The always-increasing number of mobile subscribers, the growing demand for mobile data, and the emergence of new applications require cellular systems to be constantly improved. The last generation of cellular networks, i.e., 5G, stands out for its high performance and extreme flexibility, making it possible to support multiple use cases with diverse and stringent service requirements. One of the main novelties is represented by the possibility to communicate at millimeter wave (mmWave) frequencies, providing access to an unprecedented amount of radio resources which can theoretically enable extremely high data rates. However, signals propagating at these frequencies experience harsh conditions, posing several challenges for the realization of efficient mmWave cellular systems. The grand objective of this thesis is to provide innovative solutions to overcome the limitations of mmWave communications and exploit the potential of this technology in the context of 5G and beyond cellular networks. In particular, we (i) present novel simulation tools, including channel, antenna, and beamforming models for the accurate characterization of next-generation cellular systems; (ii) identify the potential and challenges for the realization of wireless-backhauled mmWave deployments, and present a semi-centralized resource partitioning scheme for this type of networks; (iii) analyze the cross-layer challenges arising from the integration of Hybrid Beamforming (HBF) and Multi User MIMO (MU-MIMO) in mmWave cellular systems; (iv) introduce a novel framework to enable network slicing in mmWave Radio Access Networks (RANs); and (v) evaluate the feasibility of providing vehicular communication services by means of mmWave communications. We adopt a system-level approach that allow us to properly characterize the network behavior, considering the full protocol stack and all the elements that have an impact on the performance of the end-users. Our results demonstrate the effectiveness of the proposed solutions, breaking new ground towards more efficient and high-performance mmWave cellular systems.

A causa del sempre maggior numero di utenti, della crescente domanda di dati mobili e della nascita di nuove applicazioni, le reti cellulari necessitano di costante aggiornamento. L’ultima generazione di reti mobili, le reti 5G, è caratterizzata da elevate prestazioni ed estrema flessibilità, grazie alle quali è possibile supportare vari casi d’uso con diversi requisiti di servizio. Le comunicazioni a frequenze millimetriche rappresentano una delle principali novità dello standard 5G, perché consentono l’utilizzo di una vasta porzione di risorse radio ed il raggiungimento di elevate velocità di trasmissione. Tuttavia, la realizzazione di sistemi cellulari operanti a tali frequenze è soggetta a numerose problematiche che derivano dalle severe condizioni di propagazione dei segnali radio. Questa tesi si pone l’obiettivo di fornire soluzioni innovative per risolvere le problematiche realizzative e sfruttare appieno i benefici di questa tecnologia. Nello specifico, (i) vengono presentati nuovi strumenti per la simulazione delle reti di prossima generazione, tra cui un modello di canale e modelli per la caratterizzazione delle antenne e delle operazioni di beamforming; (ii) vengono identificati i benefici e le problematiche relative alla realizzazione di reti millimetriche con backhaul senza fili e viene presentato un efficiente meccanismo di ripartizione delle risorse; (iii) viene analizzata l’interazione cross-layer che deriva dall’utilizzo congiunto di soluzioni HBF e MU-MIMO; (iv) viene introdotto un sistema innovativo per l’implementazione del paradigma di network slicing all’interno di una rete di accesso a frequenze millimetriche e, infine, (v) viene valutata la possibilità di supportare servizi di comunicazioni veicolare attraverso comunicazioni a frequenze millimetriche. L’approccio di tipo “system-level” utilizzato in questa tesi permette di caratterizzare il comportamento della rete in modo adeguato, prendendo in considerazione l’intero stack protocollare e tutti gli elementi che influenzano le prestazioni degli utenti finali. I risultati ottenuti dimostrano l’efficacia delle soluzioni proposte, aprendo nuove strade per la realizzazione di reti cellulari più efficienti e performanti.

Analisi e progettazione di modelli, algoritmi e architetture per reti cellulari di prossima generazione / Zugno, Tommaso. - (2022 Mar 10).

