随机存取技术自组织的5 g毫米波蜂窝通信

文摘

随机存取(RA)技术是一个关键的过程在蜂窝网络和自组织网络(儿子),但该技术的整体处理时间在毫米波(mm-wave)蜂窝系统定向光束很长因为RA前言(罪行)应该向四面八方传播Tx和Rx梁。在这篇文章中,两种不同类型的前言(RAP-1和RAP-2)提出了减少处理时间在RA阶段。在分析相关属性、虚警概率和检测概率的提出严厉批评,我们执行模拟表明,RAP-2适用于RA与定向光束mm-wave蜂窝系统中,因为较小的处理时间,在多用户环境中探测概率高。

1。介绍

随着移动宽带通信的容量需求的增加显著,每年无线通信产业正准备支持到为人处事总移动流量增加20201- - - - - -3]。毫米波(mm-wave)通信可能multigigabit-per-second数据速率已经备受关注的候选人技术5 g时代(4,5]。高度定向天线波束形成是必要的基站(BS)和移动台(MS)来弥补高衰减mm-wave频带和扩大传播范围。与小的波长对应mm-wave频率,天线阵列可以很容易地安装在MS。

传输(Tx)和接收之间的偏差(Rx)光束接收功率可能导致重大损失,尤其是对系统与狭窄的光束。梁对齐mm-wave通信系统有必要找到最好的从所有可能的梁对梁对最大的波束成型效率。目前,切换波束形成技术与一组预定义的角度用于Tx-Rx波束形成,因为多个模拟链mm-wave频率是昂贵的,和采样模拟信号GHz率消耗大量的电力(6]。最好的梁是由选择一双梁与最大的阵列增益。60 GHz的Tx-Rx波束形成技术使用授权频谱的带宽2.16 GHz IEEE 802.11中已经标准化的广告提供multigigabit-per-second数据速率(7]。然而,标准主要用于室内通信(无线局域网)和不适当的蜂窝通信。

随机存取(RA)是一个关键的过程在蜂窝网络中,让一个女士发起通信和时间对齐BS。风湿性关节炎也在自组织网络的一个关键过程(儿子)4]。在[8],RA过程mm-wave蜂窝系统,在前言反复发送/接收多个方向的女士/ BS。个人Tx梁女士,直到所有的Tx传输光束传输。Rx光束扫描执行每个Tx BS的光束测量信噪比(信噪比)为每个Tx-Rx一对。然而,RA总持续时间会很长,因为RA序言(RAP)应该足够长的时间发现的BS大范围地区,和多个前言应该传播各个方向的Tx和Rx梁。在[9],RA和波束形成技术,称为自适应空间RA,提出,梁生成取决于MSs的数量和他们的位置。在这个技术,可以显著减少碰撞的概率有效利用空间域在RA阶段。然而,这种技术不能用于mm-wave蜂窝系统切换波束形成,因为一组固定的预定义的角度用于切换波束形成,和前面的碰撞统计需要调整光束在下一帧。

在本文中,我们提出一个新的技术,可以减少处理时间在RA阶段。我们设计一个说唱mm-wave蜂窝系统切换波束形成。与传统的RA序言,六位(64序言ID),该RA中携带的信息束ID(申请;最优下行Tx梁)以及序言ID (PID;64个签名)之一,物理层。前言设计这样的附加信息并不影响可用pid的数量。我们建议两种不同类型的前言(RAP-1和RAP-2)满足等幅zero-autocorrelation (CAZAC)财产RA mm-wave蜂窝系统。分析提出了前言的属性之后,错误报警和检测概率推导时提出前言用于风湿性关节炎。使用模拟,我们表明,该技术可以显著减少处理时间在RA阶段,以及拟议中的mm-wave RAP-2适合RA与定向光束蜂窝系统,因为它提供了在多用户环境中探测概率高。

