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Adaptive Cellular Layout in Self-Organizing Networks using Active Antenna Systems

Kifle, Dereje W. :
Adaptive Cellular Layout in Self-Organizing Networks using Active Antenna Systems.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

Adaptive Cellular Layout in Self-Organizing Networks using Active Antenna Systems Dereje.Kifle.PhD.Thesis.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Adaptive Cellular Layout in Self-Organizing Networks using Active Antenna Systems
Language: English

The rapidly growing demand of capacity by wireless services is challenging the mobile industry with a need of new deployment strategies. Besides, the nature of the spatial and temporal distribution of user traffic has become heterogeneous and fluctuating intermittently. Those challenges are currently tackled by network densification and tighter spatial reuse of radio resources by introducing a heterogeneous deployment of small cells embedded in a macro cell layout. Since user traffic is varying both spatially and temporally, a so called busy hour planning is typically applied where enough small cells are deployed at the corresponding locations to meet the expected capacity demand. This deployment strategy, however, is inefficient as it may leave plenty of network resources under-utilized during non-busy hour, i.e., most of the operation time. Such over-provisioning strategy incurs high capital investment on infrastructure (CAPEX) as well as operating cost (OPEX) for operators. Therefore, optimal would be a network with flexible capacity accommodation by following the dynamics of the traffic situation and evading the inefficiencies and the high cost of the fixed deployment approach.

The advent of a revolutionizing base station antenna technology called Active Antenna Systems (AAS) is promising to deliver the required flexibility and dynamic deployment solution desired for adaptive capacity provisioning. Having the active radio frequency (RF) components integrated with the radiating elements, AAS supports advanced beamforming features. With AAS-equipped base station, multiple cell-specific beams can be simultaneously created to densify the cell layout by means of an enhanced form of sectorization. The radiation pattern of each cell-beam can be dynamically adjusted so that a conventional cell, for instance, can be split into two distinct cells, if a high traffic concentration is detected. The traffic in such an area is shared among the new cells and by spatially reusing the frequency spectrum, the cell-splitting (sectorization) doubles the total available radio resources at the cost of an increased co-channel interference between the cells.

Despite the AAS capability, the realization of flexible sectorization for dynamic cell layout adaptation poses several challenges. One of the challenges is that the expected performance gain from cell densification can be offset by the ensuing co-channel interference in the system. It is also obvious that a self-organized autonomous management and configuration is needed, if cell deployment must follow the variation of the user traffic over time and space by means of a sectorization procedure. The automated mechanism is desired to enhance the system performance and optimize the user experience by automatically controlling the sectorization process. With such a dynamic adaptation scheme, the self-organizing network (SON) facilities are getting a new dimension in terms of controlling the flexible cell layout changes as the environment including the radio propagation characteristics cannot be assumed stationary any longer. To fully exploit the flexible sectorization feature in three-dimensional space, reliable and realistic propagation models are required which are able to incorporate the dependency of the radio channel characteristics in the elevation domain. Analysis of the complex relationship among various system parameters entails a comprehensive model that properly describes the AAS-sectorization for conducting detailed investigation and carrying out precise evaluation of the ensuing system performance.

A novel SON algorithm that automates the AAS-sectorization procedure is developed. The algorithm controls the activation/deactivation of cell-beams enabling the sectorization based cell layout adjustment adaptively. In order to effectively meet the dynamically varying network capacity demand that varies according to the spatial user distribution, the developed SON algorithm monitors the load of the cell, the spatial traffic concentrations and adapts the underlying cell coverage layout by autonomously executing the sectorization either in the horizontal or vertical plane. The SON algorithm specifies various procedures which rely on real time network information collected using actual signal measurement reports from users. The particular capability of the algorithm is evading unforeseen system performance degradation by properly executing the sectorization not only where in the network and when it is needed, but also only if the ensuing co-channel interference does not have adverse impact on the user experience. To guarantee the optimality of the network performance after sectorization, a performance metric that takes both the expectable gain from radio resource and impact of the co-channel interference into account is developed. In order to combat the severity of the inter-cell interference problem that arises with AAS-sectorization between the co-channel operated cells, an interference mitigation scheme is developed in this thesis. The proposed scheme coordinates the data transmission between the co-sited cells by the transmission muting principle. To ensure that the transmission muting is not degrading the overall system performance by blanking more data transmission, a new SON algorithm that controls the optimal usage the proposed scheme is developed.

