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Inter-RAT Mobility Robustness Optimization in Self-Organizing Networks

Awada, Ahmad :
Inter-RAT Mobility Robustness Optimization in Self-Organizing Networks.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Inter-RAT Mobility Robustness Optimization in Self-Organizing Networks
Language: English
Abstract:

The massive growth in mobile data communication requires new more efficient Radio Access Technology (RAT) such as Long Term Evolution (LTE) being deployed on top of legacy mobile communication systems. Inter-RAT handovers are triggered either when the signal level of the serving RAT becomes weak while a sufficiently high signal level is measured from another RAT, or by traffic steering policies for balancing the load among different RATs, for example. Trouble-free operation of inter-RAT handovers requires an optimal setting of the handover parameters which is typically different for each cell and even location. Without knowing the detailed radio propagation conditions, directions and speeds of User Equipments (UEs), network planning can only provide a default setting which needs to be manually optimized during network operation with the aid of drive tests and expert knowledge. This manual optimization requires extensive human intervention which increases Operational Expenses (OPEX) of mobile operators and yields sub-optimal mobility performance due to limited means for more detailed root cause analysis. Therefore, automatic mechanisms have been requested by mobile operators to optimize the inter-RAT handover parameters. This optimization is known as inter-RAT Mobility Robustness Optimization (MRO) which is one of the use cases in Self-Organizing Network (SON).

The technical complexities and requirements on MRO are too difficult to be tackled efficiently and properly by existing manual optimization methods. Considering that mobile networks consist of a high number of cells, the number of handover thresholds to be optimized in a network is significant. Moreover, the intricate dependencies and interactions among the handover thresholds of different neighboring cells make MRO problems even more challenging and complicated. Current optimization methods such as the local search method Simulated Annealing, for example, can be used offline in the network planning phase, however, they cannot be applied online in real-time networks to dynamically react on the changes in the environment and traffic. From that perspective, new optimization methods are needed to address the challenges and limitations imposed by MRO. In this thesis, several novel and feasible inter-RAT MRO methods have been proposed and analyzed.

New key performance indicators which capture the different types of mobility failure events are proposed by the author of this thesis for the inter-RAT scenario. An inter-RAT handover is triggered by a dual-threshold measurement event where the first threshold corresponds to the serving cell and the second to the neighboring target cell of another RAT. This dual-threshold measurement event requires a more precise analysis of Too Late Handovers (TLHs). A TLH which is caused by the misconfigured serving cell threshold is distinguished from that which can be resolved by the target cell threshold. Thus, there are two types of TLHs in contrast to the intra-RAT case where a single type of TLH handover exists.

Inter-RAT handover thresholds of currently standardized RATs are configured and optimized cell-specifically. That is, the same handover thresholds are applied by the UEs irrespective of the neighboring handover target cell. The limitations of a cell-specific optimization approach are analyzed and a new cell-group specific optimization approach where the handover thresholds are differentiated with respect to a group of neighboring target cells is proposed. For both cell-specific and cell-group specific optimization approaches, an automatic algorithm is developed to optimize the inter- RAT handover thresholds. In order to analyze the impact of Time-to-Trigger (TTT), which is a time interval affecting the triggering of handovers, the MRO algorithm is extended to allow a joint optimization of handover thresholds and TTT. Based on findings that even cell-group specific parameters cannot resolve all mobility failure events in some cells where radio conditions are not stationary along the cell border, a more advanced location-specific approach is proposed. Unlike cell-based optimization approaches, the handover thresholds are configured and optimized per cell-area and they can be differentiated with respect to neighboring target cells.

Simulative investigations are carried out to evaluate the performance of the different optimization approaches. It has been shown that mobility failure events are rather located in specific cells. Accordingly, the same UEs are probably affected all the time by these mobility failures which leads to high user dissatisfaction. This clearly indicates the need of cell-specific handover thresholds to resolve the mobility problems in some cells. Moreover, it is shown that the optimization of target cell threshold in a cell-group specific manner yields an additional performance improvement compared to cell-specific optimization approach. The joint optimization approach of handover thresholds and TTT has shown advantages only when the handover thresholds are configured cell-specifically rather than cell-group specifically. The mobility failure events that are not resolved by cell-based optimization approaches are mitigated by cell-area based optimization approach.

