[論文レビュー] Effects of Beamforming and Antenna Configurations on Mobility in 5G NR

Edgar Ramos, Antonino Orsino|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、5G New Radio (NR) における移動性に及ぼすビームフォーミングおよびマスティブ MIMO アンテナ構成の影響を調査し、ハンドオーバーの頑健性と測定レポートに焦点を当てている。システムレベルのシミュレーションを用いて、128要素のマスティブ MIMO は信号強度とデータレートを向上させるが、ビームのずれやピンポン効果のためハンドオーバーの複雑さが増加し、5G の低遅延およびゼロ中断要件を満たすためにはRRMパラメータの慎重な調整が必要であることが示された。

ABSTRACT

The future 5G systems are getting closer to be a reality. It is envisioned, indeed, that the roll-out of first 5G network will happen around end of 2018 and beginning of 2019. However, there are still a number of issues and problems that have to be faces and new solutions and methods are needed to solve them. Along these lines, the effects that beamforming and antenna configurations may have on the mobility in 5G New Radio (NR) is still unclear. In fact, with the use of directive antennas and high frequencies (e.g., above 10 GHz), in order to meet the stringent requirements of 5G (e.g., support of 500km/h) it is crucial to understand how the envisioned 5G NR antenna configurations may impact mobility (and thus handovers). In this article, first we will briefly survey mobility enhancements and solution currently under discussion in 3GPP Release 15. In particular, we focus our analysis on the physical layer signals involved in the measurement reporting and the new radio measurement model used in 5G NR to filter the multiple beams typical of directive antenna with a large number of antenna elements. Finally, the critical aspect of mobility identified in the previous sections will be analyzed in more details through the obtained results of an extensive system-level evaluation analysis.

研究の動機と目的

• ビームフォーミングおよび高要素アンテナ構成が5G NRの移動性およびハンドオーバー信頼性に与える影響を分析すること。
• 物理層の測定レポート（RSRP、ビーム選択）が、動的環境下でのハンドオーバーの頑健性に与える影響を評価すること。
• 特にミリ波周波数帯の展開下で、ビーム管理における主な課題、特にビームのずれやピンポン効果を特定すること。
• 5G NRにおける高指向性（大規模アンテナアレイによる）と移動性の安定性の間の性能トレードオフを評価すること。

提案手法

• 3.5 GHz で40 MHz帯域幅を有する3サイト3セクタのマクロセル配置を想定したシステムレベルのシミュレーションを実施。
• ビームフォーミングの影響を評価するため、16、32、64、128要素の複数のアンテナ構成を評価。
• 都市部（UMa）の屋外および屋内シナリオに適応するため、3GPP 3D SCM 路径損失および遅い fading モデルを用いた。
• ビームグリッドごとのサービング RSRP およびベスト RSRP を測定し、ビーム選択の正確さと信号強度を評価。
• ネットワークの最良ビームとUEが選択したビームの間の Delta RSRP を分析し、ビームのずれを定量化。
• RRMモデルにおけるL1およびL3フィルタリングパラメータのチューニングを実施し、ハンドオーバーステーブルおよびピンポン効果低減への影響を調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンテナ要素数の増加は、5G NRにおけるRSRPおよびビーム選択の正確さにどのように影響するか？
• RQ2 ネットワークの最良ビームとUEが選択したビームとの間のビームのずれが、ハンドオーバー性能をどの程度悪化させるか？
• RQ3 L1およびL3フィルタリングパラメータは、ビームフォーミングされた5G NRシステムにおけるハンドオーバーの頑健性およびピンポン効果にどのように影響するか？
• RQ4 高速移動環境（最高速度30 km/h）における信号強度およびデータレートの安定性にビームフォーミングが与える影響は何か？
• RQ5 ビーム固有の識別子または強化された測定レポートは、マスティブ MIMO を用いた5G NRにおけるハンドオーバー失敗率を低減できるか？

主な発見

• 128要素のマスティブ MIMO を用いることで、空間的ビーム分離と干渉低減により、信号強度とデータレートが顕著に向上する。
• UEは常にBSの全ビームグリッドから絶対的最良ビームを選択するわけではないため、一部のシナリオで最大6 dBのDelta RSRPが計測された。
• ネットワークの最適ビームとUEが選択したビームとの間のビームのずれは、ハンドオーバー失敗のリスクを増加させ、リンク品質を低下させる。
• より高いビーム分解能（要素数の増加）は、フィルタリングパラメータが適切にチューニングされていない場合には、ハンドオーバーの複雑さとピンポン効果の発生確率を高める。
• L1およびL3フィルタリングパラメータはハンドオーバーの安定性に顕著な影響を及ぼす。不適切なチューニングは不要なハンドオーバーを引き起こし、頑健性を低下させる。
• 性能向上にもかかわらず、ビームフォーミングは移動性管理における新たな課題をもたらし、5Gの0ms中断目標を達成するためには、強化された測定モデルとビーム固有のレポートが不可欠である。