本文的其余部分组织如下。节2,我们将讨论RA与定向光束mm-wave蜂窝系统的过程。我们建议RA过程使用提出了说唱可以减少处理时间。节3,我们提出两种不同类型的叩击声mm-wave细胞系统和讨论他们的相关性属性。节4我们描述一个检测技术提出了说唱和推导出虚警概率和检测概率用于RA当提出严厉批评。节5,我们评估的性能提出了RA技术进行计算机模拟mm-wave蜂窝系统的使用一个简单的模型验证后的属性提出了说唱。节6,我们的结论。

2。RA mm-Wave蜂窝系统的过程

RA通常是当一个女士打开从睡眠模式执行,执行交接从一个细胞到另一个,或者失去上行时间同步。长期演进(LTE)的RA过程包括五个步骤。在第一步中,下行同步和细胞由接收同步搜索频道和广播频道(10]。收购后下行同步和接收系统信息,包括信息参数特定于RA,女士执行RA序言传播步骤。64年的女士选择一个预定义的前言和传输系统使用时频资源表示的信息。BS成功接收到RA序言时,它发送一个RA响应(RAR)表明一个序言指数上行时间提前(TA)和上行资源分配信息的步骤。女士可以确定其RA的尝试已经被匹配成功的序言指数。在步骤女士,如果序言指数匹配,使用助教信息来调整其上行时间和传输RA消息包括身份的女士提供的资源分配上一步。在步骤女士的废话传送女士的身份,如果女士不能解码女士自己的身份,它会自动退出程序和恢复RA的过程。

与定向光束mm-wave蜂窝通信系统,RA过程需要修改,因为最好的梁对上行传输是未知的初始状态。图1显示了其基于lte网络的初始RA过程mm-wave蜂窝通信系统与定向天线。从今以后,我们把这个过程称为传统的RA的过程。在这里,我们假设通道互惠不持有;也就是最好的梁对下行不一样最好的梁对上行,因为不同的发射机和接收机的射频电路的特点。

第一步开始下行同步。BS传输同步信号,主同步信号(PSS)和辅助同步信号(SSS),为同步(女士11]。然后,BS传输系统信息块(SIB)在一个物理广播信道(PBCH),携带配置参数的物理RA渠道(开环)如序言根索引。相同的信号传输多次在个别梁,直到所有的Tx和Rx光束扫,因为最好的下行波束两人还不知道。同步BS和女士决定最好的下行波束副(Rx梁下行Tx)这一步。在解码SIB传播最好的下行波束对RA的女士会选择一个序言签名。在步骤,选中的序言签名将被反复传播从女士席卷Tx和Rx梁。如果检测到序言签名,BS会发送一个RAR一步。RAR包含必要的信息的上行数据传输,如助教、临时标识符,以及资源分配信息。BS需要重复发送相同的RAR全面下行Tx梁因为废话还不知道最好的下行Tx梁。在这一步中,女士知道最好的下行波束。因此,女士的RAR收到下行Rx梁从最好的一步。RAR解码后,与b女士完成上行同步。在步骤,最好的下行传输信息Tx梁女士ID,获得的一步在一种消息格式,BS执行时间调整。在这一步中,BS决定最好的上行波束副(上行Tx梁和Rx梁)使用收到的消息。注意,最好的下行波束对估计的步骤通常是不一样的最好的上行波束。在步骤,BS发送的信息最好的上行Tx梁ID女士在这一步中,下行消息传播使用最好的下行Tx梁因为BS取得了来自前一步骤(步骤的信息)。在步骤女士,可以发送任何上行消息使用最好的上行Tx梁。一步完成信息交换(BS - MS)的最佳波束选择上行和下行。这个过程可以重复多次,直到成功RA。

