[논문 리뷰] Effects of Beamforming and Antenna Configurations on Mobility in 5G NR

Edgar Ramos, Antonino Orsino|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 5G 뉴 라디오(NR)에서 빔포밍과 매크로 MIMO 안테나 구성이 이동성에 미치는 영향을 조사하며, 핸드오버의 견고성과 측정 보고에 중점을 둔다. 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 128개의 요소를 가진 매크로 MIMO는 신호 강도와 데이터 전송률을 향상시키지만, 빔 오차정렬과 펜큐 효과로 인해 핸드오버 복잡성이 증가함을 보여주며, 5G의 저지연 및 0ms 간섭 없음 요구사항을 충족시키기 위해 RRM 파arameter를 신중하게 조정할 필요가 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 빔포밍과 고요소 안테나 구성이 5G NR 이동성과 핸드오버 신뢰성에 미치는 영향을 분석하기.
• 물리 계층 측정 보고(예: RSRP, 빔 선택)가 동적 환경에서 핸드오버 견고성에 미치는 영향을 평가하기.
• 고주파 mmWave 배포 환경에서 빔 관리의 주요 과제, 특히 빔 오차정렬과 펜큐 효과를 규명하기.
• 5G NR에서 고직도(대규모 안테나 어레이를 통한)와 이동성 안정성 간의 성능 상충관계 평가하기.

제안 방법

• 3.5GHz에서 40MHz 대역폭을 가진 3개의 사이트, 3셀 매크로셀룰러 배포를 사용한 시스템 수준 시뮬레이션 수행.
• 빔포밍 영향을 평가하기 위해 16, 32, 64, 128개 요소의 다양한 안테나 구성 평가.
• 도시(UMa) 실외 및 실내 환경에 대해 3GPP 3D SCM pathloss 및 슬로우 fading 모델 사용.
• 다양한 빔 격자에서 서비스 RSRP와 최고 RSRP 측정을 통해 빔 선택 정확도와 신호 강도 평가.
• 절대적으로 최고의 빔과 사용자 단말기(UE)가 선택한 빔 간의 Delta RSRP 분석을 통해 빔 오차정렬 정도 정량화.
• RRM 모델의 L1 및 L3 필터링 파arameter를 조정하여 핸드오버 안정성과 펜큐 감소에 미치는 영향 연구.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G NR에서 안테나 요소 수를 늘일수록 RSRP와 빔 선택 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 네트워크의 최적 빔과 사용자 단말기(UE)가 선택한 빔 간의 빔 오차정렬이 핸드오버 성능에 얼마나 악영향을 미치는가?
• RQ3 L1 및 L3 필터링 파arameter는 빔포밍 5G NR 시스템에서 핸드오버 견고성과 펜큐 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고속 이동 환경(최대 시속 30km/h)에서 빔포밍은 신호 강도와 데이터 전송률 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 빔별 식별자나 향상된 측정 보고 방식은 매크로 MIMO 기반 5G NR에서 핸드오버 실패율을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 128개 요소의 매크로 MIMO를 사용할 경우, 공간 빔 분리와 간섭 감소로 인해 신호 강도와 데이터 전송률이 크게 향상된다.
• 사용자 단말기(UE)는 항상 기지국(BS)의 전체 빔 격자에서 절대적으로 최고의 빔을 선택하지는 않으며, 일부 시나리오에서 최대 6dB의 측정 Delta RSRP가 발생한다.
• 네트워크의 최적 빔과 UE가 선택한 빔 간의 빔 오차정렬은 핸드오버 실패 위험을 증가시키고 링크 품질을 저하시킨다.
• 더 높은 빔 해상도(더 많은 요소)는 필터링 파arameter가 적절히 조정되지 않으면 핸드오버 복잡성과 펜큐 효과 발생 가능성을 증가시킨다.
• L1 및 L3 필터링 파arameter는 핸드오버 안정성에 큰 영향을 미치며, 잘못된 조정은 불필요한 핸드오버와 견고성 저하를 초래한다.
• 성능 향상에도 불구하고 빔포밍은 이동성 관리에 새로운 과제를 야기하며, 5G의 0ms 간섭 목표를 달성하기 위해 향상된 측정 모델과 빔별 보고가 필요하다.