Abstract

The commercial long-term evolution (LTE) networks of today offer fast and regionally wide access to the Internet and to the commercial applications and services at a reasonable price. At the same time, public safety (PS) users are still communicating with old-fashioned, second-generation voice and data services. Recently, the commercial LTE networks have been standardized to offer capabilities to mission-critical users. However, the commercial networks do not yet fully support the coverage requirements of the PS users. Moreover, the commercial infrastructure might be out of order in critical scenarios where PS actors are needed. Thus, the PS users require, for example, rapidly deployed LTE networks to support their own communication. This thesis studies the PS use of commercial operators’ LTE networks and rapidly deployed closed LTE networks. The key tasks are to find out how to connect users seamlessly together between the different networks as well as finding out how the frequency planning is implemented. This thesis provides practical design solutions to guarantee network interoperability by connecting the networks as well as radio spectrum utilization solutions by licensed shared access (LSA). While the concept of LSA has been well developed, it has not been thoroughly investigated from the point of view of the PS actors, who have special requirements and should benefit from the concept.

Herein, the alternatives for spectrum sharing between PS and commercial systems are discussed. Moreover, the thesis develops a specific LSA spectrum sharing system for the PS actors deploying their own network in scenarios where the commercial networks are insufficient. The solution is a robust LSA-based spectrum sharing mechanism. Note that PS actors also need to be able to utilize the spectrum when the LSA system is not available and when the commercial system has failed. Thus, this thesis proceeds on developing sensing methods for complementing LSA, where the sensing methods guarantee spectrum information for a rapidly deployed PS network. It is shown how PS actors can utilize available spectrum with a secondary spectrum licence. This is a good alternative to reserving the spectrum completely. The work assembles missing pieces of existing methods to ensure the functionality of the commercial and of the supporting rapidly deployed networks, both in terms of spectrum usage and application services.

Tiivistelmä

Kaupalliset long-term evolution (LTE) -verkot tarjoavat nopean, edullisen ja alueellisesti kattavan pääsyn Internettiin sekä laajaan valikoimaan sovelluksia. Samaan aikaan turvallisuustoimijat (public safety (PS) -toimijat) käyttävät vanhanaikaisia äänen sekä vaatimattoman datayhteyden tarjoavia verkkoja. LTE-verkot ovat kuitenkin äskettäin standardoitu tarjoamaan valmiudet myös toimintokriittiseen kommunikointiin. Toisaalta, kaupalliset LTE-verkot eivät vielä tarjoa esimerkiksi tarvittavaa alueellista kattavuutta PS-käyttäjille. Lisäksi, kaupalliset verkot saattavat olla epäkunnossa kriittisissä tilanteissa. Tämän vuoksi PS-toimijat tarvitsevat omia nopeasti pystytettäviä LTE-verkkoja tukemaan nykyaikaista viestintäänsä. Opinnäytetyössä tutkitaan näiden nopeasti pystytettävien LTE-verkkojen käyttöä kaupallisten LTE-verkkojen kanssa. Keskeiset tehtävät ovat eri verkkojen PS-toimijoiden saumaton yhdistäminen sekä verkkojen taajuusjaon toteuttaminen.

Tämä opinnäytetyö tarjoaa käytännön ratkaisuja verkkojen yhteentoimivuuden takaamiseksi ja radiotaajuuksien jakoratkaisuja lisensoidun jaetun käyttöoikeuden licensed shared access (LSA) -metodin avulla. Vaikka LSA:n käsite on jo pitkälle kehitetty, sitä ei ole tutkittu perusteellisesti PS-toimijoiden näkökulmasta ottaen huomioon heidän erityisvaatimuksensa. Tässä työssä syvennytään näiltä osin LSA järjestelmään yhtenä vaihtoehtona taajuuksien saamiseksi nopeasti pystytettäville verkoille. Lisäksi työssä kehitetään robusti LSA-pohjainen taajuuksien jakamisjärjestelmä nopeasti pystytettäville verkoille tilanteissa, joissa kaupalliset verkot ovat riittämättömät. Huomaa, että PS-toimijoiden on pystyttävä hyödyntämään taajuuksia myös silloin, kun LSA-järjestelmän kaikki osat eivät ole käytettävissä ja kun kaupallinen LTE järjestelmä on alhaalla. Tätä varten opinnäytetyössä kehitetään LSA:ta täydentävä havainnointimenetelmä, jolla taataan taajuustiedot vapaista taajuuksista nopeasti pystytettäville verkoille, sekä näytetään, miten PS-toimijat voivat hyödyntää LSA:ta toissijaisen taajuuslisenssin avulla. Tämä on hyvä vaihtoehto radiospektrin varaamiseksi kokonaan. Työ kokoaa puuttuvia osia olemassa oleviin menetelmiin, jotta voidaan varmistaa kaupallisten verkkojen toimivuus PS-käyttäjille yhdessä niitä tukevien nopeasti pystytettävien verkkojen kanssa taajuuksien käytön ja sovelluspalvelujen osalta.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Lähetkangas, K., Saarnisaari, H., & Hulkkonen, A. (2016). Licensed Shared Access System Possibilities for Public Safety. Mobile Information Systems, 2016, 1–12. https://doi.org/10.1155/2016/4313527

2. Lähetkangas, K., Posti, H., Saarnisaari, H., & Hulkkonen, A. (2019). Sensing LTE Base Stations with Energy Detectors for Public Safety. Manuscript submitted for publication.

3. Höyhtyä, M., Lähetkangas, K., Suomalainen, J., Hoppari, M., Kujanpää, K., Trung Ngo, K., … Kokkinen, H. (2018). Critical Communications Over Mobile Operators’ Networks: 5G Use Cases Enabled by Licensed Spectrum Sharing, Network Slicing and QoS Control. IEEE Access, 6, 73572–73582. https://doi.org/10.1109/access.2018.2883787

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version