然而,整个RA持续时间太长,尤其是对一个移动终端,因为同步参数和最佳梁对定期需要重新选择。在拟议的过程,RA的持续时间减少了传输的修改版本RA序言在LTE系统中使用。拟议的RA序言携带额外的信息最好的下行Tx梁ID在物理层以及序言签名。拟议的RA过程如图2。一步在图2是一样的传统RA过程的第一步。同步BS和女士决定最好的下行波束(下行Tx梁和Rx梁)。女士将为RA解码后选择一个序言签名SIB最好的下行波束对传播。在步骤拟议中的RA序言反复传播,通过全面Tx和Rx梁女士。拟议的序言携带的信息最好的下行Tx梁选定的序言,ID在物理层。然后,BS检测最好的下行Tx梁ID和序言ID从收到RA序言。废话还决定最好的上行波束副(Rx梁上行Tx)收到了序言。在步骤女士,BS发送一个RAR BS不需要重复发送相同的RAR全面下行Tx梁因为BS已收到最好的下行Tx梁ID从步骤。RAR包含信息最好的上行Tx梁ID以及女士上行传输所需的信息,如助教,所有在MAC层。女士的RAR收到下行Rx梁从最好的一步。在步骤女士,可以发送任何上行消息使用最好的上行Tx梁。在这个过程中,所需的步骤RA和梁选择减少使用建议RA序言。在下面几节中,我们描述了序言设计和检测RA与定向光束mm-wave蜂窝通信系统。

3所示。提出了RA序言

在本节中,我们将讨论RA序言适合mm-wave蜂窝系统定向光束。RA序言波形应该有良好的检测概率,同时保持较低的虚警率,低碰撞概率,和低peak-to-average功率比(地表铺面)和允许精确的定时估计。因为拟议中的序言可以被视为一个说唱在LTE系统中使用的修改版本,我们将开始一个简短的摘要在LTE说唱。

LTE系统的开环产生的循环移位prime-length Zadoff-Chu(佐)序列,序列的根源在哪里每个细胞所特有的。生成的64种不同的前言是循环变化的碱基序列长度为839。64年的女士选择一个可用的pid和传输的说唱开环(11]。周期性改变佐序列有一个恒定的信封,确保低地表铺面财产。理想循环自相关序列,这是重要的获得一个精确的时间估计在BS。此外,交叉相关性不同前言基于相同的循环变化佐序列是零只要循环移位大于最大单元中往返传播延迟+最大延迟的传播渠道。因此,不干扰当同时执行多个RA尝试使用前言来自佐序列相同。处理不同的细胞大小、循环移位的价值是广播系统信息的一部分。的循环变化集产生的零相关佐序列被定义为一个零相关区扩频)LTE规范(12]。

在本文中,我们提出了两种类型的叩击声(RAP-1和RAP-2) mm-wave蜂窝通信系统。RAP-1包含两个前言,每一个构造与现有的说唱LTE系统的结构。前言都共享相同的根索引。PID和出价被映射到第一和第二前言的循环变化,分别。最好的下行Tx梁ID获得女士的一步提出了钢筋混凝土的过程将被分配到收购的价值。在这里,根佐序列被定义为 在哪里表示佐序列长度。从th根佐序列,长度的PID和ZCZ投标前言在RAP-1定义如下: 两个前言在哪里 和循环变化定义为 在这里,,,,表示的长度在ZCZ循环移位,循环移位映射到PID,循环移位映射到投标,分别和梁的数量。和表示根指数唯一分配给每个细胞,报价,PID,投标,分别和PID。RAP-1满足CAZAC财产因为序言的结构是一样的LTE的说唱。

RAP-2可以视为两个楚序列不同根指数的乘积。第一根指数用于细胞识别以同样的方式,使用开环根指数。投标是映射到第二根索引。PID是序列的映射到循环移位。RAP-2被定义为 在这里,下标1和2表示RAP-1 RAP-2,分别。RAP-2设计的PID是映射到序列(ID)细胞结合。注意,在RAP-1,与投标相关的PID不是因为它们映射到不同的前言。的自相关函数和频域版本RAP-2给出 在哪里 在这里,和表示的乘法逆元克罗内克符号函数,分别。表示勒让德象征价值的−1,1或0。的频域版本RAP-2 (7)可以获得使用楚序列的DFT财产(13]。的振幅RAP-2由频域的版本所有的值,一个常数值。我们可以看到从(6),RAP-2 zero-autocorrelation属性的峰值振幅如果等于零。从(6)和(7),我们可以看到,RAP-2也满足CAZAC属性。然而,这个属性是只有当根指数,,coprime和序列长度。

