[論文レビュー] Towards an Appropriate Beamforming Scheme for Initial Cell Discovery in mmW 5G Cellular Networks

Waqas Bin Abbas, Michele Zorzi|arXiv (Cornell University)|May 2, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、mmWave 5Gネットワークにおける初期セル発見のためのエネルギー効率の良いビームフォーミング方式を提案する。アナログ、デジタル、ハイブリッド、位相シフトャーネットワーク（PSN）ビームフォーミングを、文脈情報（CI）ありとなしの両状況で比較した。非CI環境ではデジタルビームフォーミングがエネルギー消費と探索遅延を最小化するが、CIありのアナログビームフォーミングが最も低いエネルギー消費を達成する。さらに、高帯域幅のPSSサブキャリアを用いた新しい信号構造を提案し、遅延とエネルギー消費をさらに低減する。

ABSTRACT

Beamforming is an essential requirement to combat high pathloss and to improve signal-to-noise ratio during initial cell discovery in future millimeter wave cellular networks. The choice of an appropriate beamforming is directly coupled with its energy consumption. The energy consumption is even of more concern at a battery limited mobile station (MS). In this work, we provide an energy consumption based comparison of different beamforming schemes while considering both a low power and a high power analog-to-digital converter (ADC) for a millimeter wave based receiver at the MS. We analyze both context information (CI) (GPS positioning based) and non context information based schemes, and show that analog beamforming with CI (where mobile station's positioning information is already available) can result in a lower energy consumption, while in all other scenarios digital beamforming has a lower energy consumption than analog and hybrid beamforming. We also show that under certain scenarios recently proposed phase shifters network architecture can result in a lower energy consumption than other beamforming schemes. Moreover, we show that the energy consumption trend among different beamforming schemes is valid irrespective of the number of ADC bits. Finally, we propose a new signaling structure which utilizes a relatively higher frequency sub-carrier for primary synchronization signals compared to other signaling, which allows a further reduction in initial cell search delay and energy consumption of the MS.

研究の動機と目的

• 移動局（MS）におけるmmWave 5Gネットワークの初期セル発見における、最もエネルギー効率の良いビームフォーミング方式を特定すること。
• アナログ、デジタル、ハイブリッド、および位相シフトャーネットワーク（PSN）ビームフォーミングアーキテクチャ間のエネルギー消費と探索遅延のトレードオフを評価すること。
• 初期アクセス中のビームフォーミング効率とエネルギー消費に与える文脈情報（CI）の影響を評価すること。
• 主同期信号（PSS）サブキャリアの帯域幅を拡大することで、初期セル探索遅延とエネルギー消費を低減する新しい信号構造を設計すること。

提案手法

• エネルギー消費は、電力と時間遅延の積としてモデル化され、低消費電力および高消費電力のADC用に、RFチェーンおよびADCの電力モデルが用いられる。
• 非文脈情報（nCI）および文脈情報（CI）の両状況下で、アナログビームフォーミング（ABF）、デジタルビームフォーミング（DBF）、ハイブリッドビームフォーミング（HBF）、およびPSNアーキテクチャの性能が評価される。
• PSSサブキャリア帯域幅をk倍（例：k=8）に拡大することで、送信時間の短縮と1スロット内で複数のビームを送信可能とする、新しい信号構造が提案される。
• 遅延低減は $ t_{Del,Red} = t_{Del}/k $ として定量化され、エネルギー消費はk値の変動に応じて測定され、効率向上が評価される。
• シミュレーションと解析モデルを用いて、異なるADCビット分解能およびサブキャリア帯域幅におけるビームフォーミング方式間のエネルギー消費を比較する。
• 固定帯域幅および可変帯域幅サブキャリアを検討し、提案されたPSS構造は他の信号に標準帯域幅を維持することで、ADCのサンプリングレートと消費電力を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非CI状況下で、mmWave 5Gネットワークの初期セル発見において、ABF、DBF、HBF、またはPSNのうち、どのビームフォーミング方式がエネルギー消費を最小化するか？
• RQ2 文脈情報（CI）の有無が、初期アクセス中のビームフォーミング方式のエネルギー効率とエネルギー消費にどのように影響するか？
• RQ3 初期セル発見において、デジタルビームフォーミングはアナログビームフォーミングよりも高いエネルギー消費を要するのか、それとも低い探索遅延が総合的エネルギー消費を低減するのか？
• RQ4 他の信号は標準帯域幅を維持しながら、PSSサブキャリアの帯域幅を拡大することで、初期セル探索遅延とエネルギー消費を低減できるか？
• RQ5 異なるADCビット分解能において、ビームフォーミング方式のエネルギー消費トレンドは一貫しているか？

主な発見

• 非CI状況下では、デジタルビームフォーミング（DBF）が、高い1アンテナあたりの電力消費にもかかわらず、顕著に短くなった探索遅延のおかげで、全ビームフォーミング方式の中で最も低いエネルギー消費を達成する。
• CIありの状況下では、文脈情報を用いたアナログビームフォーミングが、移動局が既知の方向にビームフォーミングを集中できるため、最も低いエネルギー消費を達成する。
• 非CI状況下で、高帯域幅サブキャリアを用いる際、位相シフトャーネットワーク（PSN）アーキテクチャはHBFや他の方式よりも低いエネルギー消費を達成し、低消費電力の代替手段を提供する。
• k倍のPSSサブキャリア帯域幅を有する提案された信号構造により、探索遅延がk分の1に短縮され、総合的エネルギー消費が直接的に低減される。
• エネルギー消費トレンドはADCビット分解能に依存せず、ADCの電力モデルが異なってもビームフォーミング方式の相対的性能順位は一貫している。
• 提案されたPSS信号構造により、標準信号と同一時間内にk個のPSS信号を異なる角度方向に送信可能となり、全体の帯域幅やADCサンプリングレートを増加させることなく、探索遅延が低減される。