eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #1/2022
Г.Фокин
МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ В СЕТЯХ 5G NR. ЧАСТЬ 1. ВЫРАВНИВАНИЕ ЛУЧЕЙ ПРИ УСТАНОВЛЕНИИ СОЕДИНЕНИЯ
МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ В СЕТЯХ 5G NR. ЧАСТЬ 1. ВЫРАВНИВАНИЕ ЛУЧЕЙ ПРИ УСТАНОВЛЕНИИ СОЕДИНЕНИЯ
Просмотры: 1480
DOI: 10.22184/2070-8963.2022.101.1.42.49
Прорывным направлением исследований и разработок для сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений стали новые возможности адаптивного диаграммообразования не только у стационарных базовых станций (gNB), но также и у портативных пользовательских устройств (UE), обусловленные расширением радиоинтерфейса 5G NR на диапазон миллиметровых волн (ММВ). Соединение gNB и UE узконаправленными лучами компенсирует высокие потери при распространении радиоволн в диапазоне ММВ за счет значительно более высоких коэффициентов усиления приемопередатчиков с адаптивно формируемыми диаграммами направленности антенн. Для практической реализации данного преимущества необходимо решение известной проблемы предварительного выравнивания лучей. В первой части исследования, посвященного моделям управления лучом в сетях 5G NR, приводятся результаты имитационного моделирования начального установления направленного соединения UE с gNB, позволяющие выполнить количественную оценку точности и оперативности выравнивания лучей в первом приближении.
Прорывным направлением исследований и разработок для сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений стали новые возможности адаптивного диаграммообразования не только у стационарных базовых станций (gNB), но также и у портативных пользовательских устройств (UE), обусловленные расширением радиоинтерфейса 5G NR на диапазон миллиметровых волн (ММВ). Соединение gNB и UE узконаправленными лучами компенсирует высокие потери при распространении радиоволн в диапазоне ММВ за счет значительно более высоких коэффициентов усиления приемопередатчиков с адаптивно формируемыми диаграммами направленности антенн. Для практической реализации данного преимущества необходимо решение известной проблемы предварительного выравнивания лучей. В первой части исследования, посвященного моделям управления лучом в сетях 5G NR, приводятся результаты имитационного моделирования начального установления направленного соединения UE с gNB, позволяющие выполнить количественную оценку точности и оперативности выравнивания лучей в первом приближении.
Теги: 5g nr beam alignment beam control gnb base station базовая станция gnb выравнивание лучей диаграммообразование управление лучом
МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ЛУЧОМ в сетях 5G NR
Часть 1. Выравнивание лучей при установлении соединения
Г.Фокин, д.т.н., доцент СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича /grihafokin@gmail.com
УДК 621.396.677, DOI: 10.22184/2070-8963.2022.101.1.42.49
Прорывным направлением исследований и разработок для сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений стали новые возможности адаптивного диаграммообразования не только у стационарных базовых станций (gNB), но также и у портативных пользовательских устройств (UE), обусловленные расширением радиоинтерфейса 5G NR на диапазон миллиметровых волн (ММВ). Соединение gNB и UE узконаправленными лучами компенсирует высокие потери при распространении радиоволн в диапазоне ММВ за счет значительно более высоких коэффициентов усиления приемопередатчиков с адаптивно формируемыми диаграммами направленности антенн.
Для практической реализации данного преимущества необходимо решение известной проблемы предварительного выравнивания лучей. В первой части исследования, посвященного моделям управления лучом в сетях 5G NR, приводятся результаты имитационного моделирования начального установления направленного соединения UE с gNB, позволяющие выполнить количественную оценку точности и оперативности выравнивания лучей в первом приближении.
Введение
Новый радиоинтерфейс 5G NR (New Radio) включает в себя возможности для базовых станций − gNB (gNodeB), и пользовательских устройств − UE (User Equipment), вести передачу и прием сигналов с использованием узконаправленных лучей. Для установления и ведения направленных сеансов радиосвязи устройствам необходимо решить проблему предварительного выравнивания лучей при работе на передачу и прием [1–6]. Решением данной проблемы занимаются процедуры физического и канального уровня стандарта 5G NR, определенные в рекомендациях и спецификациях Партнерского проекта 3GPP TR 38.802 [7], TR 38.912 [8], TS 38.211 [9], TS 38.211 [10], TS 38.214 [11], TS 38.215 [12].
С точки зрения радиотехнологий связи передача и прием с использованием узконаправленных лучей являются прорывными направлениями исследований и разработок для сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений, так как за счет адаптивного диаграммообразования (ДО) [13] позволяют существенно снизить уровень внутрисистемных помех [14] и повысить пространственное уплотнение одновременных передач при уменьшении разноса соседних устройств [15], в том числе, с использованием предварительного позиционирования приемопередатчиков при формировании максимумов диаграммы направленности антенны (ДНА) в направлении передачи и приема полезного сигнала SOI (Signal of Interest) и минимума ДНА в направлении внутрисистемных помех SNOI (Signal of No Interest) для других устройств [16, 17].
Практическая реализация моделей и методов диаграммообразования не только в базовых станциях gNB, но и в портативных пользовательских устройствах UE, в том числе процедуры угломерного позиционирования в каналах "вниз" от gNB к UE и "вверх" от UE к gNB [18], стала возможной благодаря переходу в диапазон миллиметровых волн, в котором антенные решетки (АР) из десятков и сотен элементов удалось миниатюризировать [19]. Например, для эквидистантной прямоугольной антенной решетки URA (Uniform Rectangular Array) из M × M элементов, разнесенных на половину длины волны λ/2, ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности HPBW (Half-Power Beamwidth) в первом приближении определяется выражением HPBW ≈ (102/M)°, где M – число элементов в одном линейном измерении АР [20]. Таким образом, для формирования узкого луча в пространстве по азимуту ϕ и углу места θ с использованием прямоугольной АР в первом приближении получаются следующие первоначальные оценки HPBW [21]:
Имитационное моделирование (ИМ) процедур выравнивания лучей реализовано в последних релизах специального программного обеспечения (СПО) MATLAB [22] вместе с пакетами расширения 5G Toolbox [23] и Phased Array System Toolbox [24]: процедура сканирования лучей при начальном установлении соединения проиллюстрирована в примере NR SSB Beam Sweeping [25], а процедура уточнения ориентации лучей при ведении связи в канале "вниз" − в примере NR Downlink Transmit-End Beam Refinement Using CSI-RS [26].
