[논문 리뷰] Design and Analysis of Initial Access in Millimeter Wave Cellular Networks

Yingzhe Li, Jeffrey G. Andrews외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 19.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파(mmWave) 블루투스 네트워크에서의 초기 액세스를 위한 시스템 수준 분석 프레임워크를 제안하며, 셀 검색 및 랜덤 액세스 동안 방향성 빔포밍과 옴니디렉셔널 전송을 조합한 네 가지 프로토콜을 평가한다. 성공 확률, 지연, 사용자 인식 대역폭에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여, 빠른 셀 검색 프로토콜이 초기 액세스 지연과 대역폭 사이의 최적 균형을 달성하며, 블록화 조건 하에서 최적의 빔폭이 약 π/12일 경우 지연이 최소화됨을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고도의 방향성과 블록화로 인해 빔포밍 검색과 빈번한 재연결이 필요해지는 mmWave 릴레이티브 네트워크에서의 초기 액세스 과제를 해결하기 위해.
• 빔포밍, 블록화, 간섭의 영향을 초기 액세스 성능에 반영하는 시스템 수준 분석 모델을 개발하기 위해.
• 전체 검색, 빠른 셀 검색, 두 가지 하이브리드 프로토콜을 포함한 네 가지 초기 액세스 프로토콜을 성공 확률, 지연, 사용자 인식 다운링크 대역폭 등의 핵심 지표에서 평가하고 비교하기 위해.
• 다양한 블록화 조건에서 낮은 지연과 높은 대역폭을 균형 잡는 데 최적의 빔폭과 프로토콜 설계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 스토하스틱 기하학을 사용하여 기지국(BS)과 사용자의 공간 분포를 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링함으로써 분석 가능한 시스템 수준 분석을 가능하게 한다.
• 메인 로브와 사이드 로브 이득을 포함한 하이브리드 빔포밍 모델을 도입하며, 빔 방향성은 신호 세기와 간섭 수준에 영향을 미친다.
• PPP의 확률 생성 기능(PGFL)을 사용하여 빔폭, 세그먼트화, 블록화 영향을 고려한 셀 검색(CS) 및 랜덤 액세스(RA)의 성공 확률을 유도한다.
• 성공적 연결(이벤트 A) 하의 다운링크 SIR을 서비스 중인 BS의 전력, 경로 손실, 메인 로브 및 사이드 로브 내 감지/미감지된 BS들로부터의 간섭에 따라 함수로 모델링한다.
• 거시 빔 스위핑(K_cs 세그먼트)과 세밀한 빔 선택(N개의 빔/세그먼트)을 포함한 계층적 빔포밍 구조를 사용하여 간섭 및 감지 확률의 분석 가능성을 확보한다.
• 다양한 감지 집합을 처리하기 위해 조합 수학 변환을 사용하여 CS 및 RA의 성공 확률을 결합하고, 주요 성능 지표에 대한 폐쇄형 표현식을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 블록화 조건 하에서 초기 액세스 지연을 최소화하기 위해 전역 검색 프로토콜에 적합한 최적의 빔폭은 무엇인가?
• RQ2 mmWave 네트워크에서 다양한 초기 액세스 프로토콜 간에 초기 액세스 지연과 사용자 인식 다운링크 대역폭 사이의 트레이드오프는 어떻게 달라지나?
• RQ3 빔포밍의 방향성과 세그먼트화는 mmWave 시스템에서 셀 검색 및 랜덤 액세스의 성공 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 메인 로브 및 사이드 로브 내 감지 및 미감지된 BS들로부터의 간섭은 다운링크 SIR과 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 빠른 셀 검색 프로토콜은 지연-대역폭 트레이드오프 측면에서 전역 검색을 초월할 수 있으며, 어떤 조건에서 그러한 성능 향상이 이루어지는가?

주요 결과

• 전역 검색 프로토콜에 대한 최적의 빔폭은 약 π/12 라디안이며, 이는 초기 액세스 지연을 최소화한다.
• 블록화 심화에 따라 초기 액세스 지연은 감소하지만, 사용자 인식 다운링크 대역폭에 대해선 약 π/12 라디안에서 상대적으로 일정하게 유지된다.
• 빠른 셀 검색 프로토콜이 평가된 모든 프로토콜 중에서 초기 액세스 지연과 사용자 인식 다운링크 대역폭 사이의 최적 균형을 달성한다.
• 셀 검색의 성공 확률은 감지된 빔 수(s)에 따라 달라지며, s가 클수록 감지 가능성은 향상되지만 간섭은 증가한다.
• 유도된 SIR 커버리지 표현식은 메인 로브 및 사이드 로브 내 감지 및 미감지된 BS들로부터의 간섭을 고려하여 정확한 성능 예측이 가능하다.
• 분석 프레임워크는 시뮬레이션에 의존하지 않고도 주요 지표를 폐쇄형으로 평가할 수 있게 하여, 프로토콜 최적화에 활용 가능한 확장 가능한 도구를 제공한다.