为了进一步分析提出了前言,我们检查他们的相关性属性。的相关函数首先在RAP-1由序言 在(9之间的干扰),我们观察到前言当两个前言与pid (和),从海量存储系统(MSs)中位于相同的单元中传播,到达b。的相关函数RAP-1由第二序言 (10)展示了前言之间的干扰,当两个前言与报价(和),从海量存储系统(MSs)中位于相同的单元中传播,到达b。结果表明:前言(RAP-1)位于相同的单元中(同一根指数)是正交的,这意味着不存在干扰当投标或pid位于相同的单元中是不同的。当两个前言与pid (和),从海量存储系统(MSs)中传播不同的细胞(不同根指数),到达b,前言是由之间的干扰 当两个前言与报价(和在不同的细胞),从海量存储系统(MSs)中,到达b,前言是由之间的干扰 在哪里 方程(11)和(12)使用高斯求和表达式派生14]。结果表明:前言(RAP-1),在不同的细胞从传输海量存储系统(MSs)中,不是正交的,并给出相关的振幅。以类似的方式,RAP-2不同pid或投标的相关功能,从海量存储系统(MSs)中位于相同的单元中传输或不同的细胞,给出 结果表明:前言(RAP-2),在不同的细胞从传输海量存储系统(MSs)中,不正交不管他们的出价和PID值,并给出相关的振幅。当两个前言(RAP-2)与不同的报价(和)从传输海量存储系统(MSs)中位于相同的单元中,给出相关的振幅。然而,前言与不同的pid (RAP-2)位于相同的单元中是正交的,这意味着b的探测概率高,前言(RAP-2)与不同的pid传播从海量存储系统(MSs)中位于相同的单元中。

4所示。序言检测

在本节中,我们描述一个说唱mm-wave蜂窝系统的检测技术。讨论了一步RA的过程中,提出的序言将传播反复扫Tx和Rx梁女士。BS包含信息的序言收到最好的下行Tx(从步骤)和PID从b需要女士中选择检测收到的投标和PID前言在多用户和多单元的环境。当敲收到多个相邻细胞海量存储系统(MSs)中,接收信号的BS与服务th Rx梁在频域给出如下: 在这里,,,Tx梁获得吗th束th女士在th细胞,Rx波束增益th BS的梁,和之间的信道频率响应th梁的th的女士细胞和th梁的废话,,在那里。和表示的说唱传播女士在细胞携带最好的TX下行波束,,这是传播梁女士和加性高斯白噪声(AWGN)分别th副载波。此外,和表示楚的根本指标th细胞和细胞的服务分别th女士。和分别表示MSs和邻近细胞的数量。代表提出了说唱的类型。接收到的信号可以分为两个部分:从海量存储系统(MSs)中接收到的信号为细胞和干扰信号从海量存储系统(MSs)中在邻近的细胞。

BS preamble-detection过程由power-delay概要文件(PDP)检测计算和签名。PDP计算接收到的信号与一个特定的光束是由 在哪里代表接收信号之间的相关函数和参考说唱与滞后。在(18为Tx),变量和Rx梁不包括符号简单。签名检测是由搜索PDP山峰上面检测阈值搜索窗口对应单元格大小。检测阈值是由虚警概率。从PDP山峰,PID和助教可以计算 在哪里表示PDP峰值的位置。序言检测可以在频域进行,如图3。首先,接收到的信号是demapped到相应的副载波在频域。接下来,已知的序言(RAP-1或RAP-2)序列在时域转换为频域使用离散傅里叶变换(DFT)的操作。这两个信号相乘后,结果转换为时域的逆DFT (IDFT)。然后,PID和投标使用PDP在时域检测。