Настоящая статья посвящена имитационному моделированию процедуры выравнивания лучей устройств стандарта NR при начальном установлении соединения пользовательского устройства UE с базовой станцией gNB с целью количественной оценки в первом приближении путей повышения точности и оперативности установления и ведения сеансов направленной радиосвязи в сверхплотных сетях 5G с диаграммообразованием.
Материал исследования представлен далее следующим образом. Сначала рассматриваются термины и определения спецификаций 3GPP, касающиеся механизмов управления лучом в сетях радиодоступа 5G NR, в том числе приводится описание процедуры сканирования лучом при начальном установлении соединения. Затем приводится формализованное описание последовательности имитационного моделирования процедуры выравнивания лучей при начальном подключении пользовательского устройства к базовой станции, включая результаты имитационного моделирования с использованием примера NR SSB Beam Sweeping. В заключении делаются выводы о путях повышения точности и оперативности выравнивания лучей в сверхплотных сетях радиодоступа 5G с диаграммообразованием.
Процедуры управления лучом в сетях 5G NR
В разделе 6.1.6 рекомендации 3GPP TR 38.802 [7] формализованы следующие определения и процедуры для описания механизмов управления лучом в сетях 5G NR.
Управление лучом (Beam management)
Это набор процедур уровней L1/L2 для установления и поддержания лучей приемопередающих модулей TRP (Transmission Reception Points) базовых станций gNB и/или пользовательских устройств UE для организации направленных приемов/передач в каналах "вверх" UL (UpLink) и "вниз" DL (DownLink), включающий следующие механизмы.
Определение луча (Beam determination)
TRP или UE выбирают свой луч при работе на прием или передачу.
Измерение в луче (Beam measurement)
TRP или UE измеряют характеристики принятых в луче сигналов.
Отчет по лучу (Beam reporting)
UE сообщает информацию об измеренных в луче сигналах.
Сканирование лучом (Beam sweeping)
Это операция перекрытия некоторого пространства лучами при их работе на прием или передачу определенным образом в течение заданного временного интервала.
На TRP и UE определено следующее соответствие переданного/принятого луча.
Соответствие переданного/принятого луча на TRP определено в случае, когда:
а) TRP способен определить луч при работе TRP на прием в канале "вверх" на основании измерений UE в канале "вниз" по одному или нескольким лучам, переданным TRP;
б) TRP способен определить луч при работе TRP на передачу в канале "вниз" на основании измерений TRP в канале "вверх" по одному или нескольким лучам, принятым TRP.
Соответствие переданного/принятого луча на UE определено в случае, когда:
а) UE способен определить луч при работе UE на передачу в канале "вверх" на основании измерений UE в канале "вниз" по одному или нескольким лучам, принятым UE;
б) UE способен определить луч при работе UE на прием в канале "вниз" по индикации TRP на основании измерений в канале "вверх" по одному или нескольким лучам, переданным UE.
На физическом и канальном уровнях (L1/L2) в DL определены следующие процедуры управления лучом.
Процедура P-1
Она реализует измерения UE по лучам, переданным TRP TRP в канале "вниз". В результате измерений выбирается пара лучей: луч на передачу Tx TRP и луч на прием UE Rx.
При диаграммообразовании на TRP сканирование лучом при работе на передачу осуществляется со стороны TRP по набору предварительно заданных направлений.
При диаграммообразовании на UE сканирование лучом при работе на прием осуществляется со стороны UE также по набору предварительно заданных направлений.
Процедура P-2
Реализует измерения UE по лучам, переданным TRP. В результате изменяется или уточняется пара лучей: луч на передачу Tx TRP и луч на прием UE Rx.
Отличие процедуры P-2 от P-1 заключается в уточнении пары лучей из возможно более узкого набора предварительно заданных направлений. Процедура P2 может быть частным случаем процедуры P-1.
Процедура P-3
Реализует измерения UE по лучу на передачу Tx TRP с целью выбора луча на прием UE Rx при работе UE в режиме диаграммообразования.
В настоящей работе исследуется процедура P-1 выравнивания лучей путем их сканирования при начальном установлении соединения пользовательского устройства UE с базовой станцией gNB.
Сканирование лучом при начальном установлении соединения
Перед выравниванием лучей в паре gNB−UE при начальном установлении соединения пользовательского устройства с базовой станцией первое находится в режиме ожидания. Для соединения базовая станция осуществляет передачу блоков сигналов синхронизации SSB (Synchronization Signal Blocks) пользовательскому устройству пакетами в канале "вниз".
Установление направленного сеанса радиосвязи в паре gNB−UE осуществляется при этом с использованием сканирования лучом в соответствии с процедурой P-1 как со стороны TRP при работе на передачу, так и со стороны UE при работе на прием.
После начального установления направленного соединения с использованием пакетов SSB данная пара лучей может затем использоваться для передачи и приема данных. При необходимости, например при движении пользовательского устройства, пара лучей в процессе ведения связи может быть уточнена с использованием опорных сигналов с информацией о состоянии канала CSI-RS (Channel-State Information Reference Signal) в канале "вниз" (DL) и опорных сигналов зондирования SRS (Sounding Reference Signal) в канале "вверх" (UL) [26].
