Cell discovery algorithms for mm-wave access of highly directional devices

Abstract Every time, everywhere, the users are continuously demanding for more data traffic, at higher rates and faster response; with the current technology, the internet capacity will reach a saturation point leading to the need of a next-generation communication, the 5G, able to support all of their expectations in the near future through the use of higher frequencies, better spectral efficiency, higher network densities, faster mobility, more energy-efficient and improved network management, compared to legacy networks. In addition, heterogeneous network architecture will become more and more common, allowing the use of legacy macro cells and high frequency small cells in parallel, where the former ones are used for the Control Plane and the latest ones for the User Plane. 5G high-frequency technology is based on the radio millimetric waves transmission, translated into higher data rate capacity but harsher propagation channel, thus making necessary the exploitation of directional antennas, able to manage beamforming to concentrate more power in a specific direction, on both the base and mobile stations’ transceivers. As consequence, a procedure called cell discovery process should be completed on the directional transceivers to scan over all the antennas’ configuration until base and mobile stations can establish a connection between them. The required time to complete this process contributes over the total latency that the user experiments to get a service and consequently over the QoS. That is why it is important to manage it in an optimum way. Meanwhile in previous works, the directionality and research on how it can be smartly exploited was focused on the mmWave base station side. In this work, we consider directionality at both sides, base station and user equipment, and we propose some context-aware algorithms for the latest one in order to calculate the beam configuration sequence that has to be followed to get the first access considering base station and user equipment’s positions and orientations information with respect to the same reference system. We study the consequences due to the implementation of the smart algorithms under different considered antenna capabilities on both sides, small cell base and mobile stations, on free and obstructed space. Analyzing always in function of the delay due to the first connection and considering also intelligent search sequences on the small cell base station.

Sommario Ogni volta e ovunque, gli utenti sono piú esigenti riguardo alla quantita di traffico di dati chiesta a velocità più elevate e tempi di risposta più rapidi; con la attuale tecnologia, la capacità di internet raggiungerà un punto di saturazione che porta alla necessità di una nuova generazione di comunicazione, 5G, capace di supportare tutte le loro aspettative in un futuro vicino attraverso l'uso di frequenze più elevate, una migliore efficienza spettrale, maggiore densità di rete, mobilità più rapida, più efficiente dal punto di vista energetico e gestione della rete migliorata rispetto alle reti legacy. Inoltre, le architetture eterogenee di rete diventeranno sempre più comuni, consentendo l'uso di macro celle legacy e piccole celle in alta frequenza in parallelo, dove le prime sono quelle utilizzate per il piano di controllo (C-plane) e le celle di alta frequenza per il Piano Utente (U-plane). La tecnologia 5G ad alta frequenza si basa sulla radio trasmissione di onde millimetriche, questo è superiore capacità nella velocità di trasmissione dei dati ma peggiori condizioni di propagazione sul canale, rendendo necessario lo sfruttamento di antenne direzionali, capace di gestire il beamforming a concentrare più potenza in una direzione specifica, sia sul ricetrasmettitore della stazione base che su quello della mobile. Come conseguenza, una procedura denominata processo di rilevamento della cella deve essere completata sui ricetrasmettitori direzionale per eseguire la scansione su tutte le configurazioni delle antenne fino a quando si stabilizza una conessione fra la stazione base e le stazioni mobili. Il tempo necessario per completare questo processo contribuisce per oltre sulla latenza totale che l'utente esperimenta per avere un servizio e quindi sulla QoS. Questo è il motivo per cui è importante poter gestire questo processo in modo ottimo. Finora, in opere precedenti, la direzionalità e la ricerca su come esso può essere sfruttato in modo intelligente è stata focalizzata sulla stazione base. In questo lavoro, consideriamo la direzionalità in corrispondenza di entrambi lati, la stazione base e l’equipaggiamento dell’utente, e proponiamo alcuni algoritmi consapevoli del contesto riguardo alle informazioni di posizioni ed orientamenti rispetto allo stesso sistema di riferimento degli dispositivi al fine di calcolare la sequenza di configurazioni dei fasci che deve essere seguita per ottenere il primo accesso. Lo studio delle conseguenze dovute alla realizzazione degli algoritmi intelligenti sotto diverse capacità dell'antenna considerate sui entrambi lati, stazione base della piccola cella e stazioni mobili, sul libero e anche ostacolato spazio. Analizzando sempre in funzione del ritardo dovuto al primo collegamento e considerando anche delle sequenze intelligenti di ricerca sulla stazione base di piccola cella.