[论文解读] Towards an Appropriate Beamforming Scheme for Initial Cell Discovery in mmW 5G Cellular Networks

Waqas Bin Abbas, Michele Zorzi|arXiv (Cornell University)|May 2, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在毫米波5G网络中用于初始小区发现的节能波束成形方案，通过在无上下文信息（CI）和有CI情景下对比模拟、数字、混合及移相器网络（PSN）波束成形，表明在无CI环境下数字波束成形可最小化能耗和搜索延迟，而结合CI的模拟波束成形能耗最低，并提出一种新型信号结构，通过增加主同步信号（PSS）子载波带宽进一步降低延迟和能耗。

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.

研究动机与目标

• 确定在移动台（MS）上，毫米波5G网络初始小区发现中最具能耗效率的波束成形方案。
• 评估模拟、数字、混合及移相器网络（PSN）波束成形架构在能耗与搜索延迟之间的权衡。
• 评估上下文信息（CI）对初始接入期间波束成形效率与能耗的影响。
• 设计一种新型信号结构，通过增加主同步信号（PSS）子载波带宽，降低初始小区搜索延迟与能耗。

提出的方法

• 能耗建模为功率与时间延迟的乘积，功率基于低功耗与高功耗ADC的射频链路与ADC功率模型。
• 在无上下文信息（nCI）与上下文信息（CI）情景下，评估模拟波束成形（ABF）、数字波束成形（DBF）、混合波束成形（HBF）及PSN架构的性能。
• 提出一种新型信号结构，其中PSS子载波带宽提高k倍（例如k=8），缩短传输时间，并实现在单个时隙内发送多个波束。
• 时间延迟减少量表示为 $ t_{Del,Red} = t_{Del}/k $，通过不同k值下的能耗测量评估效率增益。
• 通过仿真与解析模型，比较不同ADC位深度与子载波带宽下各波束成形方案的能耗。
• 分析考虑固定与可变带宽子载波，所提出的PSS结构保持其他信号标准带宽，以降低ADC采样率与功耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无CI条件下，哪种波束成形方案——ABF、DBF、HBF或PSN——在毫米波5G网络初始小区发现中能耗最低？
• RQ2 上下文信息（CI）的可用性如何影响波束成形方案在初始接入期间的能耗效率？
• RQ3 数字波束成形在初始小区发现期间是否比模拟波束成形消耗更多能耗，还是其更低的搜索延迟可带来更低的总能耗？
• RQ4 在保持其他信号为标准带宽的前提下，更高带宽的PSS子载波是否能降低初始小区搜索延迟与能耗？
• RQ5 不同ADC位深度下，波束成形方案的能耗趋势是否具有鲁棒性？

主要发现

• 在无CI情景下，数字波束成形（DBF）因显著降低的搜索延迟，成为所有波束成形方案中能耗最低的方案，尽管其每个天线的功耗更高。
• 在基于CI的情景下，结合上下文信息的模拟波束成形（CI-ABF）实现最低能耗，因移动台可将波束成形聚焦于已知方向。
• 在高子载波带宽下，相移器网络（PSN）架构在无CI情景下的能耗低于HBF及其他方案，提供一种低功耗替代方案。
• 所提出的PSS子载波带宽提高k倍的信号结构，使搜索延迟降低为原来的1/k，直接降低总能耗。
• 能耗趋势与ADC位深度无关，即不同ADC功耗模型下，波束成形方案的相对性能排名保持一致。
• 所提出的PSS信号结构可在与标准信号相同的时隙内，将k个PSS信号以不同角度方向发送，降低搜索延迟，且不增加总带宽或ADC采样率。