Addressing 5G enhanced mobile broadband and lean signaling based on dual-connectivity and channel hardening occurence

Fifth Generation (5G) systems are expected to deploy massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) antennas and operate with millimeter waves in order to support a significantly increasing data traffic. With more antennas and wider bandwidth, Channel Quality Indicator (CQI) estimation and reporting will be computationally demanding, increasing signaling between Base Stations (BSs) and User Equipments (UEs). In this context, the present thesis analyzes two strategies to address both problems: increasing data traffic and signaling. The first strategy is to exploit the reduction of channel fluctuations due to the use of narrow beams with large antenna arrays, i.e., the channel “hardens”. When this phenomenon happens, upper layer functions related to measurements can be optimized and signaling reduced. The second strategy concerns the adoption of a tight integration between 5G NR and LTE. More precisely, the UEs would be allowed to be simultaneously connected to both Radio Access Technologies (RATs), the so-called Dual Connectivity (DC). Before addressing these two strategies, we present an overview of the main 5G features used in this thesis and standardized in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) specification release 15. After that, we present general analyses related to DC and Channel Hardening (CH) occurrence. Finally, we investigate these concepts from the perspective of Radio Resource Allocation (RRA). More specifically, frameworks related to CQI measurement and reporting based on CH occurrence are proposed. Besides, we also propose procedures for base station selection and resource assignment in a multi-RAT multi-connectivity system. Numerical analyses considering 5G system parameters are presented validating the proposed methods and showing that they improve system performance. Sistemas 5G serão baseados na implantação de largos conjuntos de antenas operando no espectro de ondas milimétricas para suportar o aumento significativo no tráfego de dados. Com mais antenas e maior largura de banda, a estimação da qualidade do canal e o envio dessas medidas do usuário para a estação rádio base serão processos computacionalmente mais complexos que os atuais e envolverão maior sinalização. Neste contexto, a presente tese analisa duas estratégias para tratar ambos os problemas: aumento de tráfego de dados e de sinalização. A primeira estratégia consiste em explorar a redução das flutuações do canal devido ao uso de feixes estreitos com largos conjuntos de antenas (o canal “endurece”). Quando este fenômeno ocorre, funções de camadas superiores baseadas em medições podem ser otimizadas. A segunda estratégia é relacionada à integração entre sistemas 5G e LTE. Mais precisamente, os usuários têm a capacidade de se conectarem simultaneamente a sistemas de ambas as tecnologias. Isto é chamado conexão dual. Antes de abordar essas duas estratégias, apresentamos uma visão geral das principais características do 5G usadas nessa tese e padronizadas pelas especificações do 3GPP versão 15. Depois disso, apresentamos análises gerais relacionadas à conexão dual e ao endurecimento do canal. Finalmente, investigamos esses dois conceitos da perspectiva da alocação de recursos de rádio. Mais especificamente, propomos soluções baseadas no endurecimento do canal e relacionadas à medição da qualidade do canal e ao envio destes dados. Além disso, também apresentamos soluções para seleção de estação rádio base e alocação de recursos em sistemas com múltiplas tecnologias e múltiplas conexões. Análises numéricas considerando parâmetros 5G são apresentadas para validar os métodos propostos.