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pCell Technology: Delivering 5G-grade Performance to 4G LTE Devices IEEE CommunicaAon Theory Workshop May 16 th , 2016 Antonio Forenza, PhD

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SLIDE 1

pCell ¡Technology: ¡Delivering ¡5G-­‑grade ¡ Performance ¡to ¡4G ¡LTE ¡Devices ¡

¡

IEEE ¡CommunicaAon ¡Theory ¡Workshop ¡ May ¡16th, ¡2016 ¡ ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡1 ¡

¡ Antonio ¡Forenza, ¡PhD ¡ Co-­‑founder ¡& ¡CTO, ¡Artemis ¡Networks ¡

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Outline ¡

  • Background ¡
  • pCell: ¡how ¡it ¡works ¡
  • SDR ¡wireless ¡plaTorm ¡ ¡
  • Experimental ¡results ¡
  • Conclusions ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡2 ¡

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Forecast ¡of ¡Mobile ¡Data ¡Traffic ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡3 ¡

Global ¡Mobile ¡Data ¡Traffic ¡(Actual/Projected) ¡ ExaBytes/month ¡

[Cisco’16] ¡“Cisco ¡visual ¡network ¡index: ¡global ¡mobile ¡data ¡traffic ¡forecast ¡update ¡2015-­‑2020” ¡ February ¡2016 ¡

CAGR ¡= ¡40-­‑70% ¡

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SoluAons ¡to ¡Spectrum ¡Crunch ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡4 ¡

  • 3 ¡soluAons ¡[Qualcomm, ¡SKT, ¡Nokia] ¡
  • More ¡cell ¡density ¡
  • More ¡spectrum ¡
  • More ¡spectral ¡efficiency ¡

“New ¡ forecasts ¡ show ¡ much ¡ more ¡spectrum ¡is ¡needed.” ¡

¡ “Operators ¡will ¡conAnue ¡to ¡deploy ¡ new ¡ cells, ¡ including ¡ small ¡ cells, ¡ and ¡ will ¡ conAnue ¡ to ¡ upgrade ¡ networks ¡ to ¡ state-­‑of-­‑the-­‑art ¡ 4G ¡ LTE ¡technology ¡to ¡take ¡advantage ¡

  • f ¡ improved ¡ spectral ¡ efficiency, ¡

but ¡that ¡is ¡not ¡enough.” ¡ ¡

[CTIA’15] ¡CTIA ¡report ¡to ¡FCC, ¡June ¡22, ¡2015 ¡ ¡ Spectrum ¡ Cell ¡density ¡ Spectral ¡ efficiency ¡

Current ¡ performance ¡ Future ¡ performance ¡

[3GPP] ¡K. ¡Mallinson, ¡“2020 ¡vision ¡for ¡LTE”, ¡June ¡2012 ¡

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More ¡Cell ¡Density ¡

  • 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 ¡
  • Zoning ¡permits ¡
  • Backhaul ¡

¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡5 ¡

“AT&T has dropped plans to deploy 40,000 small cells on its network by the end of 2015”

Fierce ¡Wireless, ¡March ¡2015 ¡ [Andrews’15] ¡

[BS/Km3]

BS-­‑to-­‑BS ¡ distance ¡of ¡50m ¡

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More ¡Spectrum ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡6 ¡

  • 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 ¡ ¡
  • Use ¡200 ¡MHz ¡of ¡spectrum ¡(+300 ¡MHz ¡for ¡future ¡use) ¡
  • 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] ¡

[Qualcomm’15] ¡ [Facebook’16] ¡

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SLIDE 7

More ¡Spectral ¡Efficiency ¡

  • 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] ¡

  • 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 ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡7 ¡

4 ¡users, ¡SNR=10dB ¡

pCell ¡ C-­‑RAN ¡

[Samsung’12] ¡ [Larsson’14] ¡

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Downlink ¡Spectral ¡Efficiency ¡

5 ¡MHz, ¡2-­‑antenna ¡LTE ¡devices ¡

pCell ¡Performance ¡Today ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡8 ¡