В имитационной модели (ИМ) выполняется следующая последовательность процедур при работе gNB на передачу:
Сканирование лучом пользовательским устройством при работе UE на прием осуществляется последовательно таким образом, что переданный gNB пакет сигналов синхронизации принимается UE столько раз, сколько в наборе пользовательского устройства насчитывается предварительно заданных направлений азимута и угла места при работе на прием в режиме диаграммообразования. Допустим, в наборе предварительно заданных направлений при работе на передачу gNB насчитывается N лучей, а в наборе предварительно заданных направлений при работе на прием UE − M лучей. Тогда для реализации процедуры P-1 при установлении двунаправленного соединения с последовательным сканированием лучом в каждом из N лучей базовой станции необходимо осуществить передачу M раз так, чтобы пользовательское устройство, работая на прием в режиме диаграммообразования по набору из M лучей, смогло осуществить измерение RSRP в каждом из N переданных лучей.
Рассмотрим представленный на рис.1 пример сканирования лучом для случая на плоскости, когда набор предварительно заданных направлений определяется исключительно по азимуту ϕ. В данном примере предполагается, что число блоков SSB в пакете сигналов синхронизации gNB равно четырем и определяет число лучей в наборе при работе gNB на передачу N = 4, а также число лучей в наборе при работе UE на прием M = 4.
Базовая станция осуществляет полный цикл сканирования при работе на передачу по набору предварительно заданных направлений в течение длительности одного пакета сигналов синхронизации Tпакета-SSB, при этом передача в отдельном направлении производится в течение длительности одного блока сигналов синхронизации Tблока-SSB.
Пользовательское устройство осуществляет полный цикл сканирования при работе на прием по набору предварительно заданных направлений в течение длительности четырех пакетов сигналов синхронизации Tпакета-SSB, при этом прием в отдельном направлении производится в течение длительности одного пакета сигналов синхронизации Tпакета-SSB. Полный перебор всех возможных пар лучей при работе на передачу и прием занимает время N × M = 16 блоков сигналов синхронизации Tблока-SSB. В примере на рис.1 в предположении условий прямой видимости между gNB и UE наибольшее RSRP можно ожидать в паре лучей T3-R2.
Далее рассмотрим особенности имитационного моделирования выравнивания лучей при начальном подключении пользовательского устройства UE к базовой станции gNB.
Имитационная модель процедуры выравнивания лучей при начальном установлении соединения
На рис.2 иллюстрируется последовательность имитационного моделирования процедур передачи, приема и обработки блоков сигналов синхронизации SSB при выравнивании лучей в паре gNB-UE на этапе начального установления соединения.
В табл.1 содержатся параметры имитационной модели для процедуры выравнивания лучей при начальном установлении соединения.
Первые три параметра определяются используемым диапазоном частот FR (Frequency Range). Шаблон блоков сигналов синхронизации SSB Case A/B/C используется в диапазоне FR1 (до 6 ГГц), а шаблон SSB Case D/E − в диапазоне ММВ FR2 (от 24 ГГц). Шаблон также влияет на разнос поднесущих. Блоки SSB передаются в шаблоне пакета сигналов синхронизации как бинарный вектор длиной 4 или 8 в диапазоне FR1 и длиной 64 в диапазоне FR2. При этом число переданных блоков SSB в пакете устанавливает число дискретных направлений лучей на передаче и приеме из предварительно заданного набора.
На рис.3 показана частотно-временная сетка N = M = 8 блоков SSB в пакете сигналов синхронизации для диапазона FR1 с шаблоном Case B.
На рис.4 представлен сценарий выравнивания лучей gNB-UE на плоскости при N = M = 8 и АР размерности 8 × 8 у gNB и UE.
В ИМ у gNB и UE предполагается использование эквидистантной прямоугольной антенной решетки URA. При размерности АР 8 × 8 ширина ДНА по уровню половинной мощности в горизонтальной и вертикальной плоскостях получается: ϕ3дБ ≈ 12,8° и θ3дБ ≈ 12,8° соответственно. Для N = 8 SSB число предварительно заданных дискретных направлений с равномерным распределением по азимуту для случая на плоскости равно 8 и в диапазоне сканирования лучом на передаче для gNB определяется выражением
ϕsweep_tx = [–45°, –30°, –15°, 0°, 15°, 30°, 45°, 60°]. (1)
Для M = 8 SSB число предварительно заданных дискретных направлений с равномерным распределением по азимуту для случая на плоскости также равно 8 и в диапазоне сканирования лучом на приеме для UE определяется, как
ϕsweep_tx = [–135°, –90°, –45°, 0°, 45°, 90°, 135°, 180°]. (2)
Пример матрицы измерений RSRP в дБм размерности M × N представлен ниже:
. (3)
Максимальное значение RSRPmax = 45,1559 дБм соответствует лучу на передаче с индексом n = 8 (индекс столбца) и лучу на приеме с индексом m = 8 (индекс строки).
Из выражения (1) для n = 8 получаем направление луча на передаче ϕsweep_tx_max = 60°. Из выражения (2) для m = 8 получаем направление луча на приеме ϕsweep_rx_max = 180°. В данном примере при Tпакета-SSB = 20 мс процедура выравнивания займет 8 · Tпакета-SSB = 160 мс.
Качественный анализ рассмотренного сценария выравнивания лучей в частотном диапазоне FR1 показывает, что, несмотря на достаточно узкую ширину ДНА по уровню половинной мощности ϕ3дБ ≈ 12,8° у базовой станции и пользовательского устройства, точность взаимной ориентации ДНА gNB−UE остается ограниченной числом предварительно заданных направлений из набора лучей, которое определяется числом блоков SSB в пакете сигналов синхронизации.
Рассмотрим сценарий выравнивания лучей gNB−UE в диапазоне ММВ (FR2) на несущей частоте f = 28 ГГц. Рис.5 иллюстрирует частотно-временную сетку, где N = M = 64 блока SSB в пакете сигналов синхронизации для диапазона FR2 с шаблоном Case D.
На рис.6 продемонстрирован сценарий выравнивания лучей gNB−UE на плоскости при N = M = 64 и АР размерности 8 × 8 у gNB и UE.
