistic deployments require modifications to enable the autonomous operation and meshing of moving base stations while satisfying heterogeneous frequency band availability. In this thesis, we develop a complete solution to answer constrainedPSand military use cases allowing to wirelessly mesh mobile network nodes and to provide access to standard user equip- ment while only requiring a single radio/

LTEband.

Starting fromPSand military communication systems landscape and use cases, we present the potential scenarios and derive func- tional requirements for future wireless communication systems to al- low new services and coverage of these use cases. We further un- derline the specific constraints applying to these communication sys- tems due their specific environment of use, especially limited avail- ability of frequency resources. This leads to the selection ofLTEas theRadio Access Technology (RAT)for both backhaul and access of the wireless system. We then review currentLTEstate of the art andLTEsystems and compare them against these requirements. Un- derlining the limitations of such systems, we detail the challenges faced by aLTEsolution that would answer these requirements. Then, we present a novel network infrastructure architecture that enables multi-hopLTEmesh networking for nomadic and autonomous base stations via in-band self-backhauling relying on a new base station: theenhanced evolved Node B (e2NB). We detail the building blocks of the architecture to answer the multiple challenges. Specifically, we investigate the coordination and orchestration functionality within the proposed architecture and propose a cross layer hierarchical re- source scheduling algorithm in order to efficiently meetQuality of Service (QoS)requirements for real-time traffic while maximizing the throughput for elastic flows. To demonstrate the feasibility and relia- bility of our proposed architecture, we implement the corresponding self-backhauling air interface based onOpen Air Interface (OAI)plat- form and compare with the legacyLTEair-interface. We then evaluate the efficiency and adaptability of our proposed resource scheduling iii iv algorithm in various network topologies and heterogeneous traffic flows with QoS requirements. Finally, we summarize the remaining uncertainties concerning real-field deployments and we conclude this study.

RÉSUMÉ

Comparées à celles de systèmes de communications civils, les per- formances des systèmes de communication militaires s"améliorent lentement aujourd"hui. Cela rend intéressant l"évolution de systèmes de communication civils matures pour un usage militaire. En paral- lèle, les systèmes de communications pour les réseaux de sécurité publique sont en train d"évoluer suite à l"émergence de la techno- logie Long T ermEv olution(L TE)comme une solution fiable et ma- ture pour remplacer les systèmes précédents. Cependant, leLTEa initialement été conçu pour les réseaux cellulaires commerciaux et nécessite des adaptations pour répondre aux exigences des réseaux de sécurité publique. Par exemple, la réalisation de déploiements op- portunistes nécessite des modifications afin de permettre le fonction- nement autonome et maillé de stations de base mobile qui tiennent compte et s"adaptent aux bandes de fréquences disponibles. Dans cette thèse, nous développons une solution complète permettant de répondre aux cas d"utilisation contraints auxquels font face les organi- sations de sécurité publique et militaires. Cette solution permet, sur une seule bande de fréquenceLTE, le maillage sans fil de stations de base mobiles tout en maintenant l"accès au réseau de terminaux mobiles standards. Nous commençons par présenter les cas d"utilisation et les sys- tèmes de communications utilisés par les autorités militaires et de sécurité publique. Nous présentons alors les scénarios associés et en dérivons des exigences fonctionnelles afin de concevoir un nouveau système de communication couvrant ces cas d"utilisations et appor- tant de nouveaux services. Nous soulignons ensuite les contraintes spécifiques qui s"appliquent à ces systèmes de communication dues aux environnements spécifiques dans lesquels ils sont utilisés, en par- ticulier les contraintes limitant l"accès aux ressources spectrales. Ces contraintes influencent la conception du système et mènent au choix duLTEpour réaliser à la fois le réseau d"accès sans fil pour terminaux mobiles et les interconnexions entre les stations de base du système. Nous présentons alors un état de l"art rapide duLTEet comparons les fonctionnalités actuellement disponibles avec les exigences précé- demment définies. Soulignant les limitations des systèmes standards, nous détaillons les défis auxquels doit faire face une solution basée sur leLTEpour répondre aux dites exigences. Ensuite, nous présen- tons une nouvelle architecture d"infrastructure réseau qui permet la création de réseaux maillésLTEmulti-bonds. Celle-ci s"appuie sur une nouvelle station de base autonome et mobile qui dispose d"une fonctionnalité de maillage intra-bande : l" enhanced evolved Node B v vi (e 2 NB) . Nous détaillons ensuite les composants de cette architecture et de cette station de base pour répondre aux multiples défis identi- fiés. Plus particulièrement, nous évaluons le besoin de coordination entre stations de base et nous proposons un algorithme d"ordonnance- ment de ressources radio inter-couches afin de satisfaire les exigences de qualité de service des flux temps réel tout en maximisant le débit des flux élastiques. Pour démontrer la faisabilité de l"architecture pro- posée, nous implémentons l"interface sans fil inter stations de base sur la plateforme de radio logicielle OpenAirInterface et la compa- rons avec l"interface L TEclassique. Ensuite, nous évaluons l"efficacité et l"adaptabilité de l"algorithme d"ordonnancement proposé sur diffé- rentes topologies auxquelles nous appliquons des flux hétérogènes en termes d"exigences de qualité de service. Finalement, nous résumons les incertitudes restantes concernant les déploiements sur le terrain et nous concluons cette étude.

