[论文解读] Context Information for Fast Cell Discovery in mm-wave 5G Networks

Antonio Capone, Ilario Filippini+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2015

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 11被引用 45

一句话总结

本文提出利用来自传统控制平面的上下文信息——特别是用户位置——来加速毫米波5G网络中的小区发现。通过利用波束赋形技术与用户上报的位置数据，该方法减少了波束扫描所需的时间，在上下文准确性适中时，将发现延迟最高降低60%，从而提升了高路径损耗毫米波环境下的网络接入效率。

ABSTRACT

The exploitation of the mm-wave bands is one of the most promising solutions for 5G mobile radio networks. However, the use of mm-wave technologies in cellular networks is not straightforward due to mm-wave harsh propagation conditions that limit access availability. In order to overcome this obstacle, hybrid network architectures are being considered where mm-wave small cells can exploit an overlay coverage layer based on legacy technology. The additional mm-wave layer can also take advantage of a functional split between control and user plane, that allows to delegate most of the signaling functions to legacy base stations and to gather context information from users for resource optimization. However, mm-wave technology requires high gain antenna systems to compensate for high path loss and limited power, e.g., through the use of multiple antennas for high directivity. Directional transmissions must be also used for the cell discovery and synchronization process, and this can lead to a non-negligible delay due to the need to scan the cell area with multiple transmissions at different directions. In this paper, we propose to exploit the context information related to user position, provided by the separated control plane, to improve the cell discovery procedure and minimize delay. We investigate the fundamental trade-offs of the cell discovery process with directional antennas and the effects of the context information accuracy on its performance. Numerical results are provided to validate our observations.

研究动机与目标

• 解决由于波束赋形导致的毫米波小型基站接入延迟过高的问题。
• 探索来自控制平面的上下文信息如何减少毫米波网络中小区发现所需的时间。
• 评估在毫米波蜂窝系统中，波束扫描时间、上下文准确性与发现性能之间的权衡。
• 通过控制面与用户面之间的功能切分，优化混合毫米波与Sub-6 GHz网络中的小区发现过程。

提出的方法

• 所提出的方法利用来自传统控制平面的用户上报位置数据，预先选择用于小区发现的候选波束方向。
• 在毫米波基站中采用方向性波束赋形，以聚焦传输能量，降低路径损耗与干扰。
• 基于用户位置将波束扫描过程限制在一组子方向上，从而减少需传输的波束数量。
• 将波束发现过程建模为角度分辨率与用户位置误差的函数，采用概率性波束选择方法。
• 定义性能度量为预期发现延迟，其取决于扫描的波束数量与用户上下文的准确性。
• 通过数值仿真评估上下文准确性与波束宽度对发现延迟的影响，采用真实的传播与移动性模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 用户位置上下文如何减少毫米波网络中成功小区发现所需的波束数量？
• RQ2 在毫米波小区发现中，波束扫描时间与用户上报位置准确性之间存在何种权衡？
• RQ3 与全角度扫描相比，上下文感知的波束选择能在多大程度上减少发现延迟？
• RQ4 波束宽度如何影响毫米波系统中基于上下文的小区发现性能？

主要发现

• 使用上下文信息可将平均小区发现延迟相比传统全扫描波束扫查最多降低60%。
• 当用户位置误差小于10度时，系统可实现接近最优的发现性能，最大限度减少不必要的波束传输。
• 发现延迟与扫描波束数量成反比，当使用上下文信息时，该数量显著减少。
• 当上下文准确性超过20度后，性能增益开始减弱，表明存在有效波束选择的阈值。
• 只要位置更新及时，该方法在中等用户移动性下仍能保持高可靠性。