Для набора из N = 64 блоков сигналов синхронизации SSB результирующие шестьдесят четыре дискретных направления на передачу с шагом при равномерном распределении по азимуту в диапазоне сканирования лучом gNB равны:
ϕsweep_tx = [–58,125°, –56,250°,…,60°]. (4)
Для набора из M = 64 блоков сигналов синхронизации SSB результирующие шестьдесят четыре дискретных направления на прием с шагом при равномерном распределении по азимуту в диапазоне сканирования лучом UE равны:
ϕsweep_rx = [–174,375°, –168,750°,…,180°]. (5)
Максимальное значение RSRPmax = 80,9597 дБм соответствует лучу на передаче с индексом n = 63 (индекс столбца) и лучу на приеме с индексом m = 6 (индекс строки).
Из выражения (4) для n = 63 получаем направление луча на передаче ϕsweep_tx_max = 58,125°. Из (5) для m = 6 получаем направление луча на приеме ϕsweep_rx_max =-146,25°. В данном примере при Tпакета-SSB = 20 мс процедура выравнивания займет 64 · Tпакета-SSB = 1280 мс.
Заключение
Проведенное имитационное моделирование процедуры выравнивание лучей при установлении соединения в сетях 5G NR позволяет сделать следующие количественные оценки в первом приближении.
С одной стороны, для более точного выравнивания лучей следует увеличивать размерность числа элементов антенной решетки базовой станции и пользовательского устройства с целью сужения ширины диаграммы направленности по уровню половинной мощности, например до HPBW ≈ 6,375° у АР 16 × 16. Также рекомендуется увеличивать число блоков сигналов синхронизации SSB, определяющих число дискретных направлений последовательного сканирования лучом при работе на передачу и прием, например до 64, как в диапазоне FR2.
С другой стороны, при фиксированном периоде повторения пакета сигналов синхронизации, который определяет полный цикл перебора дискретных направлений последовательного сканирования лучом при работе на передачу, увеличение числа этих периодов для последовательного сканирования лучом при работе на прием может привести к неприемлемо высоким задержкам для реализации процедуры выравнивания лучей.
Например, при длительности одного пакета SSB 20 мс и перебора в наборе из 64 направлений выравнивание лучей займет более одной секунды, что окажется непригодным для высокоподвижных пользовательских устройств.
Таким образом, можно сделать вывод о необходимости поиска компромисса между точностью и оперативностью выравнивания лучей для подвижных устройств.
Благодарность
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-29-00528). https://rscf.ru/project/22-29-00528/
ЛИТЕРАТУРА
Li Y.R., Gao B., Zhang X., Huang K. Beam Management in Millimeter−Wave Communications for 5G and Beyond // IEEE Access. 2020. Vol. 8. PP. 13282–13293.
Giordani M.A., Polese M., Roy A., Castor D., Zorzi M. Tutorial on Beam Management for 3GPP NR at mmWave Frequencies // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019. Vol. 21. No. 1. PP. 173–196.
Onggosanusi E. et al. Modular and High-Resolution Channel State Information and Beam Management for 5G New Radio // IEEE Communications Magazine. 2018. Vol. 56. No. 3. PP. 48–55.
Giordani M., Polese M., Roy A., Castor D., Zorzi M. Standalone and Non-Standalone Beam Management for 3GPP NR at mmWaves // IEEE Communications Magazine. 2019. Vol. 57. No. 4. PP. 123–129.
Bang J., Chung H., Hong J., Seo H., Choi J., Kim S. Millimeter-Wave Communications: Recent Developments and Challenges of Hardware and Beam Management Algorithms // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. No. 8. PP. 86–92.
Chiaraviglio L., Rossetti S., Saida S., Bartoletti S., Blefari-Melazzi N. "Pencil Beamforming Increases Human Exposure to ElectroMagnetic Fields": True or False? // arXiv:2010.16288v2 [cs.NI].
3GPP TR 38.802. Study on New Radio access technology physical layer aspects. Rel. 14. Version 14.2.0. Sep. 2017.
3GPP TR 38.912. Study on New Radio (NR) access technology. Rel. 16. Version 16.0.0. Jul. 2020.
3GPP TS 38.211. NR; Physical channels and modulation. Rel 16. Version 16.7.0. Sep. 2021.
3GPP TS 38.213. NR; Physical layer procedures for control. Rel 16. Version 16.7.0. Sep. 2021.
3GPP TS 38.214. NR; Physical layer procedures for data. Rel 16. Version 16.7.0. Sep. 2021.
3GPP TS 38.215. NR; Physical layer measurements. Rel 16. Version 16.4.0. Dec. 2020.
Фокин Г.А. Моделирование сверхплотных сетей радиодоступа 5G с диаграммообразованием // T-Comm − Телекоммуникации и Транспорт. 2021. Т. 15. № 5. С. 4–21.
Фокин Г. Модели диаграммообразования в сверхплотных сетях радиодоступа 5G. Ч. 1. Оценка помех // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 3(95). С. 66–73.
Фокин Г. Модели диаграммообразования в сверхплотных сетях радиодоступа 5G. Ч. 2. Оценка разноса устройств // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 4(96). С. 66–73.
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия – Телеком, 2021. 456 с.
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования. СПб: СПбГУТ, 2020. 558 с.
Фокин Г.А. Процедуры позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2021. № 11. С. 2–8.
Gross F. Smart Antennas for Wireless Communications: With MATLAB. McGraw-Hill Professional. 2005. 288 p.
Balanis C.A. Antenna theory: analysis and design. John Wiley & Sons. 2016. 1104 p.
Mailloux R.J. Phased Array Antenna Handbook. 3rd Ed. Artech House. 2017. 691 p.
Understanding 5G Beam Management. MathWorks, Inc. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/campaigns/offers/next/understanding-5g-beam-management.html (дата обращения: 22.01.2022).
5G Toolbox. MathWorks, Inc. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/products/5g.html (дата обращения: 22.01.2022).
