End-to-End Design and Evaluation of mmWave Cellular Networks

La progettazione della prossima generazione di reti cellulari (5G) ha l'obiettivo di garantire prestazioni senza precedenti in scenari mobili, con un aumento nella capacità , latenze molto basse e un elevato numero di connessioni. Questo richiederà  l'integrazione di nuove tecnologie in reti più complesse ed avanzate. Le comunicazioni a frequenze millimetriche (mmWave) sono considerate una componente fondamentale per raggiungere altissime velocità  dati e bassa latenza, grazie alla smisurata quantità di banda disponibile a frequenze così elevate. Ci sono tuttavia numerosi problemi che vanno risolti prima di poter dispiegare questa tecnologia, principalmente legati all'elevata perdita di potenza in propagazione, alla necessità di comunicazioni direzionali e all'ostruzione dei segnali da parte di comuni ostacoli (ad esempio, il corpo umano stesso). L'obiettivo di questa tesi è proporre soluzioni di sistema per rendere le reti mobili mmWave più affidabili, robuste e con prestazioni migliori. In particolare, consideriamo il collegamento a frequenze millimetriche come una sola parte di reti più complesse, in cui la qualità sperimentata dall'utente finale è il risultato dell'interazione della variabilità  e inaffidabilità del canale mmWave, dell'intero stack protocollare, e dell'architettura della rete mobile. Pertanto, sviluppiamo e descriviamo uno strumento per simulazione di reti cellulari mmWave che considera le prestazioni tra i due capi della rete, e che, combinato con analisi e risultati sperimentali, consente di valutare come questi sistemi si comportino nella loro interezza. Le aree di ricerca principali che questa tesi esplora sono la progettazione e la valutazione di (i) architetture per sistemi a onde millimetriche, per quel che riguarda la mobilità e la gestione delle trasmissioni direzionali, e soluzioni di backhaul senza fili; (ii) protocolli per la connessione tra due capi della rete usando almeno una connessione mmWave; e (iii) sistemi che ottimizzano reti cellulari usando i dati che le stesse reti generano. Tra i vari risultati, sottolineiamo l'importanza della disponibilità di connessioni multiple per sistemi mmWaves, sia nel collegamento di accesso che al livello di trasporto, discutiamo i compromessi della gestione della direzionalità, proponiamo come aggiornare i protocolli al livello di trasporto per una migliore prestazione globale, e valutiamo approcci pratici per l'integrazione di tecniche intelligenti in reti 5G.