To appropriately characterize the spatial separation of the cell beams being activated with sectorization, a novel propagation shadowing model that incorporates elevation tilt parameter is developed. The new model addresses the deficiencies of the existing tilt-independent shadowing model which inherently assumes a stationary propagation characteristics in the elevation domain. The tilt-dependent shadowing model is able to statistically characterize the elevation channel variability with respect to the tilt configuration settings. Simplified 3D beamforming models and beam pattern synthesis approaches required for fast cell layout adaptation and dynamic configuration of the AAS parameters are developed for the realization of various forms of AAS-based sectorization. Horizontal and vertical sectorization are the two forms of AAS-based sectorization considered in this thesis where two beams are simultaneously created from a single AAS to split the underlying coverage layout in horizontal or vertical domain, respectively.

The performance of the developed theoretical AAS-sectorization concepts and models are examined by means of system level simulations considering the Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) macro-site deployment within exemplifying scenarios. Simulation results have demonstrated that the SON mechanism is able to follow the different conditions when and where the sectorization delivers superior performance or adversely affects the user experience. Impacts on the performance of existing SON operations, like Mobility Robustness Optimization (MRO), which are relying on stationary cell layout conditions have been studied. Further investigations are carried out in combination with the cell layout changes triggered by the dynamic AAS-based sectorization. The observed results have confirmed that proper coordination is needed between the SON scheme developed for AAS sectorization and the MRO operation to evade unforeseen performance degradation and to ensure a seamless user experience.