Phased Array System Toolbox. MathWorks, Inc. [Электронный ресурс]. URL:https://www.mathworks.com/products/phased-array.html (дата обращения: 22.01.2022).
NR SSB Beam Sweeping. MathWorks, Inc. Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/5g/ug/nr-ssb-beam-sweeping.html (дата обращения: 22.01.2022).
NR Downlink Transmit-End Beam Refinement Using CSI-RS. MathWorks, Inc. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/5g/ug/nr-downlink-transmit-end-beam-refinement-using-csi-rs.html (дата обращения: 22.01.2022).
Часть 1. Выравнивание лучей при установлении соединения
Г.Фокин, д.т.н., доцент СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича /grihafokin@gmail.com
УДК 621.396.677, DOI: 10.22184/2070-8963.2022.101.1.42.49
Прорывным направлением исследований и разработок для сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений стали новые возможности адаптивного диаграммообразования не только у стационарных базовых станций (gNB), но также и у портативных пользовательских устройств (UE), обусловленные расширением радиоинтерфейса 5G NR на диапазон миллиметровых волн (ММВ). Соединение gNB и UE узконаправленными лучами компенсирует высокие потери при распространении радиоволн в диапазоне ММВ за счет значительно более высоких коэффициентов усиления приемопередатчиков с адаптивно формируемыми диаграммами направленности антенн.
Для практической реализации данного преимущества необходимо решение известной проблемы предварительного выравнивания лучей. В первой части исследования, посвященного моделям управления лучом в сетях 5G NR, приводятся результаты имитационного моделирования начального установления направленного соединения UE с gNB, позволяющие выполнить количественную оценку точности и оперативности выравнивания лучей в первом приближении.
Введение
Новый радиоинтерфейс 5G NR (New Radio) включает в себя возможности для базовых станций − gNB (gNodeB), и пользовательских устройств − UE (User Equipment), вести передачу и прием сигналов с использованием узконаправленных лучей. Для установления и ведения направленных сеансов радиосвязи устройствам необходимо решить проблему предварительного выравнивания лучей при работе на передачу и прием [1–6]. Решением данной проблемы занимаются процедуры физического и канального уровня стандарта 5G NR, определенные в рекомендациях и спецификациях Партнерского проекта 3GPP TR 38.802 [7], TR 38.912 [8], TS 38.211 [9], TS 38.211 [10], TS 38.214 [11], TS 38.215 [12].
С точки зрения радиотехнологий связи передача и прием с использованием узконаправленных лучей являются прорывными направлениями исследований и разработок для сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений, так как за счет адаптивного диаграммообразования (ДО) [13] позволяют существенно снизить уровень внутрисистемных помех [14] и повысить пространственное уплотнение одновременных передач при уменьшении разноса соседних устройств [15], в том числе, с использованием предварительного позиционирования приемопередатчиков при формировании максимумов диаграммы направленности антенны (ДНА) в направлении передачи и приема полезного сигнала SOI (Signal of Interest) и минимума ДНА в направлении внутрисистемных помех SNOI (Signal of No Interest) для других устройств [16, 17].
Практическая реализация моделей и методов диаграммообразования не только в базовых станциях gNB, но и в портативных пользовательских устройствах UE, в том числе процедуры угломерного позиционирования в каналах "вниз" от gNB к UE и "вверх" от UE к gNB [18], стала возможной благодаря переходу в диапазон миллиметровых волн, в котором антенные решетки (АР) из десятков и сотен элементов удалось миниатюризировать [19]. Например, для эквидистантной прямоугольной антенной решетки URA (Uniform Rectangular Array) из M × M элементов, разнесенных на половину длины волны λ/2, ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности HPBW (Half-Power Beamwidth) в первом приближении определяется выражением HPBW ≈ (102/M)°, где M – число элементов в одном линейном измерении АР [20]. Таким образом, для формирования узкого луча в пространстве по азимуту ϕ и углу места θ с использованием прямоугольной АР в первом приближении получаются следующие первоначальные оценки HPBW [21]:
- для АР 4 × 4 HPBW ≈ 2 5,5°;
- для АР 8 × 8 HPBW ≈ 12,75°;
- для АР 16 × 16 HPBW ≈ 6,375°.
Имитационное моделирование (ИМ) процедур выравнивания лучей реализовано в последних релизах специального программного обеспечения (СПО) MATLAB [22] вместе с пакетами расширения 5G Toolbox [23] и Phased Array System Toolbox [24]: процедура сканирования лучей при начальном установлении соединения проиллюстрирована в примере NR SSB Beam Sweeping [25], а процедура уточнения ориентации лучей при ведении связи в канале "вниз" − в примере NR Downlink Transmit-End Beam Refinement Using CSI-RS [26].
Настоящая статья посвящена имитационному моделированию процедуры выравнивания лучей устройств стандарта NR при начальном установлении соединения пользовательского устройства UE с базовой станцией gNB с целью количественной оценки в первом приближении путей повышения точности и оперативности установления и ведения сеансов направленной радиосвязи в сверхплотных сетях 5G с диаграммообразованием.
Материал исследования представлен далее следующим образом. Сначала рассматриваются термины и определения спецификаций 3GPP, касающиеся механизмов управления лучом в сетях радиодоступа 5G NR, в том числе приводится описание процедуры сканирования лучом при начальном установлении соединения. Затем приводится формализованное описание последовательности имитационного моделирования процедуры выравнивания лучей при начальном подключении пользовательского устройства к базовой станции, включая результаты имитационного моделирования с использованием примера NR SSB Beam Sweeping. В заключении делаются выводы о путях повышения точности и оперативности выравнивания лучей в сверхплотных сетях радиодоступа 5G с диаграммообразованием.
Процедуры управления лучом в сетях 5G NR
В разделе 6.1.6 рекомендации 3GPP TR 38.802 [7] формализованы следующие определения и процедуры для описания механизмов управления лучом в сетях 5G NR.
