[论文解读] Design and Analysis of Initial Access in Millimeter Wave Cellular Networks

Yingzhe Li, Jeffrey G. Andrews+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 37被引用 7

一句话总结

本文提出了一种毫米波（mmWave）蜂窝网络中初始接入的系统级分析框架，评估了在小区搜索和随机接入过程中结合方向波束成形与全向传输的四种协议。推导了成功概率、延迟和用户感知吞吐量的闭式表达式，结果表明快速小区搜索协议在初始接入延迟与吞吐量之间实现了最佳权衡，且在存在遮挡的情况下，最优波束宽度约为 π/12 弧度，可实现最小延迟。

ABSTRACT

Initial access is the process which allows a mobile user to first connect to a cellular network. It consists of two main steps: cell search (CS) on the downlink and random access (RA) on the uplink. Millimeter wave (mmWave) cellular systems typically must rely on directional beamforming (BF) in order to create a viable connection. The beamforming direction must therefore be learned-as well as used-in the initial access process for mmWave cellular networks. This paper considers four simple but representative initial access protocols that use various combinations of directional beamforming and omnidirectional transmission and reception at the mobile and the BS, during the CS and RA phases. We provide a system-level analysis of the success probability for CS and RA for each one, as well as of the initial access delay and user-perceived downlink throughput (UPT). For a baseline exhaustive search protocol, we find the optimal BS beamwidth and observe that in terms of initial access delay it is decreasing as blockage becomes more severe, but is relatively constant (about $π/12$) for UPT. Of the considered protocols, the best trade-off between initial access delay and UPT is achieved under a fast cell search protocol.

研究动机与目标

• 为解决毫米波蜂窝网络中初始接入的挑战，其中高方向性和遮挡导致需要波束成形搜索并频繁重新连接。
• 开发一种系统级分析模型，以捕捉波束成形、遮挡和干扰对初始接入性能的影响。
• 评估并比较四种初始接入协议——全向搜索、快速小区搜索及两种混合协议——在关键指标上的表现：成功概率、延迟和用户感知的下行链路吞吐量。
• 识别在不同遮挡条件下，能够平衡低延迟与高吞吐量的最优波束宽度和协议设计。

提出的方法

• 使用随机几何方法将基站（BS）和用户的空域分布建模为泊松点过程（PPPs），以实现可处理的系统级分析。
• 引入一种混合波束成形模型，包含主瓣和旁瓣增益，其中波束方向性同时影响信号强度和干扰水平。
• 利用 PPP 的概率生成泛函（PGFL）推导小区搜索（CS）和随机接入（RA）的成功概率，综合考虑波束宽度、扇区化和遮挡效应。
• 将事件 A（成功连接）下的下行链路 SINR 建模为服务基站功率、路径损耗以及来自主瓣和旁瓣中已检测/未检测基站的干扰的函数。
• 采用分层波束成形结构，包括粗波束扫描（K_cs 个扇区）和精细波束选择（每个扇区 N 个波束），以实现对干扰和检测概率的分析可解性。
• 通过组合 CS 和 RA 的成功概率与 SINR 覆盖概率，利用组合变换处理可变检测集合，推导出关键性能指标的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同遮挡条件下，全向初始接入协议的最优波束宽度是多少，以最小化初始接入延迟？
• RQ2 在 mmWave 网络中，不同初始接入协议在初始接入延迟与用户感知下行链路吞吐量之间的权衡关系如何变化？
• RQ3 波束成形方向性和扇区化对 mmWave 系统中小区搜索和随机接入成功概率有何影响？
• RQ4 来自主瓣和旁瓣中已检测和未检测基站的干扰如何影响下行链路 SINR 和系统性能？
• RQ5 快速小区搜索协议是否能在延迟-吞吐量权衡上优于全向搜索？在何种条件下可以实现？

主要发现

• 全向搜索协议的最优波束宽度约为 π/12 弧度，可使初始接入延迟最小化。
• 随着遮挡严重程度增加，初始接入延迟降低，因为波束搜索空间减小；但用户感知的下行链路吞吐量在 π/12 弧度左右保持相对稳定。
• 快速小区搜索协议在所有评估协议中实现了初始接入延迟与用户感知下行链路吞吐量之间的最佳权衡。
• 小区搜索的成功概率取决于检测到的波束数量（s），s 越大，检测概率越高，但干扰也越大。
• 推导出的 SINR 覆盖表达式综合考虑了主瓣和旁瓣中已检测和未检测基站的干扰，实现了对性能的精确预测。
• 所提出的分析框架无需依赖仿真即可实现关键指标的闭式评估，为协议优化提供了一种可扩展的工具。