The investigations and concepts in this thesis have directly impacted 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard. Several contributions related to cell-specific and cell-group specific optimization approaches have been submitted and adopted by LTE Release (Rel.) 11 standard.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das starke Wachstum bei der mobilen Datenkommunikation erfordert neue effizientere Mobilfunktechnologien (engl., Radio Access Technology (RAT)) wie Long Term Evolution (LTE), welche zusätzlich als sog. Overlay-Netze zu bestehenden Mobilfunksystemen eingesetzt werden. Ein Inter-RAT Handover ist ein Wechsel des mobilen Endgeräts (engl., User Equipment (UE)) von einer Mobilfunktechnologie zu einer anderen. Ein Inter-RAT Handover wird in der Regel dadurch ausgelöst, dass der Signalpegel des momentan versorgenden RATs schwach wird, während ein ausreichend hoher Signalpegel von einem anderen RAT zur Verfügung steht. Er kann aber auch aufgrund von Traffic Steering, einer vom Betreiber gezielten Verteilung des Verkehrsaufkommens über die verschiedenen RATs ausgelöst werden. Ein störungsfreier Betrieb der Wechsel zwischen den RATs erfordert eine optimale Einstellung der Handover-Parameter, die in der Regel pro Zelle, pro Zellpaar oder sogar im besten Fall sogar für einen definierten Ortsbereich konfiguriert werden. Die Netzplanung muss ohne Kenntnis der detaillierten Funkausbreitungsbedingungen, sowie der Bewegungsrichtungen und Geschwindigkeiten der mobilen Endgeräte auskommen und kann somit nur eine grobe Voreinstellung der Parameter bereitstellen, die dann später während des Netzbetriebes mit Hilfe von Drive-Tests und Expertenwissen optimiert werden müssen. Diese manuelle Optimierung erfordert umfangreiche menschliche Eingriffe, die erhöhte Betriebskosten (engl., Operational Expenses (OPEX)) für den Mobilfunkbetreiber bedeutet. Außerdem führt aufgrund der begrenzten Mittel für eine detailliertere Ursachenanalyse die manuelle Optimierung zu einer suboptimalen Handover-Qualität. Deshalb wurden von Mobilfunkbetreibern Mechanismen angefordert, die eine automatische Optimierung der Handover-Parameter ermöglichen. Dieser Mechanismus für den Inter-RAT Fall ist in der 3rd Generation Partnership Project (3GPP) als Inter-RAT Mobility Robustness Optimization (MRO) bekannt und gehört zu den Anwendungsfällen, welche in Rahmen von Self-Organizing Networks (SON) definiert sind. Die technische Komplexität und die Anforderungen an MRO machen eine effiziente und gründliche Optimierung mittels manueller Methoden nahezu unmöglich. Da ein Mobilfunknetz aus einer großen Anzahl von Zellen besteht, ist die gleichzeitige Optimierung der zellspezifischen Handover-Parameter eine große Herausforderung. Darüber hinaus machen die Abhängigkeiten und Wechselwirkungen der Handover-Schwellen zwischen den verschiedenen Nachbarzellen die Anforderungen an MRO noch schwieriger und komplizierter. Bekannte Optimierungsmethoden, etwa lokale Suchverfahren wie Simulated Annealing, könnten prinzipiell offline während der Planungsphase verwendet werden, aber nicht im online-Modus unter Echtzeitbedingungen, wo dynamisch auf die Veränderungen in der Umgebung sowie hinsichtlich des Verkehrsaufkommens reagiert werden muss. Aus dieser Perspektive werden neue Optimierungsverfahren benötigt, die den Herausforderungen und Einschränkungen von MRO genügen. Diesbezüglich werden in dieser Arbeit mehrere neue inter-RAT MRO Verfahren vorgeschlagen und analysiert, die diesen Anforderungen genügen. Zur detaillierten Analyse der Mobilitätsprobleme, die beim technologieübergreifenden Zellwechsel auftreten können, werden neue Key Performance Indikatoren vorgeschlagen. Ein Inter-RAT Handover wird von einem Ereignis ausgelöst, welches vom Erreichen der Schwellwerte zweier Messgrößen abhängt, nämlich wenn die Signalstärke der bedienenden Zelle unter den ersten Schwellwert fällt und gleichzeitig die Signalstärke einer benachbarten Zielzelle einer anderen RAT über der entsprechenden zweiten Schwelle liegt. Ein Verbindungsausfall (engl., Radio Link Failure (RLF)) durch einen zu spät veranlassten Handover (ein sog. Too