ACKNOWLEDGMENTS

This has not been an always easy journey. "Learn the hard way!" they said. I guess I somehow did, and I am quite happy that this journey was successful and is finally, as I am writing, coming to an end. But even though pursuing a PhD degree may look like a long and solitary walk, it cannot be started and surely not finished alone. That is why I would like to take these few lines to thank all the people that made this possible. First, I would like to thank Franck Andreani and Cyril Gazzano from Naval Group who offered me this opportunity, as well as Joël Caravetta, Jean-Hugues Chauvot, Patrick Saretti and all the other peo- ple in Naval Group I had the chance to work with. I, of course, thank my PhD advisor, Navid Nikaein, first for accept- ing to supervise this thesis, and mostly, for having been able to guide me successfully through it. I would like to thank all members of the thesis committee for tak- ing the time to read this thesis and providing their constructive and helpful feedback. I would like to thank my colleagues and friends from Eurecom, who greatly helped me getting over the difficulties and provided a lot of interesting discussions and ideas, as well as many laughs: Lau- rent Gallo, Konstantinos Alexandris, Jingjing Zhang, Chia-Yu Chang, Irfan Khan, Paolo Viotti, Pierre-Antoine Vervier, Xiwen Jiang, Qian- rui Li, Yongchao Tian, Shengyun Liu, Haifan Yin, Ruggero Schiavi, Anta Huang, Francesco Pace, Daniele Venzano, Kurt Cutajar, Elena Lukashova and many others that made that journey enjoyable! I sincerely thank my friends Colin, Jawad, Sammy and Lucas, who were far away but more than supportive and helpful all along, as well as Agnès for providing me the necessary joy over the final steps. Finally, I thank my parents and my sister for continuously support- ing me in my life, and in thatmaybe not so crazyidea this was! vii

CONTENTS

Abstract

iii

Résumé

v

Acknowledgments

vii

Contents

viii

List of Figuresxiii

List of Tablesxv

1 introduction1

1

1Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1

2Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

2 state of the art and problem statement5

2

1Uses cases and current solutions . . . . . . . . . . . . .5

2 1

1Military and Naval uses cases . . . . . . . . . . .5

2 1

2Public Safety uses cases . . . . . . . . . . . . . .8

2

2Network topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2 2

1Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2 2

2Scenarios of reference . . . . . . . . . . . . . . .12

2

3Problem Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

2 3

1High level requirements . . . . . . . . . . . . . .14

3 design constraints and rat choice17

3

1External constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

3

2RAT of autonomous network . . . . . . . . . . . . . . .18

3 2

1LTE state of the art . . . . . . . . . . . . . . . . .19

3 2

2Backhaul link consideration . . . . . . . . . . . .24

4 architecture of the autonomous bts27

4

1Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

4 1

1Support of Legacy UEs . . . . . . . . . . . . . .27

4 1

2Autonomous operation . . . . . . . . . . . . . .27

4

2Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

4

3e2NB states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

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