[论文解读] Effects of Beamforming and Antenna Configurations on Mobility in 5G NR

Edgar Ramos, Antonino Orsino|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 4

一句话总结

本文研究了波束赋形和大规模MIMO天线配置对5G新空口（NR）移动性的影响，重点关注切换鲁棒性和测量报告。通过系统级仿真表明，虽然128端口大规模MIMO可提升信号强度和数据速率，但因波束失准和乒乓效应，会增加切换复杂性，需仔细调整RRM参数以满足5G低时延和零中断的要求。

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.

研究动机与目标

• 分析波束赋形和高阵元数天线配置对5G NR移动性和切换可靠性的影响。
• 评估物理层测量报告（RSRP、波束选择）在动态环境中对切换鲁棒性的影响。
• 识别在高频毫米波部署下波束管理中的关键挑战，尤其是波束失准和乒乓效应。
• 评估在5G NR中，通过大阵列实现的高方向性与移动性稳定性之间的性能权衡。

提出的方法

• 在3.5 GHz频段采用3站、3扇区宏蜂窝部署，带宽为40 MHz，开展系统级仿真。
• 评估多种天线配置：16、32、64和128个阵元，以评估波束赋形对信号质量的影响。
• 使用3GPP 3D SCM路径损耗和慢衰落模型，针对城市（UMa）室外和室内场景。
• 测量服务RSRP和最佳RSRP，通过不同波束栅格评估波束选择准确性与信号强度。
• 分析网络最佳波束与用户设备（UE）所选波束之间的Delta RSRP，量化波束失准程度。
• 调整RRM模型中的L1和L3滤波参数，研究其对切换稳定性和乒乓效应减少的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加天线阵元数量如何影响5G NR中的RSRP和波束选择准确性？
• RQ2 网络最佳波束与UE所选波束之间的波束失准在多大程度上会降低切换性能？
• RQ3 L1和L3滤波参数在波束赋形的5G NR系统中如何影响切换鲁棒性和乒乓效应？
• RQ4 波束赋形对高速移动场景（最高30 km/h）下信号强度和数据速率稳定性有何影响？
• RQ5 通过波束特定标识符或增强型测量报告，能否降低基于大规模MIMO的5G NR中的切换失败率？

主要发现

• 采用128端口大规模MIMO后，由于空间波束分离和干扰减少，信号强度和数据速率显著提升。
• 用户设备（UE）并不总能从基站（BS）的完整波束栅格中选择绝对最佳波束，导致部分场景下Delta RSRP达6 dB之多。
• 网络最优波束与UE所选波束之间的波束失准会增加切换失败风险并降低链路质量。
• 更高的波束分辨率（更多阵元）若未仔细调整滤波参数，将增加切换复杂性及乒乓效应的可能性。
• L1和L3滤波参数对切换稳定性具有显著影响；参数设置不当将导致不必要的切换并降低系统鲁棒性。
• 尽管性能有所提升，波束赋形仍为移动性管理引入新挑战，需增强测量模型和波束特定报告机制，以满足5G零中断目标。