Investigating and Modeling Uplink Processing in 5G NR Multisector Scheduler Simulator

Abstract

As the latest generation of wireless access technology called Fifth Generation (5G) New Radio (NR) evolves, computational efficiency is key to keep low cost and flexible deployments for vendors. Understanding how the Digital Signal Processing (DSP) load behaves in the digital units is one aspect to enable this efficiency. This thesis investigates how the DSP load in the base station behaves for a cell in high band, where frequencies are in the range 24.25 GHz - 52.6 GHz, when varying the number of allocated Resource Blocks (RBs) in both a single and multisector configuration. The computational behaviour is also characterized using regression models and implemented into an internal simulator at Ericsson. Additionally, the investigation is complemented with data from real User Equipments (UEs) and a more real-life scenario where error occurs in the transmission.

The results show that the load scales with the number of RBs in such a way that it is possible to have more Connected Users (CUs) by limiting the allocated RBs for all users. Furthermore, the load generated by the uplink data should be
considered on a Time Division Duplex (TDD) pattern basis. When doing so, it can be approximated as a linear or higher order function of the number of allocated resource blocks. When implemented into the simulator, the model is validated
against data from real hardware. The validation showed that the model generates accurate normal distributed load values: it captures the essential behaviour but it is hard to predict correct mean values, due to the generated load being too stochastic in nature.

These insights on the load behaviour provides input and considerations on how to design solutions that does not exceed the maximum computation utilization. For future work, the behaviour from downlink data and other traffic scenarios could
be investigated to fully explore the limitations and requirements.

Popular Abstract (Swedish)

5G NR är den senaste generationen mobilnät och är efterföljaren till Fourth Generation (4G) Long-Term Evolution Advanced (LTE-A). I mobilnäten kan användare koppla upp sig mot basstationer med sina enheter som kan vara en mobiltelefon eller dator. Basstationerna består av antenner som kan både skicka och ta emot information samt en radioenhet som hanterar trafik till och från stationen. Eftersom antennen på en basstation placeras högt upp för bäst täckning går det att känna igen basstationer genom att antennerna ofta sitter på en mast eller höga
hustak i större städer. Från antennen går det sedan en kabel till radioenheten som placeras på en lämplig plats, men den kan även vara integrerad tillsammans med antennen. Runtom basstationen delas topografin upp i hexagonformade områden, ungefär i samma utseende som bins vaxkakor. Alla användare som befinner sig inom samma hexagon tillhör ur basstationens perspektiv en och samma cell.

För varje cell finns det en viss mängd resurser tillgängliga i både tids- och frekvensdomänen. I tidsdomänen består en resurs genom att tiden går att dela upp i olika intervall vilket tillåter att fler användare delar på den. För användarnas enheter är dessa intervall tydliga men för oss människor märks det inte av utan det upplevs ändå som ett jämnt flöde av kommunikation. På samma sätt som att vi inte märker att glödlampor blinkar 50 gånger per sekund utan ljuset upplevs som konstant. På samma sätt som tiden delas upp kan frekvenser också delas upp i olika intervall vilket bildar frekvensresurser. Kombineras båda dessa uppdelningar går det att ha flera användare samtidigt som delar på de olika resurserna. Förutom att dela in frekvenserna i olika intervall finns det också begränsningar över hur stort
frekvensområde varje cell förfogar över vilket kallas bandbredd. Det begränsar i sin tur hur många intervall frekvensområdet går att dela in i.

När det är många användare samtidigt i en och samma cell, vilket kan hända vid större folksamlingar som konserter, idrottsevenemang eller stadsparken i Lund under valborg, tar resurserna i cellen slut. Om då användarens enhet inte fått
tillgång till resurserna på ett tag kommer den tro att kontakten med basstation har försvunnit och försöker då koppla upp sig igen mot samma eller en ny basstation. En lösning för att kunna ha fler användare uppkopplade samtidigt mot samma
basstation utan att tappa dem är att minska de enskilda cellernas områden, vilket ger en möjlighet att öka antalet celler runtom basstationen. Att ha flera celler samtidigt är kostsamt för radioenheten då dess processor måste arbeta hårdare för att kunna hantera all data som skickas till den från varje cell.

En annan typ av resurs i 5G NR kallas resource block eller på svenska: resursblock. Enkelt förklarat går det att beskriva antalet resursblock som antalet intervall för en viss bandbredd som finns i en cell. Genom att begränsa antalet resursblock som kan användas går det att minska mängden frekvensresurser som används för en cell trots att det finns mer tillgängligt. I det här arbetet har det undersökts hur belastningen för processorn i radioenheten har förändrats beroende på hur många såna resursblock som finns tillgängliga för upplänken. Upplänken är den
kommunikation som sker från användarenheterna till basstationen.

Med hjälp av en särskild testmiljö på Ericsson som kan simulera mobiltelefoner har belastningen för en verklig radioenhet kunnat undersökas. Genom att begränsa antalet resursblock har data samlats in för olika antal resursblock, antal celler och två olika bandbredder. För varje resurblocksvärde som data samlats in för har en statistik modell skapats. Genom att interpolera parametrarna i den statistiska modellen för alla resursblocksvärden har en funktion för varje parameter tagits
fram så att värden för dessa kan skapas för ett godtyckligt antal resursblock.

Därefter har den statistiska modellen implementerats i en intern simulator på Ericsson och data för tre olika resursblocksvärden som inte användes för att skapa modellen samlades in. I syfte att validera modellen samlades även testdata för de motsvarande tre resursblocksvärdena in från testmiljön som sedan användes för att validera simulatorns prestanda. Valideringen visade att modellen i många fall lyckas fånga utseendet på lastens distributioner men att dessa distributioner i några fall inte alltid har samma medelvärde som datan från testmiljön.

Med resultaten från simulatorn går det att dra slutsatser om hur belastningen för radioenheten med upplänkstrafik kommer att se ut och när den infaller. För att
kunna möjliggöra fler scenarion och slutsatser från simulatorn kan även belastningen från nedlänkstrafik undersökas, modelleras och implementeras i simulatorn. Detta skulle ge en fullständig bild av hur belastning beter sig i radioenheten

• author: Nygren, Oskar and Sneitz-Björkman, Axel
• supervisor: Fredrik Tufvesson
• organization: Department of Electrical and Information Technology
• course: EITM02 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• report number: LU/LTH-EIT 2022-885
• language: English
• id: 9092038
• date added to LUP: 2023-03-01 10:27:47
• date last changed: 2023-03-01 10:27:47