5 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 20 ¡ 25 ¡ 30 ¡ 35 ¡ 40 ¡ 45 ¡ 50 ¡ 55 ¡ 60 ¡

Spectral ¡Efficiency ¡(bps/Hz) ¡

pCell ¡ LTE ¡ HSPA+ ¡

[Rysavy’14] Rysavy Research/4G Americas, August 2014

1.2 ¡bps/Hz ¡ per ¡sector ¡ 59.3 ¡bps/Hz ¡ per ¡area ¡≥1 ¡m2 ¡ 1.7 ¡bps/Hz ¡ per ¡sector ¡

Presented ¡results ¡

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Outline ¡

  • Background ¡
  • pCell: ¡how ¡it ¡works ¡
  • SDR ¡wireless ¡plaTorm ¡ ¡
  • Experimental ¡results ¡
  • Conclusions ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡9 ¡

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Cellular ¡vs. ¡pCell ¡Coverage ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡10 ¡

Base ¡StaAon ¡ User ¡Equipment ¡ Power ¡distribuAon ¡

Cellular ¡ Coverage ¡ pCell ¡ Coverage ¡

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SINR ¡Performance ¡

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

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pCell ¡vs. ¡Cellular ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡12 ¡

  • 500mW ¡
  • 20MHz ¡TDD ¡
  • Max ¡256-­‑QAM ¡
  • 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 ¡
  • PHY-­‑layer ¡security ¡
  • Precise ¡locaAon ¡posiAoning ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡

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SINR ¡Analysis ¡

  • System ¡and ¡channel ¡models: ¡N ¡transmiqers, ¡U ¡users ¡

¡ ¡

¡

  • Volume ¡of ¡coherent ¡signal ¡[Artemis’15] ¡
  • Radius ¡of ¡volume ¡of ¡coherent ¡signal ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡13 ¡

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SINR ¡Results ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡14 ¡

Centralized ¡transmiqers ¡ ¡

(ULA ¡with ¡λ/2 ¡spacing) ¡

Distributed ¡transmiqers ¡ N ¡= ¡10, ¡ ¡U ¡= ¡8 ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡

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Volumes ¡of ¡Coherent ¡Signal ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡15 ¡

N ¡= ¡16, ¡ ¡U ¡= ¡10, ¡ ¡SINRo ¡= ¡5dB ¡

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Outline ¡

  • Background ¡
  • pCell: ¡how ¡it ¡works ¡
  • SDR ¡wireless ¡plaTorm ¡ ¡
  • Experimental ¡results ¡
  • Conclusions ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡16 ¡

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Hardware ¡Architecture ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡17 ¡

LTE ¡UEs ¡

Internet

pCell Data Center

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Sowware ¡Architecture ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡18 ¡

Internet pCell Processing

IP Routing

1 2 3 4 5 6 7

A E F B C D H G

pCell Data Center Fronthaul

pCell antenna LTE UE pCell

eNB ¡

VRI ¡ 0 ¡

eNB ¡

VRI ¡ 1 ¡

eNB ¡

VRI ¡ 2 ¡

eNB ¡

VRI ¡ 3 ¡

eNB ¡

VRI ¡ 4 ¡

eNB ¡

VRI ¡ 5 ¡

eNB ¡

VRI ¡ 6 ¡

eNB ¡

VRI ¡ 7 ¡

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TDD ¡LTE ¡Frame ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡19 ¡

SF #0 SF #1 SF #2 SF #3 SF #4 SF #5 SF #6 SF #7 SF #8 SF #9

SRS 1 SRS 2 SRS 1 SRS 2

1 msec

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Outline ¡

  • Background ¡
  • pCell: ¡how ¡it ¡works ¡
  • SDR ¡wireless ¡plaTorm ¡ ¡
  • Experimental ¡results ¡
  • Conclusions ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡20 ¡

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Indoor ¡Trials ¡

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

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16 ¡ ¡iPhone ¡6 ¡Pluses ¡in ¡1 ¡Square ¡Meter ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡22 ¡

