pCell Technology: Delivering 5G-grade Performance to 4G LTE - PowerPoint PPT Presentation

pCell ¡Technology: ¡Delivering ¡5G-­‑grade ¡ Performance ¡to ¡4G ¡LTE ¡Devices ¡ ¡ IEEE ¡CommunicaAon ¡Theory ¡Workshop ¡ May ¡16 th , ¡2016 ¡ ¡ ¡ Antonio ¡Forenza, ¡PhD ¡ Co-­‑founder ¡& ¡CTO, ¡Artemis ¡Networks ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡1 ¡

Outline ¡ • Background ¡ • pCell: ¡how ¡it ¡works ¡ • SDR ¡wireless ¡plaTorm ¡ ¡ • Experimental ¡results ¡ • Conclusions ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡2 ¡

Forecast ¡of ¡Mobile ¡Data ¡Traffic ¡ Global ¡Mobile ¡Data ¡Traffic ¡(Actual/Projected) ¡ ExaBytes/month ¡ CAGR ¡= ¡40-­‑70% ¡ [Cisco’16] ¡“Cisco ¡visual ¡network ¡index: ¡global ¡mobile ¡data ¡traffic ¡forecast ¡update ¡2015-­‑2020” ¡ February ¡2016 ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡3 ¡

SoluAons ¡to ¡Spectrum ¡Crunch ¡ • 3 ¡soluAons ¡[Qualcomm, ¡SKT, ¡Nokia] ¡ “New ¡ forecasts ¡ show ¡ much ¡ More ¡cell ¡density ¡ • more ¡spectrum ¡is ¡needed.” ¡ More ¡spectrum ¡ • ¡ More ¡spectral ¡efficiency ¡ • “Operators ¡will ¡conAnue ¡to ¡deploy ¡ new ¡ cells, ¡ including ¡ small ¡ cells, ¡ Spectral ¡ efficiency ¡ and ¡ will ¡ conAnue ¡ to ¡ upgrade ¡ networks ¡ to ¡ state-­‑of-­‑the-­‑art ¡ 4G ¡ LTE ¡technology ¡to ¡take ¡advantage ¡ Future ¡ of ¡ improved ¡ spectral ¡ efficiency, ¡ performance ¡ Current ¡ but ¡ that ¡is ¡not ¡enough .” ¡ performance ¡ ¡ Cell ¡density ¡ [CTIA’15] ¡CTIA ¡report ¡to ¡FCC, ¡June ¡22, ¡2015 ¡ ¡ Spectrum ¡ [3GPP] ¡K. ¡Mallinson, ¡“2020 ¡vision ¡for ¡LTE”, ¡June ¡2012 ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡4 ¡

More ¡Cell ¡Density ¡ [Andrews’15] ¡ • Small ¡cells ¡perform ¡poorly ¡ Intercell ¡interference ¡[Andrews’15] ¡ • Handoff ¡overhead ¡[3GPP-­‑TR36.839] ¡ • • SoluAons ¡ SON ¡and ¡ICIC ¡[AT&T’12][Mao’08] ¡ • CoMP ¡[3GPP-­‑TR36.819][ChinaMob’11] ¡ • • High ¡cost, ¡difficult ¡deployment ¡ BS-­‑to-­‑BS ¡ Zoning ¡permits ¡ • distance ¡of ¡50m ¡ Backhaul ¡ • ¡ 0 [BS/Km 3 ] “AT&T has dropped plans to deploy 40,000 small cells on its network by the end of 2015” Fierce ¡Wireless, ¡March ¡2015 ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡5 ¡

More ¡Spectrum ¡ • NaAonal ¡Broadband ¡Plan ¡[FCC’10] ¡ ¡ 547 ¡MHz ¡available ¡in ¡2010 ¡for ¡mobile ¡broadband ¡ • Allocate ¡500 ¡MHz ¡by ¡2020 ¡ • • LTE-­‑U ¡[Forum’15][Qualcomm’15] ¡ Operate ¡LTE ¡in ¡ISM ¡unlicensed ¡5GHz ¡band ¡ ¡ • [Qualcomm’15] ¡ Use ¡200 ¡MHz ¡of ¡spectrum ¡(+300 ¡MHz ¡for ¡future ¡use) ¡ • [Facebook’16] ¡ • Millimeter-­‑wave ¡[Rappaport’14] ¡ Pros: ¡large ¡bandwidth ¡[Heath’16] ¡ • BW=4GHz ¡@ ¡28 ¡and ¡38 ¡GHz ¡ • BW=7GHz ¡@ ¡60 ¡GHz ¡ • Cons: ¡pathloss, ¡body ¡absorpAon ¡(blocking) ¡ • Short-­‑range ¡links, ¡up ¡to ¡200m ¡ • ApplicaAons: ¡WiGig ¡fronthaul ¡[Facebook’16] ¡ • May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡6 ¡

