[論文レビュー] Design and Analysis of Initial Access in Millimeter Wave Cellular Networks

Yingzhe Li, Jeffrey G. Andrews+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、ミリ波（mmWave）セルラー網における初期アクセスのためのシステムレベルの分析フレームワークを提案し、セル検索およびランダムアクセス中に方向性ビームフォーミングとオムニディレクショナル伝送を組み合わせた4つのプロトコルを評価する。成功確率、遅延、ユーザーが体感するスループットの閉形式表現を導出しており、高速セル検索プロトコルが初期アクセス遅延とスループットの間で最良のトレードオフを達成しており、遮蔽下で遅延を最小化する最適ビーム幅はπ/12程度であることが示された。

ABSTRACT

Initial access is the process which allows a mobile user to first connect to a cellular network. It consists of two main steps: cell search (CS) on the downlink and random access (RA) on the uplink. Millimeter wave (mmWave) cellular systems typically must rely on directional beamforming (BF) in order to create a viable connection. The beamforming direction must therefore be learned-as well as used-in the initial access process for mmWave cellular networks. This paper considers four simple but representative initial access protocols that use various combinations of directional beamforming and omnidirectional transmission and reception at the mobile and the BS, during the CS and RA phases. We provide a system-level analysis of the success probability for CS and RA for each one, as well as of the initial access delay and user-perceived downlink throughput (UPT). For a baseline exhaustive search protocol, we find the optimal BS beamwidth and observe that in terms of initial access delay it is decreasing as blockage becomes more severe, but is relatively constant (about $π/12$) for UPT. Of the considered protocols, the best trade-off between initial access delay and UPT is achieved under a fast cell search protocol.

研究の動機と目的

• 高い指向性と遮蔽のため、ビームフォーミング探索と頻繁な再接続を要するmmWaveセルラー網における初期アクセスの課題に対処すること。
• ビームフォーミング、遮蔽、干渉の影響を初期アクセス性能に与える影響を捉えたシステムレベルの分析モデルを構築すること。
• 全探索、高速セル検索、および2つのハイブリッドプロトコルを含む4つの初期アクセスプロトコルを、成功確率、遅延、ユーザーが体感するダウンリンクスループットという主な指標で評価・比較すること。
• 変動する遮蔽状態下で、低遅延と高スループットの両立を実現する最適なビーム幅およびプロトコル設計を同定すること。

提案手法

• ポアソン点過程（PPP）として基地局（BS）とユーザーの空間的分布をモデル化することで、解析的かつ扱いやすいシステムレベルの分析を可能にする。
• メインローブとサイドローブの利得を有するハイブリッドビームフォーミングモデルを導入し、ビームの指向性が信号強度と干渉レベルに与える影響を表現する。
• PPPの確率生成関数（PGFL）を用いて、ビーム幅、セクタリング、遮蔽効果を組み込んだセル検索（CS）およびランダムアクセス（RA）の成功確率を導出する。
• イベントA（正常な接続）下でのダウンリンクSINRを、サービングBSの電力、路損、メインローブおよびサイドローブ内の検出済み／未検出BSからの干渉の関数としてモデル化する。
• 粗いビームスイープ（K_csセクタ）と細かいビーム選択（1セクタあたりNビーム）から成る階層的ビームフォーミング構造を採用し、干渉および検出確率の解析的扱いやすさを実現する。
• 組み合わせ的変換を用いて変動する検出ビーム集合を扱うことで、CSおよびRAの成功確率とSINRカバレッジの組み合わせから、主要な性能指標の閉形式表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮蔽状態が変化する条件下で、初期アクセス遅延を最小化する観点から、全探索プロトコルにおける最適ビーム幅は何か？
• RQ2 mmWaveネットワークにおける異なる初期アクセスプロトコルにおいて、初期アクセス遅延とユーザーが体感するダウンリンクスループットのトレードオフはどのように変化するか？
• RQ3 ビームフォーミングの指向性およびセクタリングは、mmWaveシステムにおけるセル検索およびランダムアクセスの成功確率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 メインローブおよびサイドローブ内の検出済みおよび未検出BSからの干渉は、ダウンリンクSINRおよびシステム性能にどのように影響するか？
• RQ5 高速セル検索プロトコルは、遅延-スループットトレードオフにおいて全探索を上回ることができるか？その条件は何か？

主な発見

• 全探索プロトコルの最適ビーム幅は約π/12ラジアンであり、これが初期アクセス遅延を最小化する。
• 遮蔽の深刻度が高くなるとビーム探索空間が小さくなるため、初期アクセス遅延は低下するが、ユーザーが体感するダウンリンクスループットに関しては、π/12ラジアンでほぼ一定に保たれる。
• 高速セル検索プロトコルが、評価されたすべてのプロトコルの中で初期アクセス遅延とユーザーが体感するダウンリンクスループットの間で最良のトレードオフを達成する。
• セル検索の成功確率は検出されたビーム数（s）に依存し、sが大きいほど検出確率は向上するが、同時に干渉も増加する。
• 導出されたSINRカバレッジ式は、メインローブおよびサイドローブ内の検出済みおよび未検出BSからの干渉を考慮しており、性能予測の正確性を高める。
• 解析フレームワークにより、シミュレーションに依存せずに主要指標の閉形式評価が可能となり、プロトコル最適化に向けたスケーラブルなツールが提供される。