[논문 리뷰] Towards an Appropriate Beamforming Scheme for Initial Cell Discovery in mmW 5G Cellular Networks

Waqas Bin Abbas, Michele Zorzi|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 02.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 mmWave 5G 네트워크에서 초기 셀 탐색을 위한 에너지 효율적인 비드포밍 설계를 제안하며, 맥락 정보(CI) 및 비-CI 환경에서 아날로그, 디지털, 하이브리드, 그리고 프레이즈 슈프터 네트워크(PSN) 비드포밍을 비교한다. 비-CI 환경에서는 디지털 비드포밍이 에너지 소비와 탐색 지연을 최소화하는 것으로 나타났고, CI가 있는 아날로그 비드포밍은 가장 낮은 에너지 소비를 기록하였다. 또한 고대역폭 PSS 서브-carrier를 활용한 새로운 신호 구조를 제안하여 지연과 에너지 소비를 추가로 감소시켰다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모바일 스테이션(MS)에서 mmWave 5G 네트워크의 초기 셀 탐색을 위한 가장 에너지 효율적인 비드포밍 설계를 규명하는 것.
• 아날로그, 디지털, 하이브리드, 그리고 프레이즈 슈프터 네트워크(PSN) 비드포밍 아키텍처 간의 에너지 소비와 탐색 지연 간의 상호 상충 관계를 평가하는 것.
• 초기 액세스 중 맥락 정보(CI)가 비드포밍 효율성과 에너지 소비에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 주요 동기 신호(PSS) 서브-carrier의 대역폭을 증가시켜 초기 셀 탐색 지연과 에너지 소비를 줄일 수 있는 새로운 신호 구조를 설계하는 것.

제안 방법

• 에너지 소비는 전력과 시간 지연의 곱으로 모델링되며, 저전력 및 고전력 ADC의 전력 모델을 기반으로 RF 체인 및 ADC 전력 소모를 도출한다.
• 비맥락 정보(nCI) 및 맥락 정보(CI) 환경에서 아날로그 비드포밍(ABF), 디지털 비드포밍(DBF), 하이브리드 비드포밍(HBF), PSN 아키텍처의 성능을 평가한다.
• 기존의 PSS 서브-carrier 대역폭을 k배로 증가시킨 새로운 신호 구조를 제안하며(예: k=8), 이는 전송 시간을 단축시키고 한 슬롯 내에서 다수의 비드포밍을 가능하게 한다.
• 시간 지연 감소는 $ t_{Del,Red} = t_{Del}/k $ 로 정량화되며, 다양한 k 값에 대해 에너지 소비를 측정하여 효율성 향상을 평가한다.
• 모의 실험과 분석 모델을 통해 다양한 ADC 비트 해상도와 서브-carrier 대역폭에서 비드포밍 설계 간의 에너지 소비를 비교한다.
• 고정 및 가변 대역폭 서브-carrier를 고려하며, 제안된 PSS 구조는 다른 신호의 대역폭을 표준 유지하여 ADC 샘플링 속도와 전력 소모를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비-CI 조건에서 mmWave 5G 네트워크의 초기 셀 탐색 시 아날로그 비드포밍(ABF), 디지털 비드포밍(DBF), 하이브리드 비드포밍(HBF), 또는 PSN 중 어느 비드포밍 설계가 에너지 소비를 가장 낮게 하는가?
• RQ2 맥락 정보(CI)의 가용성이 초기 액세스 중 비드포밍 설계의 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 셀 탐색 중 디지털 비드포밍이 아날로그 비드포밍보다 더 높은 에너지 소비를 유발하는가, 아니면 낮은 탐색 지연으로 인해 총 에너지 소비가 낮아지는가?
• RQ4 기타 신호는 표준 대역폭을 유지하면서 PSS 서브-carrier의 대역폭을 증가시키면, 초기 셀 탐색 지연과 에너지 소비를 줄일 수 있는가?
• RQ5 다양한 ADC 비트 해상도에서 비드포밍 설계 간의 에너지 소비 추세는 안정적인가?

주요 결과

• 비-CI 환경에서는 디지털 비드포밍(DBF)이 탐색 지연이 크게 감소함에 따라 모든 비드포밍 설계 중에서 가장 낮은 에너지 소비를 기록한다. 이는 각 안테나의 전력 소비가 높더라도 지배적이다.
• CI 기반 환경에서는 맥락 정보가 있는 아날로그 비드포밍이 가장 낮은 에너지 소비를 기록한다. 이는 모바일 스테이션(MS)이 알려진 방향으로 비드포밍을 집중시할 수 있기 때문이다.
• 비-CI 환경에서 고대역폭 서브-carrier에서 PSN 아키텍처는 HBF 및 기타 설계보다 낮은 에너지 소비를 기록하며, 저전력 대안으로서의 잠재력을 지닌다.
• k배로 증가된 PSS 서브-carrier 대역폭을 가진 제안된 신호 구조는 탐색 지연을 k 배로 감소시켜 총 에너지 소비를 직접적으로 낮춘다.
• 에너지 소비 추세는 ADC 비트 해상도와 무관하므로, 다양한 ADC 전력 모델에서도 비드포밍 설계 간 상대적 성능 순위는 일관되게 유지된다.
• 제안된 PSS 신호 구조는 표준 신호와 동일한 시간 간격 내에서 k개의 PSS 신호를 서로 다른 각도로 전송할 수 있도록 하여 탐색 지연을 감소시키며, 전체 대역폭이나 ADC 샘플링 속도를 증가시키지 않는다.