Traffic and mobility management in large-scale networks of small cells
Authors:   , Ferragut Martínez-Vara de Rey Jaime 
Published: September 2023

The growth in user demand for higher mobile data rates is driving Mobile Network Operators (MNOs) and network infrastructure vendors towards the adoption of innovative solutions in areas that span from physical layer techniques (e.g., carrier aggregation, massive MIMO, etc.) to the Radio Access Network and the Evolved Packet Core, amongst other. In terms of network capacity, out of a millionfold increase since 1957, the use of wider spectrum (25x increase), the division of spectrum into smaller resources (5x), and the introduction of advanced modulation and coding schemes (5x) have played a less significant role than the improvements in system capacity due to cell size reduction (1600x). This justifies the academic and industrial interest in short-range, low-power cellular base stations, such as small cells.

The shift from traditional macrocell-based deployments towards heterogeneous cellular networks raises the need for new architectural and procedural frameworks capable of providing a seamless integration of massive deployments of small cells into the existing cellular network infrastructure. This is particularly challenging for large-scale, all-wireless networks of small cells (NoS), where connectivity amongst base stations is provided via a wireless multi-hop backhaul. Networks of small cells are a cost-effective solution for improving network coverage and capacity in high user-density scenarios, such as transportation hubs, sports venues, convention centres, dense urban areas, shopping malls, corporate premises, university campuses, theme parks, etc.

This Ph.D. Thesis provides an answer to the following research question: What is the architectural and procedural framework needed to support efficient traffic and mobility management mechanisms in massive deployments of all-wireless 3GPP Long-Term Evolution networks of small cells? In order to do so, we address three key research challenges in NoS. First, we present a 3GPP network architecture capable of supporting large-scale, all-wireless NoS deployments in the Evolved Packet System. This involves delegating core network functions onto new functional entities in the network of small cells, as well as adapting Transport Network Layer functionalities to the characteristics of a NoS in order to support key cellular services. Secondly, we address the issue of local location management, i.e., determining the approximate location of a mobile terminal in the NoS upon arrival of an incoming connection from the core network. This entails the design, implementation, and evaluation of efficient paging and Tracking Area Update mechanisms that can keep track of mobile terminals in the complex scenario of an all-wireless NoS whilst mitigating the impact on signalling traffic throughout the local NoS domain and towards the core network. Finally, we deal with the issue of traffic management in large-scale networks of small cells. On the one hand, we propose new 3GPP network procedures to support direct unicast communication between LTE terminals camped on the same NoS with minimal involvement from functional entities in the Evolved Packet Core. On the other hand, we define a set of extensions to the standard 3GPP Multicast/Broadcast Multimedia Service (MBMS) in order to improve the quality of experience of multicast/broadcast traffic services in high user-density scenarios.

El crecimiento de la demanda de tasas de transmisión más altas está empujando a los operadores de redes móviles y a los fabricantes de equipos de red a la adopción de soluciones innovadoras en áreas que se extienden desde técnicas avanzadas de capa física (agregación de portadoras, esquemas MIMO masivos, etc.) hasta la red de acceso radio y troncal, entre otras. Desde 1957 la capacidad de las redes celulares se ha multiplicado por un millón. La utilización de mayor espectro radioeléctrico (incremento en factor 25), la división de dicho espectro en recursos más pequeños (factor 5) y la introducción de esquemas avanzados de modulación y codificación (factor 5) han desempeñado un papel menos significativo que las mejoras en la capacidad del sistema debidas a la reducción del tamaño de las celdas (factor 1600). Este hecho justifica el interés del mundo académico y de la industria en estaciones base de corto alcance y baja potencia, conocidas comúnmente como small cells. La transición de despliegues tradicionales de redes celulares basados en macroceldas hacia redes heterogéneas pone de manifiesto la necesidad de adoptar esquemas arquitecturales y de procedimientos capaces de proporcionar una integración transparente de despliegues masivos de small cells en la actual infraestructura de red celular. Este aspecto es particularmente complejo en el caso de despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells (NoS, en sus siglas en inglés), donde la conectividad entre estaciones base se proporciona a través de una conexión troncal inalámbrica multi-salto. En general, las redes de small cells son una solución eficiente para mejorar la cobertura y la capacidad de la red celular en entornos de alta densidad de usuarios, como núcleos de transporte, sedes de eventos deportivos, palacios de congresos, áreas urbanas densas, centros comerciales, edificios corporativos, campus universitarios, parques temáticos, etc. El objetivo de esta Tesis de Doctorado es proporcionar una respuesta a la siguiente pregunta de investigación: ¿Cuál es el esquema arquitectural y de procedimientos de red necesario para soportar mecanismos eficientes de gestión de tráfico y movilidad en despliegues masivos de redes inalámbricas de small cells LTE? Para responder a esta pregunta nos centramos en tres desafíos clave en NoS. En primer lugar, presentamos una arquitectura de red 3GPP capaz de soportar despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells en el Evolved Packet System, esto es, el sistema global de comunicaciones celulares LTE. Esto implica delegar funciones de red troncal en nuevas entidades funcionales desplegadas en la red de small cells, así como adaptar funcionalidades de la red de transporte a las características de una NoS para soportar servicios celulares clave. En segundo lugar, nos centramos en el problema de la gestión de movilidad local, es decir, determinar la localización aproximada de un terminal móvil en la NoS a la llegada de una solicitud de conexión desde la red troncal. Esto incluye el diseño, la implementación y la evaluación de mecanismos eficientes de paging y Tracking Area Update capaces de monitorizar terminales móviles en el complejo escenario de redes de small cells inalámbricas que, a la vez, mitiguen el impacto sobre el tráfico de señalización en el dominio local de la NoS y hacia la red troncal. Finalmente, estudiamos el problema de gestión de tráfico en despliegues a gran escala de redes inalámbricas de small cells. Por un lado, proponemos nuevos procedimientos de red 3GPP para soportar comunicaciones unicast directas entre terminales LTE registrados en la misma NoS con mínima intervención por parte de entidades funcionales en la red troncal. Por otro lado, definimos un conjunto de extensiones para mejorar la calidad de la experiencia del servicio estándar 3GPP de transmisión multicast/broadcast de tráfico multimedia (MBMS, en sus siglas en inglés) en entornos de alta densidad de usuarios.