Управление лучом (Beam management)
Это набор процедур уровней L1/L2 для установления и поддержания лучей приемопередающих модулей TRP (Transmission Reception Points) базовых станций gNB и/или пользовательских устройств UE для организации направленных приемов/передач в каналах "вверх" UL (UpLink) и "вниз" DL (DownLink), включающий следующие механизмы.
Определение луча (Beam determination)
TRP или UE выбирают свой луч при работе на прием или передачу.
Измерение в луче (Beam measurement)
TRP или UE измеряют характеристики принятых в луче сигналов.
Отчет по лучу (Beam reporting)
UE сообщает информацию об измеренных в луче сигналах.
Сканирование лучом (Beam sweeping)
Это операция перекрытия некоторого пространства лучами при их работе на прием или передачу определенным образом в течение заданного временного интервала.
На TRP и UE определено следующее соответствие переданного/принятого луча.
Соответствие переданного/принятого луча на TRP определено в случае, когда:
а) TRP способен определить луч при работе TRP на прием в канале "вверх" на основании измерений UE в канале "вниз" по одному или нескольким лучам, переданным TRP;
б) TRP способен определить луч при работе TRP на передачу в канале "вниз" на основании измерений TRP в канале "вверх" по одному или нескольким лучам, принятым TRP.
Соответствие переданного/принятого луча на UE определено в случае, когда:
а) UE способен определить луч при работе UE на передачу в канале "вверх" на основании измерений UE в канале "вниз" по одному или нескольким лучам, принятым UE;
б) UE способен определить луч при работе UE на прием в канале "вниз" по индикации TRP на основании измерений в канале "вверх" по одному или нескольким лучам, переданным UE.
На физическом и канальном уровнях (L1/L2) в DL определены следующие процедуры управления лучом.
Процедура P-1
Она реализует измерения UE по лучам, переданным TRP TRP в канале "вниз". В результате измерений выбирается пара лучей: луч на передачу Tx TRP и луч на прием UE Rx.
При диаграммообразовании на TRP сканирование лучом при работе на передачу осуществляется со стороны TRP по набору предварительно заданных направлений.
При диаграммообразовании на UE сканирование лучом при работе на прием осуществляется со стороны UE также по набору предварительно заданных направлений.
Процедура P-2
Реализует измерения UE по лучам, переданным TRP. В результате изменяется или уточняется пара лучей: луч на передачу Tx TRP и луч на прием UE Rx.
Отличие процедуры P-2 от P-1 заключается в уточнении пары лучей из возможно более узкого набора предварительно заданных направлений. Процедура P2 может быть частным случаем процедуры P-1.
Процедура P-3
Реализует измерения UE по лучу на передачу Tx TRP с целью выбора луча на прием UE Rx при работе UE в режиме диаграммообразования.
В настоящей работе исследуется процедура P-1 выравнивания лучей путем их сканирования при начальном установлении соединения пользовательского устройства UE с базовой станцией gNB.
Сканирование лучом при начальном установлении соединения
Перед выравниванием лучей в паре gNB−UE при начальном установлении соединения пользовательского устройства с базовой станцией первое находится в режиме ожидания. Для соединения базовая станция осуществляет передачу блоков сигналов синхронизации SSB (Synchronization Signal Blocks) пользовательскому устройству пакетами в канале "вниз".
Установление направленного сеанса радиосвязи в паре gNB−UE осуществляется при этом с использованием сканирования лучом в соответствии с процедурой P-1 как со стороны TRP при работе на передачу, так и со стороны UE при работе на прием.
После начального установления направленного соединения с использованием пакетов SSB данная пара лучей может затем использоваться для передачи и приема данных. При необходимости, например при движении пользовательского устройства, пара лучей в процессе ведения связи может быть уточнена с использованием опорных сигналов с информацией о состоянии канала CSI-RS (Channel-State Information Reference Signal) в канале "вниз" (DL) и опорных сигналов зондирования SRS (Sounding Reference Signal) в канале "вверх" (UL) [26].
В имитационной модели (ИМ) выполняется следующая последовательность процедур при работе gNB на передачу:
- формирование пакета сигналов синхронизации из блоков сигналов синхронизации SSB;
- диаграммообразование при работе на передачу пакета сигналов синхронизации со сканированием лучом по набору предварительно заданных направлений азимута ϕ и угла места θ с передачей в каждом дискретном направлении отдельного блока сигналов синхронизации SSB. При этом сканирование лучом на передачу по всему набору дискретных направлений по азимуту и углу места осуществляется в течение длительности передачи пакета сигналов синхронизации, а число предварительно заданных направлений по азимуту и углу места в наборе определяется числом блоков сигналов синхронизации SSB;
- далее переданные сигналы синхронизации проходят через модель радиоканала с пространственным рассеиванием и аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ);
- принятые сигналы обрабатываются пользовательским устройством в режиме диаграммообразования при работе на прием со сканированием лучом по набору предварительно заданных направлений азимута и угла места. В каждой паре лучей на передачу и прием производится измерение принятой мощности опорного сигнала RSRP (Reference Signal Received Power) для установления пары лучей gNB−UE, для которой значение RSRP оказывается максимальным.
Сканирование лучом пользовательским устройством при работе UE на прием осуществляется последовательно таким образом, что переданный gNB пакет сигналов синхронизации принимается UE столько раз, сколько в наборе пользовательского устройства насчитывается предварительно заданных направлений азимута и угла места при работе на прием в режиме диаграммообразования. Допустим, в наборе предварительно заданных направлений при работе на передачу gNB насчитывается N лучей, а в наборе предварительно заданных направлений при работе на прием UE − M лучей. Тогда для реализации процедуры P-1 при установлении двунаправленного соединения с последовательным сканированием лучом в каждом из N лучей базовой станции необходимо осуществить передачу M раз так, чтобы пользовательское устройство, работая на прием в режиме диаграммообразования по набору из M лучей, смогло осуществить измерение RSRP в каждом из N переданных лучей.