1m ¡x ¡1m ¡ Plexiglass ¡ table ¡

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Measured ¡LTE ¡MAC-­‑level ¡SE ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡23 ¡

Uplink ¡(Uniform ¡Peak: ¡27.5 ¡bps/Hz) ¡ 18 ¡meters ¡ Downlink ¡(Avg. ¡59.3, ¡Peak ¡59.8 ¡bps/Hz) ¡ 14 ¡meters ¡

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Outdoor ¡Trials ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡24 ¡

0.5 ¡to ¡5W ¡PA ¡ Power ¡ (if ¡Fiber) ¡

  • Roowops ¡in ¡downtown ¡SF ¡
  • 600 ¡roowops ¡available ¡
  • 58 ¡roowops ¡for ¡first ¡trial ¡
  • About ¡500 ¡pWaves ¡for ¡beta-­‑tesAng ¡

¡

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pWave ¡RRH ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡25 ¡

  • Wireless ¡synchronizaAon ¡
  • 600 ¡to ¡6000 ¡MHz ¡
  • 0.5 ¡to ¡5W ¡EIRP ¡
  • PoE+ ¡or ¡Fiber ¡

May ¡16, ¡2016 ¡

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pWave ¡InstallaAons ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡26 ¡

Power ¡ (if ¡Fiber) ¡

LTE ¡Antennas ¡ Fiber, ¡power ¡ pWaves ¡ Frequency-­‑agile ¡ RRH ¡

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Outline ¡

  • Background ¡
  • pCell: ¡how ¡it ¡works ¡
  • SDR ¡wireless ¡plaTorm ¡ ¡
  • Experimental ¡results ¡
  • Conclusions ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡27 ¡

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Conclusions ¡

  • Higher ¡SE ¡is ¡the ¡pracAcal ¡soluAon ¡to ¡“spectrum ¡crunch” ¡
  • Distributed ¡antennas ¡enable ¡confined ¡volumes ¡with ¡peak ¡SINR ¡
  • Volumes ¡for ¡mulAple ¡users ¡yield ¡large ¡spaAal ¡mulAplexing ¡gain ¡
  • Large ¡mulAplexing ¡gain ¡with ¡a ¡deployable ¡SDR ¡wireless ¡plaTorm ¡

May ¡16, ¡2016 ¡ Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ Page ¡28 ¡

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References ¡

Patents, ¡Patents ¡Pending ¡ May ¡16, ¡2016 ¡ Page ¡29 ¡

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hqps://www.qualcomm.com/media/documents/files/making-­‑the-­‑best-­‑use-­‑of-­‑unlicensed-­‑spectrum-­‑presentaAon.pdf ¡

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References ¡

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  • [3GPP-­‑Rel.13] ¡D. ¡Flore, ¡“IniAal ¡prioriAes ¡for ¡the ¡evoluAon ¡of ¡the ¡evoluAon ¡of ¡LTE ¡in ¡Release-­‑13”, ¡3GPP ¡RAN, ¡Sep. ¡20, ¡2014. ¡

hqp://www.3gpp.org/news-­‑events/3gpp-­‑news/1628-­‑rel13 ¡ ¡

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  • [Intel’16] ¡Intel ¡“How ¡will ¡Massive ¡MIMO ¡Improve ¡5G ¡Data ¡Transfers? ¡Intel ¡Explains”, ¡Feb. ¡2016 ¡hqps://www.youtube.com/watch?v=k3ZqaxikXdk ¡
  • [Samsung’12] ¡Y. ¡Kim, ¡“Full ¡dimension ¡MIMO ¡and ¡beamforming ¡technologies ¡for ¡B4G,” ¡Samsung, ¡Oct. ¡2012 ¡
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  • [Svantesson’00] ¡T. ¡Svantesson, ¡“A ¡study ¡of ¡polarizaAon ¡diversity ¡using ¡an ¡electromagneAc ¡spaAo-­‑temporal ¡channel ¡model,” ¡Proc. ¡IEEE ¡Veh. ¡Tech. ¡Conf., ¡vol. ¡1, ¡Sep. ¡2000. ¡
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Thank ¡you ¡

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