序言传输检测如果PDP峰值大于检测阈值。这个过程将反复进行,每一对Tx-Rx梁后评估每一对Tx-Rx梁的PDP用已知的说唱。最后,是发现

preamble-detection概率取决于检测阈值设置。在LTE系统中,检测虚警概率阈值是由目标(15,16]。这里的虚警概率的概率定义为接收器检测到一个序言传输时,接收信号纯粹是噪音。没有序言传输时,接收信号的PDP遵循中心卡方分布与两个自由度(自由度),意味着由noise-floor水平。的虚警概率可以很容易地获得累积分布函数(CDF)通过改变阈值。然后,检测阈值可以通过设置目标虚警概率。LTE系统的虚警概率与多个天线可以通过积累pdp获得来自多个天线。检测概率可以发现使用检测阈值获得的虚警概率。这里的探测概率的概率定义为接收方正确检测的说唱传播女士在收到提议的说唱mm-wave蜂窝系统定向光束,虚警概率的AWGN信道是由(15,16] 在哪里 在这里,noise-floor表示阈值归一化的水平。给出了虚警概率的情况下RAP-1 RAP-2。注意,在RAP-1两个符号组成的情况下,PID的虚警概率和投标总虚警概率相乘得到。从(21),我们可以获得虚警概率的情节通过改变阈值。从情节,我们确定检测虚警概率阈值通过设置目标。使用检测阈值,RAP-1的检测概率和RAP-2可以获得15,16] 在哪里和分别表示非中心参数和检测阈值。代表了Marcum函数。拟议中的mm-wave说唱的性能与波束形成可以评估使用蜂窝系统的虚警概率和检测概率函数。

5。模拟

我们评估提出了说唱的性能进行计算机模拟的使用一个简单的模型mm-wave蜂窝系统定向光束。在应用提出之前说唱mm-wave蜂窝系统,我们验证了提出的说唱部分中描述的属性2。数据4和5分别显示RAP-1的相关性属性和RAP-2。在这里,我们假定序列长度是839,和下的PID和投标MS1测试将44和2,分别。的值PID和一份报价假设不同。场景1是指两个MSs (MS1和一份)位于细胞。在场景2中,假定MS1位于细胞和一份位于邻近的细胞。从图可以看出4(一),场景1中RAP-1的相关价值为零,除了一种情况,一有相同的PID = 44。在这种情况下,相关性的大小是839 (),是由(9)。从图可以看出4 (b),我们可以获得相同的结果,除了情况报价= 2,由(10)。然而,相关RAP-1在场景2的值是28.97 ()的所有值PID和投标,由(11)和(12),分别。从数据我们可以证实这一结果4(一)和4 (b)。从图可以看出5(一个),场景1中RAP-2的相关价值为零,除了案例一份具有相同的PID = 44。在这种情况下,相关性的大小成为839年由(14)。从图可以看出5 (b)的相关价值RAP-2场景1中就变成了839只报价当我们使用相同的值(2)。然而,相关值28.97当我们使用另一个值的投标,由(15)。在场景2的相关价值RAP-2 28.97的所有值PID和报价,由(16)。

数据6(一)和6 (b)分别显示RAP-1虚警概率和RAP-2。我们获得了虚警概率使用的解析解(21)和模拟当海量存储系统(MSs)中不同的数量。PDP收到b是规范化阈值相比,它从10到30不等。序言的阈值检测,满足所需的虚警概率,可以从图中找到6。虚警概率的值被设置为小于0.1%,在LTE系统。也可以看到在图6阈值满足所需的虚警概率是敏感的用户数量的细胞。阈值需要增加到避免说唱的misdetection MSs数量的增加。我们也看到,仿真结果与分析结果吻合较好(21)。从这些结果,我们确定的阈值检测概率如下:22 1 MS, 24日3海量存储系统(MSs)中,和26 5例RAP-1海量存储系统(MSs)中,和26 1 MS, 30 3海量存储系统(MSs)中,和38 5 MSs RAP-2的情况。