Рассмотрим представленный на рис.1 пример сканирования лучом для случая на плоскости, когда набор предварительно заданных направлений определяется исключительно по азимуту ϕ. В данном примере предполагается, что число блоков SSB в пакете сигналов синхронизации gNB равно четырем и определяет число лучей в наборе при работе gNB на передачу N = 4, а также число лучей в наборе при работе UE на прием M = 4.
Базовая станция осуществляет полный цикл сканирования при работе на передачу по набору предварительно заданных направлений в течение длительности одного пакета сигналов синхронизации Tпакета-SSB, при этом передача в отдельном направлении производится в течение длительности одного блока сигналов синхронизации Tблока-SSB.
Пользовательское устройство осуществляет полный цикл сканирования при работе на прием по набору предварительно заданных направлений в течение длительности четырех пакетов сигналов синхронизации Tпакета-SSB, при этом прием в отдельном направлении производится в течение длительности одного пакета сигналов синхронизации Tпакета-SSB. Полный перебор всех возможных пар лучей при работе на передачу и прием занимает время N × M = 16 блоков сигналов синхронизации Tблока-SSB. В примере на рис.1 в предположении условий прямой видимости между gNB и UE наибольшее RSRP можно ожидать в паре лучей T3-R2.
Далее рассмотрим особенности имитационного моделирования выравнивания лучей при начальном подключении пользовательского устройства UE к базовой станции gNB.
Имитационная модель процедуры выравнивания лучей при начальном установлении соединения
На рис.2 иллюстрируется последовательность имитационного моделирования процедур передачи, приема и обработки блоков сигналов синхронизации SSB при выравнивании лучей в паре gNB-UE на этапе начального установления соединения.
В табл.1 содержатся параметры имитационной модели для процедуры выравнивания лучей при начальном установлении соединения.
Первые три параметра определяются используемым диапазоном частот FR (Frequency Range). Шаблон блоков сигналов синхронизации SSB Case A/B/C используется в диапазоне FR1 (до 6 ГГц), а шаблон SSB Case D/E − в диапазоне ММВ FR2 (от 24 ГГц). Шаблон также влияет на разнос поднесущих. Блоки SSB передаются в шаблоне пакета сигналов синхронизации как бинарный вектор длиной 4 или 8 в диапазоне FR1 и длиной 64 в диапазоне FR2. При этом число переданных блоков SSB в пакете устанавливает число дискретных направлений лучей на передаче и приеме из предварительно заданного набора.
На рис.3 показана частотно-временная сетка N = M = 8 блоков SSB в пакете сигналов синхронизации для диапазона FR1 с шаблоном Case B.
На рис.4 представлен сценарий выравнивания лучей gNB-UE на плоскости при N = M = 8 и АР размерности 8 × 8 у gNB и UE.
В ИМ у gNB и UE предполагается использование эквидистантной прямоугольной антенной решетки URA. При размерности АР 8 × 8 ширина ДНА по уровню половинной мощности в горизонтальной и вертикальной плоскостях получается: ϕ3дБ ≈ 12,8° и θ3дБ ≈ 12,8° соответственно. Для N = 8 SSB число предварительно заданных дискретных направлений с равномерным распределением по азимуту для случая на плоскости равно 8 и в диапазоне сканирования лучом на передаче для gNB определяется выражением
ϕsweep_tx = [–45°, –30°, –15°, 0°, 15°, 30°, 45°, 60°]. (1)
Для M = 8 SSB число предварительно заданных дискретных направлений с равномерным распределением по азимуту для случая на плоскости также равно 8 и в диапазоне сканирования лучом на приеме для UE определяется, как
ϕsweep_tx = [–135°, –90°, –45°, 0°, 45°, 90°, 135°, 180°]. (2)
Пример матрицы измерений RSRP в дБм размерности M × N представлен ниже:
. (3)
Максимальное значение RSRPmax = 45,1559 дБм соответствует лучу на передаче с индексом n = 8 (индекс столбца) и лучу на приеме с индексом m = 8 (индекс строки).
Из выражения (1) для n = 8 получаем направление луча на передаче ϕsweep_tx_max = 60°. Из выражения (2) для m = 8 получаем направление луча на приеме ϕsweep_rx_max = 180°. В данном примере при Tпакета-SSB = 20 мс процедура выравнивания займет 8 · Tпакета-SSB = 160 мс.
Качественный анализ рассмотренного сценария выравнивания лучей в частотном диапазоне FR1 показывает, что, несмотря на достаточно узкую ширину ДНА по уровню половинной мощности ϕ3дБ ≈ 12,8° у базовой станции и пользовательского устройства, точность взаимной ориентации ДНА gNB−UE остается ограниченной числом предварительно заданных направлений из набора лучей, которое определяется числом блоков SSB в пакете сигналов синхронизации.
Рассмотрим сценарий выравнивания лучей gNB−UE в диапазоне ММВ (FR2) на несущей частоте f = 28 ГГц. Рис.5 иллюстрирует частотно-временную сетку, где N = M = 64 блока SSB в пакете сигналов синхронизации для диапазона FR2 с шаблоном Case D.
На рис.6 продемонстрирован сценарий выравнивания лучей gNB−UE на плоскости при N = M = 64 и АР размерности 8 × 8 у gNB и UE.
Для набора из N = 64 блоков сигналов синхронизации SSB результирующие шестьдесят четыре дискретных направления на передачу с шагом при равномерном распределении по азимуту в диапазоне сканирования лучом gNB равны:
ϕsweep_tx = [–58,125°, –56,250°,…,60°]. (4)
Для набора из M = 64 блоков сигналов синхронизации SSB результирующие шестьдесят четыре дискретных направления на прием с шагом при равномерном распределении по азимуту в диапазоне сканирования лучом UE равны:
ϕsweep_rx = [–174,375°, –168,750°,…,180°]. (5)
Максимальное значение RSRPmax = 80,9597 дБм соответствует лучу на передаче с индексом n = 63 (индекс столбца) и лучу на приеме с индексом m = 6 (индекс строки).
