[论文解读] Directional Cell Discovery in Millimeter Wave Cellular Networks

C. Nicolas Barati, S. Amir Hosseini+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2014

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在毫米波蜂窝网络中使用周期性同步信号在时变随机方向或全向传输的定向小区发现方法。在各种信号与接收机模型下推导了基于广义似然比检验（GLRT）的检测器，并通过28 GHz纽约市的真实测量结果表明，即使量化位数较低，数字波束成形也显著优于模拟波束成形；全向传输通常优于随机扫描，因为其提供了稳定的信号功率。

ABSTRACT

The acute disparity between increasing bandwidth demand and available spectrum, has brought millimeter wave (mmW) bands to the forefront of candidate solutions for the next-generation cellular networks. Highly directional transmissions are essential for cellular communication in these frequencies to compensate for high isotropic path loss. This reliance on directional beamforming, however, complicates initial cell search since the mobile and base station must jointly search over a potentially large angular directional space to locate a suitable path to initiate communication. To address this problem, this paper proposes a directional cell discovery procedure where base stations periodically transmit synchronization signals, potentially in time-varying random directions, to scan the angular space. Detectors for these signals are derived based on a Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) under various signal and receiver assumptions. The detectors are then simulated under realistic design parameters and channels based on actual experimental measurements at 28~GHz in New York City. The study reveals two key findings: (i) digital beamforming can significantly outperform analog beamforming even when the digital beamforming uses very low quantization to compensate for the additional power requirements; and (ii) omni-directional transmissions of the synchronization signals from the base station generally outperforms random directional scanning.

研究动机与目标

• 解决毫米波网络中初始小区搜索的挑战，其中高路径损耗和定向波束成形使得基站检测变得复杂。
• 研究基站是否应全向或在随机变化的波束方向上传输同步信号。
• 在实际毫米波信道条件下，评估移动用户设备上模拟波束成形与数字波束成形之间的性能权衡。
• 基于广义似然比检验（GLRT）为实际信号与接收机假设下的定向小区搜索提供检测框架。

提出的方法

• 提出一种定向小区发现流程，其中基站以周期性方式在随机变化的波束方向或全向模式下传输同步信号。
• 推导了在不同假设下的基于GLRT的检测器，包括已知与未知信号功率，以及各种接收机架构。
• 将移动接收机建模为仅一次使用一个波束的模拟波束成形，或可完全访问所有阵元的数字波束成形。
• 采用真实系统参数：28 GHz载波频率，10 MHz信号带宽，5 ms帧持续时间，每帧3个PSS信号。
• 使用标准加性高斯白噪声（AWGN）模型描述量化噪声，并利用标量均匀量化器模型推导低比特量化导致的有效信噪比（SNR）退化。
• 使用纽约市的实际毫米波信道测量数据模拟检测性能，基站与用户设备阵列为8×8和4×4，阵元间距为λ/2。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫米波小区发现中，全向传输同步信号是否优于随机定向扫描？
• RQ2 在实际量化约束下，数字波束成形与模拟波束成形在检测性能上相比如何？
• RQ3 低分辨率ADC对毫米波波束成形系统中检测性能有何影响？
• RQ4 频率偏移与定时不确定性如何影响毫米波网络中小区搜索的可靠性？
• RQ5 在实际毫米波传播条件与硬件约束下，基于GLRT的检测能否实现可靠的小区发现？

主要发现

• 即使仅使用3比特量化，数字波束成形也显著优于模拟波束成形，原因在于其更优的空间分集增益与相干合并增益。
• 全向传输同步信号通常优于随机定向扫描，因为其在接收端提供稳定的信号功率，避免深衰落。
• 初始接入所需的虚警率极低，约为1.45 × 10⁻⁸，因此必须在延迟、多普勒与波束角度空间中进行仔细的假设检验。
• 在3比特量化下，有效SNR相比理想采样降低了约14.5 dB，但数字波束成形仍可实现可靠检测。
• 通过使用10⁴个延迟假设、3个PSS信号和23个频率偏移假设，系统可在目标虚警率1.45 × 10⁻⁸下实现可靠检测。
• 在基站与用户设备上分别使用4×4与8×8均匀平面阵列，可提供足够的波束成形增益，以补偿28 GHz城市环境中自由空间路径损耗。