The technical concepts developed in this thesis further have impacted the $3^\textrm{rd}$ Generation Partnership Project (3GPP) SON for AAS Work Item (WI) discussed in the Radio Access Network (RAN)-3 Work Group (WG). In particular, the observed study results dealing with the interworking of the existing SON features and AAS sectorization have been noted in the standardization work.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die rasch wachsende Nachfrage nach Mobilfunkkapazität stellt die Mobilfunkindustrie vor immer neue Herausforderungen und verlangt nach neuen Strategien hinsichtlich des Netzausbaus. Dabei gilt es gerade, das sowohl zeitlich wie auch räumlich sehr schwankende Verkehrsaufkommen in effizienter Weise zu bewältigen. Traditionell wird für Bereiche mit höherem Kapazitätsbedarf, als Ma{\ss}nahme eine Verdichtung der zellularen Struktur in heterogener Weise vorgesehen. Dabei werden sogenannte Pico-Zellen oder "small cells" in eine Makrozelle eingebettet und erreicht so durch die dichtere räumliche Wiederverwendung der Funkressourcen eine Erhöhung der Netzkapazität. Die Funknetzplanung bedient sich dabei der "busy hour" Regel, d. h. man stellt so viele Funkressourcen bzw. so viele kleine Zellen an den entsprechenden Standorten auf, dass es in der "Stunde der höchsten Verkehrslast" nicht zu Engpässen kommt. Diese Überversorgungsstrategie ist jedoch nicht besonders effizient, da zu einem gro\ss{}en Teil der Betriebszeit viele Netzwerkressourcen ungenutzt bleiben, was für den Netzbetreiber hohe Investitionen in die Infrastruktur (CAPEX) sowie hohe Betriebskosten (OPEX) bedeutet. Wünschenswert wäre deshalb ein Netzwerk, dessen Kapazität sich flexibel an die dynamische Verkehrssituation anpasst und die teure "busy hour" Strategie mit maximaler und fixer Ressourcenbereitstellung umgeht. Neue revolutionäre Basisstationsantennentechnologien, bei der jedes Antennenelement mit einer aktiven Komponente wie Verstärker kombiniert ist, aktive Antennensysteme (AAS) genannt, verspricht die nötige Flexibilität und gewünschte dynamische Bereitstellungsstrategie für die adaptive Kapazitätsversorgung. Durch die direkte Phasen- und Amplitudensteuerung jedes einzelnen Antennenelements unterstützt das AAS eine deutlich verbesserte Beamforming-Funktionalität, die eine neue Art der "Sektorisierung" mit dynamischer Zellverdichtung ermöglicht. Wird in einer konventionellen Zelle eine Überlastsituation festgestellt, lässt sich die Strahlungskeule der konventionellen Zelle in zwei neue, kleinere Beams aufteilen, welche als neue Zellen bzw. Sektoren dienen. Durch die weitere Zellaufteilung (Sektorisierung) werden die Funkressourcen in diesem Bereich durch die räumliche Wiederverwendung des Frequenzspektrums verdoppelt und so die Verkehrslast auf die beiden neuen Zellen verteilt. Diese Art der dynamischen Gestaltung der zellularen Netzstruktur mittels AAS birgt aber auch einige Herausforderungen. Durch die zusätzlichen Zellen ergeben sich mehr Zellgrenzbereiche und somit zusätzlich Areale mit erhöhter Interzellinterferenz, die der erwarteten Systemkapazitätssteigerung durch Zellverdichtung entgegenwirken. Au\ss{}erdem gilt es den sich zeitlich und räumlich ändernden Verkehr im Blick zu haben, um gezielt eine Zellverdichtung mittels Sektorisierung vornehmen zu können. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden und um mit dieser Methode eine Steigerung der Systemleistung und Optimierung der Dienstgüte beim Endnutzer erreichen zu können, ist ein automatischer, sich selbstorganisierender Management- und Konfigurationsmechanismus notwendig. Mit einer solchen dynamischen Anpassung der Zellstruktur geht die Selbstorganisation der Netze in eine neue Dimension, da das zelluläre Netz inklusive der Funkausbreitungsbedingungen nicht mehr als stationär angesehen werden kann. Um dies gewährleisten und voll ausnutzen zu können, werden zuverlässige und realistische Ausbreitungsmodelle benötigt, die die Abhängigkeit der Funkkanalcharakteristik von der Veränderung der Strahlungskeule abbilden. Dies sowie die komplexen Beziehungen verschiedener Systemparameter bedingen ein umfassendes systemtheoretisches Model der AAS-basierten Sektorisierung, um detaillierte Untersuchungen und eine präzise Auswertung der erwarteten Systemleistungsgewinne zu ermöglichen. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit ist die Entwicklung eines geeigneten SON Algorithmus, der die gesamte Prozedur der AAS-basierten Sektorisierung automatisiert. Er steuert die Aktivierung und Deaktivierung von Strahlungskeulen, welche die Zellen bzw. Sektoren repräsentieren, und ermöglicht somit die verkehrsadaptive Anpassung des sektorbasierten Zellaufbaus mittels Zellteilung und Verschmelzung. Um die dynamischen Kapazitätsanforderungen durch variierende räumliche Nutzerverteilungen effektiv bereitstellen zu können, überwacht der neu entwickelte SON Algorithmus sowohl die Last wie auch die räumliche Verteilung des Datenverkehrs in einer Funkzelle und adaptiert die darunterliegende Funkzellenabdeckung durch autonome Sektorisierung in der horizontalen oder vertikalen Ebene. Der Algorithmus verwendet verschiedene Prozeduren, die von Echtzeitnetzdaten abhängen, welche wiederum aus Signalmessberichten der Endnutzerterminals gewonnen werden. Eine mögliche Verschlechterung der Systemleistung verhindert der Algorithmus dadurch, dass vor der Durchführung der Sektorisierung sichergestellt wird, dass die Gleichkanalinterferenz keinen negativen Einfluss auf die Nutzer hat. Dazu wurde eine Leistungsmetrik entwickelt, die den negativen Einfluss der Gleichkanalinterferenz den erwarteten Gewinnen durch die Zellverdichtung mit zusätzlichen Funkressourcen gegenüberstellt. Um das Interzellinterferenzproblem, das durch die AAS-basierte Sektorisierung an den neuen Zellgrenzen auftritt zu mildern, wird in dieser Arbeit eine weitere neue Methode entwickelt, welche die Datenübertragung in den benachbarten Funkzellen mit Hilfe des Prinzips der Übertragungsstummschaltung koordiniert. Um sicherzustellen, dass die partielle Stummschaltung von Ressourcen die Gesamtsystemleistung nicht verringert, wird der SON Algorithmus dahingehend erweitert, dass auch diese Methode in optimaler Weise genutzt wird. Um die Zellteilung mittels Änderung der Strahlungskeule richtig charakterisieren zu können, wurde ein neues erweitertes Funkausbreitungsmodell entwickelt, das ein neigungsspezifisches Abschattungsmodel (Shadowing) enthält. Entgegen der bestehenden Shadowing-Modelle, welche eine stationäre neigungsunabhängige Ausbreitungseigenschaft in der Elevationsebene haben, wird nun ein neigungsabhängiges Shadowing Modell vorgeschlagen, das zudem in der Lage ist, die Variabilität des Funkkanals abhängig von der Höhe der Endnutzer statistisch zu charakterisieren. Für die simulationsbasierte Realisierung der unterschiedlichen Varianten der AAS-basierten Sektorisierung, d.h. die schnelle Änderung des Zelllayouts mittels dynamischer Konfiguration der AAS-Parameter, werden vereinfachte 3D-Beamforming Modelle und synthetische Strahlungsmuster entwickelt. Die horizontale und vertikale Sektorisierung sind die beiden Formen der AAS-basierten zellulären Netzlayoutänderung, die in dieser Arbeit betrachtet werden. Der ursprünglich Sektor wird durch Generierung von zwei neuen schmaleren Strahlungskeulen in zwei neue Sektoren aufgespalten, die von einem einzelnen AAS gleichzeitig erzeugt werden, was sowohl in der horizontalen wie auch in der vertikalen Domäne möglich ist. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten AAS-basierten dynamischen Zellverdichtungskonzepts und dessen SON-gesteuerte automatische Kontrolle wird mittels System-Level-Simulationen untersucht. Als Testszenarien werden makrozellulare Netzmodelle mit Basisstationen verwendet, die mit der Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) Technologie betrieben werden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der entwickelte SON Mechanismus das Netzlayout auf die unterschiedlichen Bedingungen anpassen kann, und sie machen deutlich, wann und wo die Sektorisierung Gewinn bringt bzw. sie sich nachteilig auf den Endnutzer auswirkt. Ebenfalls wurde die Wechselwirkung des neuen SON Mechanismus für die adaptive Zelladaptation mit bereits existierenden SON Funktionen, wie z.B. Mobility Robustness Optimization (MRO) erforscht, da diese bislang von einem stationären Zelllayout ausgingen. Die Untersuchungen ergaben, dass es einer Koordinierung der beiden SON Funktionalitäten bedarf, d.h. zwischen dem SON Mechanismus für die AAS-basierte Sektorisierung und dem MRO Betrieb, um unvorhersehbare Leistungseinbu\ss{}en zu vermeiden und ein reibungsloses Endnutzererlebnis zu gewährleisten. Die technischen Konzepte welche im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden, sind au\ss{}erdem in das SON Arbeitspaket für AAS-basierte Netzadaption innerhalb der Radio Access Network (RAN) Arbeitsgruppe 3 des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) eingeflossen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
Date Deposited: 23 May 2017 10:10
Last Modified: 23 May 2017 10:10
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62348
Referees: Klein, Prof. Dr. Anja and Kürner, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 28 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6234
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