Из выражения (4) для n = 63 получаем направление луча на передаче ϕsweep_tx_max = 58,125°. Из (5) для m = 6 получаем направление луча на приеме ϕsweep_rx_max =-146,25°. В данном примере при Tпакета-SSB = 20 мс процедура выравнивания займет 64 · Tпакета-SSB = 1280 мс.
Заключение
Проведенное имитационное моделирование процедуры выравнивание лучей при установлении соединения в сетях 5G NR позволяет сделать следующие количественные оценки в первом приближении.
С одной стороны, для более точного выравнивания лучей следует увеличивать размерность числа элементов антенной решетки базовой станции и пользовательского устройства с целью сужения ширины диаграммы направленности по уровню половинной мощности, например до HPBW ≈ 6,375° у АР 16 × 16. Также рекомендуется увеличивать число блоков сигналов синхронизации SSB, определяющих число дискретных направлений последовательного сканирования лучом при работе на передачу и прием, например до 64, как в диапазоне FR2.
С другой стороны, при фиксированном периоде повторения пакета сигналов синхронизации, который определяет полный цикл перебора дискретных направлений последовательного сканирования лучом при работе на передачу, увеличение числа этих периодов для последовательного сканирования лучом при работе на прием может привести к неприемлемо высоким задержкам для реализации процедуры выравнивания лучей.
Например, при длительности одного пакета SSB 20 мс и перебора в наборе из 64 направлений выравнивание лучей займет более одной секунды, что окажется непригодным для высокоподвижных пользовательских устройств.
Таким образом, можно сделать вывод о необходимости поиска компромисса между точностью и оперативностью выравнивания лучей для подвижных устройств.
Благодарность
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-29-00528). https://rscf.ru/project/22-29-00528/
ЛИТЕРАТУРА
Li Y.R., Gao B., Zhang X., Huang K. Beam Management in Millimeter−Wave Communications for 5G and Beyond // IEEE Access. 2020. Vol. 8. PP. 13282–13293.
Giordani M.A., Polese M., Roy A., Castor D., Zorzi M. Tutorial on Beam Management for 3GPP NR at mmWave Frequencies // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019. Vol. 21. No. 1. PP. 173–196.
Onggosanusi E. et al. Modular and High-Resolution Channel State Information and Beam Management for 5G New Radio // IEEE Communications Magazine. 2018. Vol. 56. No. 3. PP. 48–55.
Giordani M., Polese M., Roy A., Castor D., Zorzi M. Standalone and Non-Standalone Beam Management for 3GPP NR at mmWaves // IEEE Communications Magazine. 2019. Vol. 57. No. 4. PP. 123–129.
Bang J., Chung H., Hong J., Seo H., Choi J., Kim S. Millimeter-Wave Communications: Recent Developments and Challenges of Hardware and Beam Management Algorithms // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. No. 8. PP. 86–92.
Chiaraviglio L., Rossetti S., Saida S., Bartoletti S., Blefari-Melazzi N. "Pencil Beamforming Increases Human Exposure to ElectroMagnetic Fields": True or False? // arXiv:2010.16288v2 [cs.NI].
3GPP TR 38.802. Study on New Radio access technology physical layer aspects. Rel. 14. Version 14.2.0. Sep. 2017.
3GPP TR 38.912. Study on New Radio (NR) access technology. Rel. 16. Version 16.0.0. Jul. 2020.
3GPP TS 38.211. NR; Physical channels and modulation. Rel 16. Version 16.7.0. Sep. 2021.
3GPP TS 38.213. NR; Physical layer procedures for control. Rel 16. Version 16.7.0. Sep. 2021.
3GPP TS 38.214. NR; Physical layer procedures for data. Rel 16. Version 16.7.0. Sep. 2021.
3GPP TS 38.215. NR; Physical layer measurements. Rel 16. Version 16.4.0. Dec. 2020.
Фокин Г.А. Моделирование сверхплотных сетей радиодоступа 5G с диаграммообразованием // T-Comm − Телекоммуникации и Транспорт. 2021. Т. 15. № 5. С. 4–21.
Фокин Г. Модели диаграммообразования в сверхплотных сетях радиодоступа 5G. Ч. 1. Оценка помех // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 3(95). С. 66–73.
Фокин Г. Модели диаграммообразования в сверхплотных сетях радиодоступа 5G. Ч. 2. Оценка разноса устройств // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 4(96). С. 66–73.
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия – Телеком, 2021. 456 с.
Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования. СПб: СПбГУТ, 2020. 558 с.
Фокин Г.А. Процедуры позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2021. № 11. С. 2–8.
Gross F. Smart Antennas for Wireless Communications: With MATLAB. McGraw-Hill Professional. 2005. 288 p.
Balanis C.A. Antenna theory: analysis and design. John Wiley & Sons. 2016. 1104 p.
Mailloux R.J. Phased Array Antenna Handbook. 3rd Ed. Artech House. 2017. 691 p.
Understanding 5G Beam Management. MathWorks, Inc. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/campaigns/offers/next/understanding-5g-beam-management.html (дата обращения: 22.01.2022).
5G Toolbox. MathWorks, Inc. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/products/5g.html (дата обращения: 22.01.2022).
Phased Array System Toolbox. MathWorks, Inc. [Электронный ресурс]. URL:https://www.mathworks.com/products/phased-array.html (дата обращения: 22.01.2022).
NR SSB Beam Sweeping. MathWorks, Inc. Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/5g/ug/nr-ssb-beam-sweeping.html (дата обращения: 22.01.2022).
NR Downlink Transmit-End Beam Refinement Using CSI-RS. MathWorks, Inc. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/help/5g/ug/nr-downlink-transmit-end-beam-refinement-using-csi-rs.html (дата обращения: 22.01.2022).
Отзывы читателей
