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Thèse Année : 2015

Performance analysis of mobile relays for LTE

Analyse de performances des relais mobiles dans un réseau LTE

Résumé

Currently, the number of users using wireless broadband services is rising greatly with the introduction of smart phones, tablet computers and other new mobile devices. However, the service quality in public transportation vehicles is far from satisfactory. Public transportations are usually well shielded with coated windows, which leads to a rather high penetration loss between outdoor and in-vehicle. Traditionally, the UEs inside the public transportations connect to the macro base stations via wireless links, in which the penetration loss severely attenuates the signal quality and decreases the achievable data rate. Furthermore, during the handover procedure, a large group of UEs perform handover simultaneously, which causes signaling congestion. To offer high-quality services to vehicular UEs, a relay is mounted in a vehicle with an external antenna to have a good link budget with the eNodeB and an antenna in the bus to provide an optimal link budget with vehicular UEs. This thesis investigates the deployment of mobile relay in LTE network from two aspects: mobility management and performance. We first study the different signaling procedures when a mobile relay is embedded in a public transport vehicle. We propose to keep the protocol stack that was defined for fixed relay and to extend it to mobile relays. The concept of global tunnel, which gathers several tunnels, is proposed to optimize the handover procedure of mobile relay nodes. In the performance study, we analyze the different interference cases. Two new types of interferences, Relay-to-Relay interference and Relay-to-UE interference are identified. We study the data rate gain of a UE provided by a mobile relay deployed in a hexagonal network with Monte Carlo simulation and in a random network by using stochastic geometry. We then investigate the capacity gain brought by mobile relays with multiple users and multiple relays. Important metrics like the CDF of the SINR and the CDF of the end-to-end rate are derived. Furthermore, we propose a TDD/FDD hybrid mobile relay mode, motivated by the fact that a vehicular UE is static relative to its serving mobile relay and close to it, which leads to a relatively good channel condition on the access link. In addition, we evaluate and compare the performance of different system modes using the proposed analytical model.
Le nombre d'utilisateurs des services de haut débit sans fil est en forte augmentation au cours des années 2010 avec l'introduction des téléphones intelligents, ordinateurs tablettes et autres nouveaux appareils mobiles. Cependant, la qualité de service dans les transports publics est loin d'être satisfaisante. Traditionnellement, les terminaux à l'intérieur des transports publics se connectent à des stations de base macro-cellulaires via des liaisons sans fil, dans lesquelles la perte apportée par la traversée des ondes à travers les fenêtres atténue fortement le niveau du signal et diminue le débit de données réalisable. En outre, en cas de changement de cellule, plusieurs terminaux effectuent des transferts inter-cellulaires simultanément, ce qui provoque un accroissement brusque de signalisation et peut conduire à un engorgement. Pour offrir des services de haute qualité aux clients des transports, un relais est monté dans un véhicule avec une antenne externe pour avoir un bon bilan de liaison avec la station de base et une antenne dans le bus pour fournir un bilan de liaison optimal avec les terminaux. Cette thèse étudie le déploiement de relais mobile en réseau LTE à partir de deux aspects: gestion de la mobilité et analyse de performance. Nous étudions d'abord les différentes procédures de signalisation quand un relais mobile est intégré dans un véhicule de transport public. Nous proposons de garder la pile de protocole qui a été définie pour le relais fixe par les instances de normalisation et de l'étendre à des relais mobiles. Nous définissons le concept de tunnel global, qui regroupe plusieurs tunnels, pour réduire la signalisation en cas de transfert intercellulaire de noeuds relais mobiles. Dans l'étude de performances, nous analysons les différents types d¿interférences. Deux nouveaux types d'interférences (interférences relais à relais et relais à terminal) sont identifiés. Nous étudions le gain de débit de données fourni par un relais mobile déployé dans un réseau hexagonal avec des simulations de Monte Carlo et dans un réseau aléatoire en utilisant la géométrie stochastique. Nous étudions alors le gain de capacité apporté par les relais mobiles avec plusieurs utilisateurs et plusieurs relais. Des indicateurs importants comme la répartition du rapport signal sur interférence et bruit et celle du débit de bout en bout sont calculés. En outre, nous proposons de combiner les modes duplex en temps et en fréquence, motivés par le fait qu¿un terminal embarqué est statique par rapport à son relais mobile de service et proche de lui, ce qui conduit à un excellent bilan de liaison et rend intéressant un duplexage temporel. En outre, nous évaluons et comparons les performances des différents modes de fonctionnement en utilisant le modèle analytique proposé.
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Dates et versions

tel-01298046 , version 1 (05-04-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01298046 , version 1

Citer

Yangyang Chen. Performance analysis of mobile relays for LTE. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Télécom Bretagne; Université de Rennes 1, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01298046⟩
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