Assessment methods for secondary wireless networks

Achtzehn, Andreas; Zander, Jens; Mähönen, Petri Heikki

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-013108

Assessment methods for secondary wireless networks = Bewertungsmethoden für sekundäre Drahtlosnetzwerke

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Ingenieur Diplom-Wirtschaftsingenieur Andreas Achtzehn aus Gronau (Westfalen)

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XIII, 297 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mähönen, Petri Heikki (Thesis advisor) ; Zander, Jens (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-02-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-013108
DOI: 10.18154/RWTH-2016-01310
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/569606/files/569606.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei) ; spectrum (frei) ; policy (frei) ; dynamic spectrum access (frei) ; TVWS (frei) ; mobile radio Networks (frei) ; wireless (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die heutige vernetzte Gesellschaft zeichnet sich durch einen beispiellosen und wachsenden Bedarf an Funkkapazität aus. Neue technische Innovationen sowohl in der physikalischen Schicht als auch auf der Netzwerkebene werden notwendig werden, um zukünftige Drahtlosnetzwerke entsprechend skalieren zu können. Solche Entwicklungen werden jedoch einhergehen müssen mit einer Veränderung der Art, wie Spektrum, die fundamentale Ressource und Grenze drahtloser Kommunikation, verwaltet wird. Jenseits von Erweiterungen traditionaler Methoden der Spektrumsverwaltung wurden zuletzt neue Methoden zum Spektrumszugriff auf sekundärer Nutzungsbasis vorgeschlagen. Diese wurden bereits umfassend im akademischen, industriellen und regulatorischem Kontext diskutiert, jedoch finden sich bisher nur wenige praktische Umsetzungen. Es wird angenommen, dass Unsicherheiten über den technischen und ökonomischen Wert eines Spektrumsharings das beobachtete Zögern begründen. Um diese Lücke zu füllen, wird als Hauptbeitrag in dieser Arbeit ein Rahmenwerk zur vereinheitlichten Bewertung von sekundären Spektrumsnutzungen für Drahtlosnetzwerke entwickelt. Eine Spektrumsbewertungssoftware wurde auf Grundlage dieses Vorschlages entwickelt, welche eine detaillierte, integrierte technische und regulatorische Analyse ermöglicht.Hauptbestreben von Sekundärsnutzungsszenarien ist der Schutz des bisherigen Spektrumsnutzers vor einer Verschlechterung der Spektrumsqualität aufgrund von erhöhter Interferenz. In dieser Arbeit untersuchen wir Optionen und notwendige Abwägungen für verschiedene prototypische Schutzmodelle unter Berücksichtigung der primären Dienstqualitätsreduktion und der technischen Betriebsparameter des Sekundärnutzers. Wir quantifizieren insbesondere das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärnutzer im Rahmen einer Fallstudie für das deutsche Fernsehrundfunknetz. Zusätzlich zu unser Sensitivitätsanalyse enthält diese Arbeit realistische Verfügbarkeitsstatistiken für die ungenutzten Rundfunkbänder in Deutschland, den sogenannten TV whitespaces (TVWS).Aktuelle Vorschläge für Sekundärnutzungsrichtlinien basierend auf Geolokalisationsdatenbanken können, aufgrund der eingeschränkten Genauigkeit genutzter Funkausbreitungsmodelle, zu erhöhter Interferenz oder niedriger Systemleistung führen. Dies hat uns motiviert, eine funktionelle Erweiterung dieser Datenbanken vorzuschlagen, welche es ihnen erlaubt, Zusatzinformationen über die lokale Primärsignalstärke zur Prädiktionsverbesserung zu verwenden. Wir untersuchen die Nutzbarkeit verschiedener modellbasierter und modellfreier Schätzmethoden für solche hybriden Konzepte. Unsere Analyse basiert auf umfangreichen Datensätzen, die in Messkampagnen gesammelt wurden, und synthetischen Spektrumsdaten. Darüber hinaus vergleichen wir unsere Ergebnisse mit den theoretischen Grenzen dieser Methoden.Ein Hauptargument dieser Arbeit ist, dass der wirkliche Vorteil von sekundärer Spektrumsnutzung nur im Kontext realistischer Netzwerkkonfigurationen beurteilt werden kann. Wir berichten über drei Fallstudien, die wir unter Verwendung der vorgeschlagenen Bewertungsmethodik durchgeführt haben. Im ersten Fall haben wir die praktischen Grenzen und Kapazitätsgewinne von data-offloading-Strategien für ein makrozelluläres LTE-A-Netzwerk in Deutschland untersucht. In unserem zweiten Beispiel diskutieren wir Vorteile einer Backhaul-Lösung durch welche Passagieren eines Netzes aus Hochgeschwindigkeitszügen ein Datenzugang bereitgestellt wird. In unserer letzten Untersuchung leiten wir Interferenzgrenzen und den möglichen Datendurchsatz eines standardisierten Sensornetzwerkprotokolls in dichten Internet of Things-Szenarien her, wenn das genutzte Frequenzband ein Designparameter ist.

Today's networked society has an unprecedented and growing demand for wireless capacity. New technological innovations both in the physical layer and on the network level are required in order to enable future wireless communication systems to scale up accordingly. However, these developments will necessarily need to be aligned with improved means to manage radio spectrum, the scarce essential resource, and limit, for wireless communications. Apart from extensions to the traditional set of tools for spectrum management, new methods for granting spectrum access on a secondary use basis have been proposed recently. They have been widely discussed in the academic, industrial, and regulatory communities, albeit with only a limited number of practical implementations so far. A presumed reason for this observed hesitance are uncertainties on the technical and economical value of operating in shared spectrum. In order to fill this gap, the main contribution of this thesis is the development of a framework that enables the unified assessment of entire secondary network deployments. This framework has been furthermore implemented as a spectrum assessment tool software that allows for a detailed integrated technology and regulatory analysis.It is a primary concern in secondary access scenarios to protect the incumbent spectrum user against a deterioration of spectrum quality due to additional interference. In this thesis, we evaluate the options and necessary trade-offs for different prototype protection models in terms of primary service quality reduction and secondary technical operation limits. We specifically quantify the primary-secondary relationship using the German TV broadcasting network as a case study for detailed analysis. Apart from this sensitivity analysis, our work provides realistic availability figures for the underutilized TV bands of Germany, commonly known as the TV whitespaces (TVWS). Current secondary access policies that are based on geo-location databases may result in excessive interference or low system performance due to the limited precision of the propagation models that they employ. This motivates us to propose the addition of functionalities to these databases that enable them to exploit auxiliary primary signal strength information to improve their prediction performance. We analyze different model-based and model-free estimation methods for their feasibility in such hybrid setups. Our analysis is based on large-scale data sets from real measurement campaigns and synthetic spectrum data. We furthermore compare our results against the theoretical bounds of the methods.In this thesis we argue that the real benefit of secondary spectrum access can only be determined within the context of realistic network deployments. We report on three case studies that we have carried out using our proposed assessment methodology. First, we have analyzed the practical constraints and capacity gains of a data offloading strategy for a large-scale macro-cellular LTE-A network in Germany. Second, we discuss the potential of using secondary spectrum for backhauling in a realistic high-speed train network to provide data access to passengers. Finally, we study interference limits and throughput levels of a standard sensor network protocol for very dense Internet of Things scenarios when the employed frequency band is used as a design parameter.

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