Tesis:
Implementation of Relay Nodes Using Software-Defined Radio : Application for 5G Communication Networks
- Autor: VERDECIA PEÑA, Randy
- Título: Implementation of Relay Nodes Using Software-Defined Radio : Application for 5G Communication Networks
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76783/
- Director/a 1º: ALONSO MONTES, José Ignacio
- Resumen: The increasing demand for faster data speeds, seamless connectivity, and ubiquitous coverage in mobile networks has propelled the advancement of cutting-edge technologies. These include cooperative systems that utilize relay nodes in LTE and the Integrated Access and Backhaul (IAB) architecture in 5G and future 6G networks. Cooperative networks enable multiple relay nodes to collaborate, enhancing network performance by reducing interference, extending coverage, and increasing capacity. However, this comes at the expense of introducing an additional delay. The IAB architecture not only encompasses the advantages of LTE relay technologies but also integrates access and backhaul functionalities, resulting in more efficient and costeffective mobile networks. Additionally, it accounts for the deployment of millimeterwave (mmWave) frequency bands.
The work developed in this thesis is a contribution to the design, implementation, and performance evaluation of multiple 3GPP standardized relay protocols for downlink LTE and 5G networks. Using the software-defined radio (SDR) platforms and algorithms developed in Matlab™, this thesis presents a series of testbenches to practically test and demonstrate the performance of two-hop cooperative communication networks for LTE/5G. These testbenches have demonstrated the ability to support high performance, due to the implemented relay protocols. Four protocols standardized by 3GPP have been developed for the two-hop cooperative LTE platform, namely, A&F, A&F with ZF pre-equalization stage, A&F with MMSE pre-equalization stage, and D&F. Improving the testbench developed for the LTE network, an improved two-hop platform has been implemented for a cooperative 5G network, where a proposed 5G signal compatible downlink D&F protocol has been developed. A 3GPP-inspired hardware implementation for the out-of-band IAB network has been proposed. Using the aforementioned SDR platforms and Pasternack's 60 GHz transmitter and receiver modules, a flexible mmWave D&F protocol has been designed and developed. Finally, a high-level hardware platform with radio and baseband units for the 26.5 GHz transceiver-based IAB-D&F architecture is presented, where the mmWave transmitter and receiver modules have been designed and manufactured in the Research Group. The proposed IAB architectures consider the implementation of a phase noise cancellation algorithm based on the phase tracking reference signal to estimate and compensate the phase noise of the oscillators in the mmWave transceivers.
The thesis provides measurements and experimental results, analyses the computational complexity of the implemented protocols, and presents and discusses the experimental obtained results. It should be noted that the presented metrics have been carried out in real scenarios, both indoors and outdoors. The comparison of the theoretical results with those obtained using off-the-shelf available instrumentation demonstrates the correct functionality of the developed architectures, protocols, and algorithms.
RESUMEN
La creciente necesidad de velocidades de datos más rápidas, conectividad ininterrumpida y cobertura ubicua en las redes móviles han impulsado el desarrollo de tecnologías de vanguardia, como los sistemas cooperativos usando nodos repetidores para LTE y la arquitectura IAB en 5G y futura 6G. Las redes cooperativas permiten que varios nodos de retransmisión colaboren y mejoren el rendimiento de la red reduciendo las interferencias, ampliando la cobertura y potenciando la capacidad a costa de introducir un retardo adicional. La arquitectura IAB conserva las mismas ventajas de las tecnologías de retransmisión de LTE, así como integra las funcionalidades de acceso y backhaul, creando redes móviles más eficientes y rentables. Además, usan las bandas milimétricas para su despliegue.
El trabajo desarrollado en la presente tesis, constituye una contribución al diseño, implementación y evaluación del rendimiento de múltiples protocolos de retransmisión estandarizados por 3GPP, para el enlace descendente de redes LTE y 5G. Utilizando la plataforma de radio definida por software (SDR) y el software desarrollado en Matlab™, en esta tesis se presentan una serie de bancos de medidas para comprobar y demostrar de forma práctica el funcionamiento de redes de comunicaciones cooperativas de dos saltos para LTE/5G. Estos bancos de pruebas han demostrado capacidad de soportar altas prestaciones, debido a los protocolos de retransmisión implementados. Se han desarrolla cuatro protocolos estandarizados por el 3GPP para los bancos de pruebas LTE cooperativos de dos saltos, en concreto, los protocolos A&F, A&F con etapa de preecualización ZF, A&F con etapa de preecualización MMSE, y D&F. Mejorando la plataforma desarrollado para la red LTE, se ha implement ado un banco de pruebas mejorado de dos saltos para una red 5G cooperativa, donde se ha desarrollado una propuesta de protocolo D&F de enlace descendente compatible con la señal 5G. Se ha propuesto una implementación de hardware inspirada en el 3GPP para la red IAB fuera de banda. Empleando la plataforma SDR mencionada y los módulos transmisor y receptor de 60 GHz de Pasternack, se ha diseñado y desarrollado un protocolo D&F en bandas milimétricas flexible. Por último, se presenta una plataforma hardware de alto nivel con unidades de radio y banda base para la arquitectura IAB-D&F basada en un transceptor de 26.5 GHz, en la que los módulos transmisor y receptor en milimétricas han sido diseñados y fabricados en el Grupo de Investigación. Las arquitecturas IAB propuestas consideran la implementación de un algoritmo de cancelación de ruido de fase basado en el seguimiento en fase de la señal de referencia para estimar y compensar el ruido de fase de los osciladores en los transceptores de milimétricas.
En la tesis se proporcionan medidas y resultados experimentales, se analiza la complejidad computacional de los protocolos implementados y se presentan y discuten los resultados experimentales obtenidos. Destacar que los resultados presentados se han realizado en escenarios reales, tanto en interiores como exteriores. La comparación de los resultados teóricos con los obtenidos mediante la instrumentación comercial disponible demuestran la correcta funcionalidad de las arquitecturas, protocolos y algoritmos desarrollados. Finalmente se presentan una serie de conclusiones y se analizan futuras lineas de investigación.