Analisi e progettazione di modelli, algoritmi e architetture per reti cellulari di prossima generazione

ZUGNO, TOMMASO
2022

Abstract

The always-increasing number of mobile subscribers, the growing demand for mobile data, and the emergence of new applications require cellular systems to be constantly improved. The last generation of cellular networks, i.e., 5G, stands out for its high performance and extreme flexibility, making it possible to support multiple use cases with diverse and stringent service requirements. One of the main novelties is represented by the possibility to communicate at millimeter wave (mmWave) frequencies, providing access to an unprecedented amount of radio resources which can theoretically enable extremely high data rates. However, signals propagating at these frequencies experience harsh conditions, posing several challenges for the realization of efficient mmWave cellular systems. The grand objective of this thesis is to provide innovative solutions to overcome the limitations of mmWave communications and exploit the potential of this technology in the context of 5G and beyond cellular networks. In particular, we (i) present novel simulation tools, including channel, antenna, and beamforming models for the accurate characterization of next-generation cellular systems; (ii) identify the potential and challenges for the realization of wireless-backhauled mmWave deployments, and present a semi-centralized resource partitioning scheme for this type of networks; (iii) analyze the cross-layer challenges arising from the integration of Hybrid Beamforming (HBF) and Multi User MIMO (MU-MIMO) in mmWave cellular systems; (iv) introduce a novel framework to enable network slicing in mmWave Radio Access Networks (RANs); and (v) evaluate the feasibility of providing vehicular communication services by means of mmWave communications. We adopt a system-level approach that allow us to properly characterize the network behavior, considering the full protocol stack and all the elements that have an impact on the performance of the end-users. Our results demonstrate the effectiveness of the proposed solutions, breaking new ground towards more efficient and high-performance mmWave cellular systems.
Design and Evaluation of Models, Algorithms, and Architectures for Next-generation Cellular Networks
10-mar-2022
A causa del sempre maggior numero di utenti, della crescente domanda di dati mobili e della nascita di nuove applicazioni, le reti cellulari necessitano di costante aggiornamento. L’ultima generazione di reti mobili, le reti 5G, è caratterizzata da elevate prestazioni ed estrema flessibilità, grazie alle quali è possibile supportare vari casi d’uso con diversi requisiti di servizio. Le comunicazioni a frequenze millimetriche rappresentano una delle principali novità dello standard 5G, perché consentono l’utilizzo di una vasta porzione di risorse radio ed il raggiungimento di elevate velocità di trasmissione. Tuttavia, la realizzazione di sistemi cellulari operanti a tali frequenze è soggetta a numerose problematiche che derivano dalle severe condizioni di propagazione dei segnali radio. Questa tesi si pone l’obiettivo di fornire soluzioni innovative per risolvere le problematiche realizzative e sfruttare appieno i benefici di questa tecnologia. Nello specifico, (i) vengono presentati nuovi strumenti per la simulazione delle reti di prossima generazione, tra cui un modello di canale e modelli per la caratterizzazione delle antenne e delle operazioni di beamforming; (ii) vengono identificati i benefici e le problematiche relative alla realizzazione di reti millimetriche con backhaul senza fili e viene presentato un efficiente meccanismo di ripartizione delle risorse; (iii) viene analizzata l’interazione cross-layer che deriva dall’utilizzo congiunto di soluzioni HBF e MU-MIMO; (iv) viene introdotto un sistema innovativo per l’implementazione del paradigma di network slicing all’interno di una rete di accesso a frequenze millimetriche e, infine, (v) viene valutata la possibilità di supportare servizi di comunicazioni veicolare attraverso comunicazioni a frequenze millimetriche. L’approccio di tipo “system-level” utilizzato in questa tesi permette di caratterizzare il comportamento della rete in modo adeguato, prendendo in considerazione l’intero stack protocollare e tutti gli elementi che influenzano le prestazioni degli utenti finali. I risultati ottenuti dimostrano l’efficacia delle soluzioni proposte, aprendo nuove strade per la realizzazione di reti cellulari più efficienti e performanti.
Analisi e progettazione di modelli, algoritmi e architetture per reti cellulari di prossima generazione / Zugno, Tommaso. - (2022 Mar 10).
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