More ¡Spectral ¡Efficiency ¡ 4 ¡users, ¡SNR=10dB ¡ Massive-­‑MIMO ¡ • Theory: ¡asymptoAcally ¡noise/interference-­‑free ¡links ¡[Marzeqa’10][Larsson’14] ¡ ¡ • Requires ¡upgrade ¡to ¡4G ¡LTE ¡standard, ¡proposed ¡for ¡Pre-­‑5G ¡[3GPP-­‑Rel.13] ¡ ¡ • PracAcal ¡only ¡at ¡mmWave, ¡complex ¡RF ¡design ¡ • Centralized ¡cellular ¡architecture ¡ ¡ • Pilot ¡contaminaAon ¡ • CoordinaAon ¡between ¡cells ¡ • 4-­‑8x ¡ mux ¡gain ¡with ¡ 64-­‑128 ¡ antennas ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡[ZTE’16][Intel’16] ¡ [Samsung’12] ¡ [Larsson’14] ¡ pCell ¡ • Theory: ¡[Caire’03][Viswanath’03][Yu’04][Foschini’06] ¡ ¡ • Compliant ¡with ¡standard ¡LTE ¡Rel.8 ¡devices, ¡readily ¡deployable ¡ • Works ¡at ¡any ¡frequency ¡band, ¡simple ¡frequency-­‑agile ¡RRHs ¡(pWaves) ¡ • Distributed ¡architecture, ¡no ¡cells ¡ • 16x ¡mux ¡gain ¡with ¡ 24 ¡antennas, ¡can ¡scale ¡to ¡higher ¡orders ¡ • pCell ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡7 ¡ C-­‑RAN ¡

pCell ¡Performance ¡Today ¡ 59.3 ¡bps/Hz ¡ per ¡area ¡ ≥ 1 ¡m 2 ¡ 60 ¡ Spectral ¡Efficiency ¡(bps/Hz) ¡ Presented ¡results ¡ 55 ¡ 50 ¡ 45 ¡ 40 ¡ Downlink ¡Spectral ¡Efficiency ¡ 35 ¡ 5 ¡MHz, ¡2-­‑antenna ¡LTE ¡devices ¡ 30 ¡ 25 ¡ 20 ¡ 15 ¡ 10 ¡ 1.7 ¡bps/Hz ¡ 1.2 ¡bps/Hz ¡ 5 ¡ per ¡sector ¡ per ¡sector ¡ HSPA+ ¡ LTE ¡ pCell ¡ [Rysavy’14] Rysavy Research/4G Americas, August 2014 May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡8 ¡

Outline ¡ • Background ¡ • pCell: ¡how ¡it ¡works ¡ • SDR ¡wireless ¡plaTorm ¡ ¡ • Experimental ¡results ¡ • Conclusions ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡9 ¡

Cellular ¡vs. ¡pCell ¡Coverage ¡ Cellular ¡ pCell ¡ Coverage ¡ Coverage ¡ Base ¡StaAon ¡ Power ¡distribuAon ¡ User ¡Equipment ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡10 ¡

SINR ¡Performance ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡11 ¡

pCell ¡vs. ¡Cellular ¡ • Benefits ¡of ¡pCell ¡ ¡ ¡ High ¡spectral ¡efficiency ¡(spaAal ¡mulAplexing ¡gain) ¡ • Consistent ¡data ¡rate, ¡no ¡cell-­‑edge ¡(macro-­‑diversity) ¡ • No ¡inter-­‑cell ¡interference ¡ • No ¡handoff ¡overhead ¡ • No ¡near-­‑far ¡problem ¡ • • 500mW ¡ PHY-­‑layer ¡security ¡ • 20MHz ¡TDD ¡ • • Max ¡256-­‑QAM ¡ Precise ¡locaAon ¡posiAoning ¡ • May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡12 ¡

SINR ¡Analysis ¡ • System ¡and ¡channel ¡models: ¡ N ¡transmiqers, ¡ U ¡users ¡ ¡ ¡ ¡ • Volume ¡of ¡coherent ¡signal ¡[Artemis’15] ¡ • Radius ¡of ¡volume ¡of ¡coherent ¡signal ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡13 ¡

SINR ¡Results ¡ N ¡= ¡10, ¡ ¡ U ¡= ¡8 ¡ Distributed ¡transmiqers ¡ Centralized ¡transmiqers ¡ ¡ (ULA ¡with ¡λ/2 ¡spacing) ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡14 ¡

Volumes ¡of ¡Coherent ¡Signal ¡ N ¡= ¡16, ¡ ¡ U ¡ = ¡10, ¡ ¡SINR o ¡= ¡5dB ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡15 ¡

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Hardware ¡Architecture ¡ LTE ¡UEs ¡ Internet pCell Data Center May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡17 ¡

Sowware ¡Architecture ¡ Internet pCell Data Center 3 7 E IP Routing F A VRI ¡ VRI ¡ VRI ¡ VRI ¡ VRI ¡ VRI ¡ VRI ¡ VRI ¡ 4 0 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 6 ¡ 7 ¡ 0 C eNB ¡ eNB ¡ eNB ¡ eNB ¡ eNB ¡ eNB ¡ eNB ¡ eNB ¡ 1 B D 5 2 Fronthaul pCell antenna G pCell Processing LTE UE 6 H pCell May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡18 ¡

TDD ¡LTE ¡Frame ¡ SRS 1 SRS 2 SRS 1 SRS 2 SF #1 SF #3 SF #4 SF #5 SF #7 SF #8 SF #9 SF #0 SF #2 SF #6 1 msec May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡19 ¡

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Indoor ¡Trials ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡21 ¡

16 ¡ ¡iPhone ¡6 ¡Pluses ¡in ¡1 ¡Square ¡Meter ¡ 1m ¡x ¡1m ¡ Plexiglass ¡ table ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡22 ¡