数据7(一)和7 (b)分别显示RAP-1的检测概率和RAP-2。阈值选择从先前的结果用于序言检测。的模拟中,我们使用一个三维的空间信道模型(3 d SCM),这是通常用于蜂窝系统的系统仿真,与信噪比的不同从40−−18 dB 2 dB的步长。我们设置了载波频率、副载波间距和FFT大小28 GHz, 270 KHz,和2048年,分别。天线元素的数量是16 b和MS,所有与一个统一的矩形阵列(URA所言)。海量存储系统(MSs)中是随机的位置放置在一个细胞,而最好的Tx-Rx梁方向来自各自的位置。pid被分配(当MSs的数量是5。从图可以看出7,检测概率会降低海量存储系统(MSs)中增加的数量。这是因为增加的干扰如敲在BS收到的数量的增加。

然而,RAP-1图的检测概率7(一)降解与RAP-2相比更重要。对于RAP-1,探测概率不能达到100%,即使在高信噪比区域当MSs的数量大于3。这可能导致系统故障的misdetection PID或报价。这种现象的结果RAP-1的结构是由两个前言。由于PID和分别检测,很难确定PID和报价之间的关系。不可能知道是否检测到PID和报价来自同一来源(MS)在RAP-1。另一方面,RAP-2图的检测概率7 (b)在高信噪比是100%地区当MSs的数量是5。这是因为PID和投标RAP-2是相互关联的。一旦检测到序言,PID投标同时RAP-2的情况。从图7,也可以看到仿真结果与分析结果吻合较好(23)。从这些结果,我们可以看到RAP-2适合说唱在多用户环境下的检测。

表1比较复杂的处理时间和数量乘法时我们使用了传统的和建议RA程序。在这里,我们排除了下行同步步骤(步骤),因为这一步是常见的程序。此外,我们不考虑的步骤不需要梁(步骤和步骤在传统RA的过程和步骤和步骤提出了RA过程),因为处理时间和复杂性是最小的。在传统的RA的过程,所需的处理时间和步骤给出产品的BS梁的数量()和梁女士的数量()。此外,所需的处理时间是由BS梁的数量。提出了RA的过程,所需的处理时间由产品的数量给出BS梁和梁女士的数量。在这里,一个例子显示在括号中和。说唱持续时间被认为是800年μ年代,在LTE系统。我们可以看到在桌子上1处理时间的两倍,RAP-1需要RAP-2相比,因为两个序列用于RAP-1。注意,RAP-2需要一半的处理时间与传统的技术相比。接下来,我们比较了序言检测所需的计算复杂性。为了检测说唱,我们需要复杂的乘法等于对于一个相关器的大小。复杂的乘法的总数序言检测所需的步骤(常规技术和RAP-2)是由因为检测过程需要执行在所有的方向。复杂的乘法RAP-1所需的数量两倍的传统的一个因为RAP-1使用两个前言。

6。结论

在本文中,我们提出了两种不同类型的前言(RAP-1和RAP-2)来减少所需的处理时间与定向光束RA mm-wave蜂窝系统。使用模拟,我们表明,该RA过程的序言(RAP-1或RAP-2)可以减少处理时间,相比之下,传统的RA的过程。然而,对于RAP-1,探测概率显著降低MSs数量的增加,由于PID和分别检测。RAP-2而言,100%的检测概率可以实现高信噪比区域即使MSs的数量是5个,因为RAP-2的PID设计与报价。同时,减少6%和53%处理时间可以获得当RAP-1和RAP-2,分别。因此,RAP-2被证明是更适合RA mm-wave蜂窝系统与定向光束由于较短的处理时间,高检测概率在多用户环境中,合理的计算复杂度(类似传统的一个)。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了MSIP(科技部、ICT和未来规划),韩国,在期(信息技术研究中心)支持程序(IITP - 2016 h8501 - 15 - 1007)监督的IITP(信息与通信技术促进研究所)和基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)由教育部(2015 r1d1a1a01057628)。

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