Optimisation of the Handover Decision in Infrastructure Networks Using Realistic Simulation Enviroments

Jansen, Thomas

doi:10.24355/dbbs.084-201606171207-0

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Optimisation of the Handover Decision in Infrastructure Networks Using Realistic Simulation Enviroments

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German

The development of mobile communication services and technologies in recent years boosts the importance and ubiquity of terminal equipments in our everyday life. The main drivers for this development are the reliability of the offered services and the user friendliness, allowing a huge variety of communication services with a single device. To assure a high communication quality and the usability of the services a seamless connectivity is beneficial or even mandatory, e.g. for voice calls, video streaming, gaming or safety-critical application based on car-to-car communication. Due to the cellular nature of infrastructure networks, mobile users will cross cell boundaries and need to switch the serving cell with the help of a handover procedure. The timing of the handover is essential to keep the mobile devices connected to the network. The introduction of measurement based optimisation in the context of self-organising networks enables the optimisation of the handover decision. The key enabler for the optimisation are a cost function that incorporates the relevant handover performance indicators, a reasonable observation time to evaluate the performance and an optimisation algorithm that reliably improves the handover performance in various, ever-changing network conditions. In the recent years several handover optimisation algorithms have been investigated. Nevertheless, the influence of the target function on the optimisation, the dimensioning of the observation window and the impact of network condition changes have not been investigated so far. In this dissertation a detailed analysis of the handover performance indicators is presented. Beyond that, additional system information or measurements are valued as potential candidates to allow further improvement of the handover performance. Particular attention is paid to the ability to adapt to changing network conditions since the introduction of new cell layers (small cells), new techniques like adaptive antenna systems or spectrum sharing or the introduction of new communication technologies like LTE-Advanced increases the complexity of future mobile communication networks. Finally, we develop an optimisation algorithm that reliably and quickly optimises the handover performance in various and fast-changing network conditions.

Mobile Endgeräte gewinnen in unserem täglichen Leben zunehmend an Bedeutung. Dieser Trend wird vorangetrieben durch die rasante Entwicklung der Mobilfunktechnologien und neu angebotene Dienste in den letzten Jahren. Immer mehr Dienstleistungen werden über ein einzelnes Endgerät bereitgestellt. Um eine hohe Übertragungsqualität zur Nutzung der Dienste sicherzustellen, ist eine nahtlose Verbindung zum Kommunikationsnetzwerk wünschenswert oder sogar obligatorisch, z.B. für Sprachverbindungen, Video-Streaming, Onlinespiele oder sicherheitsrelevante Anwendungen der Car-to-Car-Kommunikation. Bedingt durch die zellulare Struktur der Mobilfunknetze ist zur Aufrechterhaltung der Kommunikation ein Zellwechsel (Handover) im Randbereich des Versorgungsgebietes einer Zelle notwendig. Der genaue Zeitpunkt des Zellwechsels ist dabei von besonderer Bedeutung. Die Einführung der messungsbasierten Selbst-Optimierung für Mobilfunknetze ermöglicht die Optimierung der Zellwechsel-Entscheidung. Die wesentlichen Voraussetzungen für eine Optimierung sind eine Optimierungszielfunktion auf Basis der Leistungsindikatoren, eine angemessene Beobachtungszeit sowie die Entwicklung eines möglichst allgemeingültigen Optimierungsverfahrens. In den letzten Jahren sind viele solcher Verfahren untersucht und veröffentlicht worden. Dennoch sind der Einfluss der Zielfunktion auf die Optimierung, die Dimensionierung des Beobachtungszeitraums und die Auswirkungen von Netzzustandsänderungen auf die Optimierung bisher weitgehend vernachlässigt worden. In dieser Arbeit wird eine detaillierte Analyse der Zellwechsel-Leistungsindikatoren in LTE durchgeführt. Darüber hinaus wird die Eignung zusätzlicher Systeminformationen oder Messungen zur weiteren Verbesserung der Zellwechsel-Entscheidung untersucht. Durch die Einführung neuer Zelltypen (z.B. Small Cells), moderner Übertragungstechniken wie adaptive Antennensysteme oder die Einführung neuer Technologien wie LTE Advanced nimmt die Komplexität der zukünftigen Mobilfunknetze stetig zu. Das in dieser Arbeit entwickelte Optimierungsverfahren ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Anpassung der Zellwechselparameter an die veränderlichen Bedingungen in den Mobilfunknetzen und kann daher auch in komplexeren Systemen eingesetzt werden.