Late Handover (TLH)) bedarf wegen der Abhängigkeit von zwei Schwellen einer genaueren Analyse, da nicht unmittelbar klar ist, welche der beiden Schwellen nicht erreicht wurde. Wegen der dualen Schwellenmessung gibt es im Gegensatz zum intra-RAT Fall zwei unterschiedliche Typen des TLHs. Der Standard sieht derzeit vor, dass die Schwellen zum Auslösen eines Inter-RAT Handovers zellspezifisch konfiguriert und optimiert werden. Das heißt, die UEs werden mit ein und denselben Messschwellen konfiguriert, unabhängig von der benachbarten Zelle. In dieser Arbeit wird zunächst die Leistungsfähigkeit einer zellspezifischen Optimierung analysiert und ein neuer zellgruppenspezifischer Optimierungsansatz vorgeschlagen, wo unterschiedliche Schwellenwerte in Bezug auf eine Gruppe von benachbarten Zielzellen konfiguriert werden können. Für beide Ansätze, den zellspezifischen und zellgruppenspezifischen, wird ein Algorithmus entwickelt, der eine automatische Optimierung der inter-RAT Handover Schwellen ermöglicht. Zug um Zug werden weitere Parameter, die die Auslösung des Handovers beeinflussen, analysiert und in den Algorithmus eingebunden. So auch das Zeitintervall zwischen der Erfüllung der beiden Ereignisbedingungen und der Meldung des Ereignisses an die Basisstation, genannt Time-to-trigger (TTT). Der Algorithmus wurde dahingehend erweitert, dass eine gemeinsame Optimierung der Handover-Schwellenwerte mit dem TTT möglich ist. Basierend auf den während der Arbeit erworbenen Erkenntnissen, dass auch zellgruppenspezifische Handover-Parameter nicht alle Mobilitätsprobleme lösen können, da selbst entlang einer Zellgrenze die Funkbedingungen nicht als stationär angenommen werden können, wird noch ein ortsbezogener Ansatz vorgeschlagen und untersucht. Im Gegensatz zu den zellbasierten Optimierungsansätzen werden die Handoverschwellen nun ortsspezifisch konfiguriert und optimiert, wobei in einer verfeinerten Variante diese auch noch hinsichtlich der benachbarten Zielzelle unterschieden werden können. Die Leistungsfähigkeit der verschieden Inter-RAT MRO Ansätze wird mittels simulativer Untersuchungen bewertet. Eine wichtige Erkenntnis war unter anderem, dass sich die inter-RAT Mobilitätsprobleme auf einige bestimmte Zellen beschränken. Dementsprechend sind es immer die gleichen UEs, die von Handoverproblemen betroffen sind, was zu einer hohen Unzufriedenheit dieser Benutzer führt. Diese örtliche Beschränkheit ist ein klares Indiz für die Notwendigkeit von mindestens zellspezifischen Handover-Schwellen. Bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Handover- Parameter auch noch bezüglich der Zielzelle oder einer Zielzellgruppe unterschiedlich konfiguriert werden. Bei der gemeinsamen Optimierung der Schwellenwerte zusammen mit dem TTT hat sich gezeigt, dass eine zellspezifische Optimierung der Handover-Schwellen der zellgruppenspezifischen überlegen ist. Alle Handoverprobleme, die nicht durch zellbasierte Optimierungsansätze gelöst werden, können durch den ortsspezifischen Ansatz behoben werden. Die hier vorgestellten Untersuchungen und Konzepte haben direkt den Arbeitsbereich SON des Standardisierungsgremiums 3GPP beeinflusst. Einige Beiträge im Zusammenhang mit den zellspezifischen und zellgruppenspezifischen Optimierungsansätze wurden eingereicht und sind im Rahmen von LTE Release (Rel.) 11 verabschiedet worden.German
Series Name: Darmstädter Dissertation D 17
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Mobility Robustness Optimization (MRO), Inter-RAT Handovers, Self-Organizing Networks (SONs), Cellular Networks, Network Planning, Automatic Optimizations, Handover Thresholds, Time-to-Trigger, Long-Term Evolution, 3rd Generation (3G) Mobile System, Taguchi's Method, Nearly Orthogonal Arrays.
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
Date Deposited: 28 Apr 2014 14:10
Last Modified: 28 Apr 2014 14:10
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-38716
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Mitschele-Thiel, Prof. Dr.- Andreas
Refereed: 12 March 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3871
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