[논문 리뷰] Fast and Reliable Initial Access with Random Beamforming for mmWave Networks

Yanpeng Yang, Shokri-Ghadikolaei Hossein외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 30.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 밀도가 높은 mmWave 네트워크에서 빠르고 신뢰할 수 있는 초기 액세스를 위해 무작위 빔포밍을 제안하며, 간섭과 빔 정렬을 모델링하기 위해 확률적 기하학을 사용한다. 이는 무작위 빔포밍이 망막 지연 시간을 감소시키면서도 체계적 탐색 및 반복적 탐색과 유사한 실패 확률을 유지함을 보여주며, 특히 경량 트래픽 및 저지연 시나리오에서 유리하다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) communications rely on directional transmissions to overcome severe path loss. Nevertheless, the use of narrow beams complicates the initial access procedure and increase the latency as the transmitter and receiver beams should be aligned for a proper link establishment. In this paper, we investigate the feasibility of random beamforming for the cell-search phase of initial access. We develop a stochastic geometry framework to analyze the performance in terms of detection failure probability and expected latency of initial access as well as total data transmission. Meanwhile, we compare our scheme with the widely used exhaustive search and iterative search schemes, in both control plane and data plane. Our numerical results show that, compared to the other two schemes, random beamforming can substantially reduce the latency of initial access with comparable failure probability in dense networks. We show that the gain of the random beamforming is more prominent in light traffics and low-latency services. Our work demonstrates that developing complex cell-discovery algorithms may be unnecessary in dense mmWave networks and thus shed new lights on mmWave network design.

연구 동기 및 목표

• mmWave 네트워크에서 방향성 빔포밍 요구 사항으로 인한 높은 지연 시간과 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 무작위 빔포밍이 밀도가 높은 mmWave 배치에서 빠르고 신뢰할 수 있는 셀 탐색을 달성할 수 있는지 평가하기 위해.
• 검출 실패 확률, 지연 시간, 데이터 평면 성능 측면에서 무작위 빔포밍을 체계적 탐색 및 반복적 탐색 방식과 비교하기 위해.
• LOS/NLOS 전파, 안테나 사이드로브, 현실적인 3GPP NR 구성 요소를 고려한 체계 수준의 분석 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 다중 셀 mmWave 네트워크에서 기지국과 사용자 장비의 공간 분포를 모델링하기 위해 확률적 기하학 기반 프레임워크를 개발한다.
• 독립적인 포아송 점 프로세스를 사용하여 메인로브 및 사이드로브에서 오는 간섭을 모델링하고, 마이크로슬롯 내 간섭 전력의 라플라스 변환을 유도한다.
• 메인로브 및 사이드로브 검출 확률을 조합하여 실패 확률에 대한 정확한 표현을 유도하며, 이들 간의 독립성을 가정한다.
• 여러 개의 마이크로슬롯에서 선택 조합을 사용하여 임계값 이상의 SINR 검출에 성공할 확률을 모델링한다.
• 실패 프레임의 기하 분포로 초기 액세스 지연 시간을 모델링하며, 기대 지연 시간은 실패 프레임 지속 시간의 합과 하나의 성공적 액세스 주기의 합으로 계산된다.
• 프레임 지속 시간, 액세스 시간, 데이터 전송 속도를 기반으로 데이터 전송 시간을 고려한 총 전송 지연 시간을 계산하기 위해 모델을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도가 높은 mmWave 네트워크에서 무작위 빔포밍이 체계적 탐색 및 반복적 탐색보다 낮은 초기 액세스 지연 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실제 전파 조건(LOS/NLOS)과 비영인 안테나 사이드로브 조건 하에서 무작위 빔포밍의 검출 실패 확률은 어떻게 되는가?
• RQ3 무작위 빔포밍 성능은 네트워크 밀도와 트래픽 부하에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 무작위 빔포밍 하에서 초기 액세스 지연 시간과 데이터 전송 지연 시간 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 어떤 네트워크 시나리오(예: 경량 트래픽, 저지연 서비스)에서 무작위 빔포밍이 가장 큰 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• 무작위 빔포밍은 특히 밀도가 높은 mmWave 네트워크에서 체계적 탐색 및 반복적 탐색 방식보다 상당히 낮은 초기 액세스 지연 시간을 달성한다.
• 비영인 안테나 사이드로브와 NLOS 전파 조건 하에서도 무작위 빔포밍의 검출 실패 확률은 체계적 탐색 및 반복적 탐색과 유사하게 유지된다.
• 무작위 빔포밍의 지연 시간 이점은 경량 트래픽 시나리오와 저지연 서비스에서 가장 두드러지며, 이는 신속한 연결 설정이 핵심이기 때문이다.
• 제안된 확률적 기하학 프레임워크는 메인로브 및 사이드로브에서 오는 간섭을 정확하게 캡처하여 정밀한 지연 시간 및 신뢰성 분석을 가능하게 한다.
• 무작위 빔포밍 하에서 기대 초기 액세스 지연 시간은 $ \boxed{\frac{1}{1 - P_f(N_c)} - 1} \times T_f + T_{\text{cs}} + T_{\text{ra}} $ 로 주어지며, 여기서 $ P_f $ 는 실패 확률이고 $ T_f $ 는 프레임 지속 시간이다.
• 무작위 빔포밍은 데이터 전송 오버헤드를 고려하더라도 초기 액세스 지연 시간이 감소함에 따라 총 전송 지연 시간이 최소화된다.