A Tutorial on Beam Management for 3GPP NR at mmWave Frequencies

The millimeter wave (mmWave) frequencies offer the availability of huge bandwidths to provide unprecedented data rates to next-generation cellular mobile terminals. However, mmWave links are highly susceptible to rapid channel variations and suffer from severe free-space pathloss and atmospheric absorption. To address these challenges, the base stations and the mobile terminals will use highly directional antennas to achieve sufficient link budget in wide area networks. The consequence is the need for precise alignment of the transmitter and the receiver beams, an operation which may increase the latency of establishing a link, and has important implications for control layer procedures, such as initial access, handover and beam tracking. This tutorial provides an overview of recently proposed measurement techniques for beam and mobility management in mmWave cellular networks, and gives insights into the design of accurate, reactive and robust control schemes suitable for a 3GPP NR cellular network. We will illustrate that the best strategy depends on the specific environment in which the nodes are deployed, and give guidelines to inform the optimal choice as a function of the system parameters.Comment: 22 pages, 19 figures, 10 tables, published in IEEE Communications Surveys and Tutorials. Please cite it as M. Giordani, M. Polese, A. Roy, D. Castor and M. Zorzi, "A Tutorial on Beam Management for 3GPP NR at mmWave Frequencies," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 21, no. 1, pp. 173-196, First quarter 201

Ondas milimétricas e MIMO massivo para otimização da capacidade e cobertura de redes heterogeneas de 5G

Today's Long Term Evolution Advanced (LTE-A) networks cannot support the exponential growth in mobile traffic forecast for the next decade. By 2020, according to Ericsson, 6 billion mobile subscribers worldwide are projected to generate 46 exabytes of mobile data traffic monthly from 24 billion connected devices, smartphones and short-range Internet of Things (IoT) devices being the key prosumers. In response, 5G networks are foreseen to markedly outperform legacy 4G systems. Triggered by the International Telecommunication Union (ITU) under the IMT-2020 network initiative, 5G will support three broad categories of use cases: enhanced mobile broadband (eMBB) for multi-Gbps data rate applications; ultra-reliable and low latency communications (URLLC) for critical scenarios; and massive machine type communications (mMTC) for massive connectivity. Among the several technology enablers being explored for 5G, millimeter-wave (mmWave) communication, massive MIMO antenna arrays and ultra-dense small cell networks (UDNs) feature as the dominant technologies. These technologies in synergy are anticipated to provide the 1000_ capacity increase for 5G networks (relative to 4G) through the combined impact of large additional bandwidth, spectral efficiency (SE) enhancement and high frequency reuse, respectively. However, although these technologies can pave the way towards gigabit wireless, there are still several challenges to solve in terms of how we can fully harness the available bandwidth efficiently through appropriate beamforming and channel modeling approaches. In this thesis, we investigate the system performance enhancements realizable with mmWave massive MIMO in 5G UDN and cellular infrastructure-to-everything (C-I2X) application scenarios involving pedestrian and vehicular users. As a critical component of the system-level simulation approach adopted in this thesis, we implemented 3D channel models for the accurate characterization of the wireless channels in these scenarios and for realistic performance evaluation. To address the hardware cost, complexity and power consumption of the massive MIMO architectures, we propose a novel generalized framework for hybrid beamforming (HBF) array structures. The generalized model reveals the opportunities that can be harnessed with the overlapped subarray structures for a balanced trade-o_ between SE and energy efficiently (EE) of 5G networks. The key results in this investigation show that mmWave massive MIMO can deliver multi-Gbps rates for 5G whilst maintaining energy-efficient operation of the network.As redes LTE-A atuais não são capazes de suportar o crescimento exponencial de tráfego que está previsto para a próxima década. De acordo com a previsão da Ericsson, espera-se que em 2020, a nível global, 6 mil milhões de subscritores venham a gerar mensalmente 46 exa bytes de tráfego de dados a partir de 24 mil milhões de dispositivos ligados à rede móvel, sendo os telefones inteligentes e dispositivos IoT de curto alcance os principais responsáveis por tal nível de tráfego. Em resposta a esta exigência, espera-se que as redes de 5a geração (5G) tenham um desempenho substancialmente superior às redes de 4a geração (4G) atuais. Desencadeado pelo UIT (União Internacional das Telecomunicações) no âmbito da iniciativa IMT-2020, o 5G irá suportar três grandes tipos de utilizações: banda larga móvel capaz de suportar aplicações com débitos na ordem de vários Gbps; comunicações de baixa latência e alta fiabilidade indispensáveis em cenários de emergência; comunicações massivas máquina-a-máquina para conectividade generalizada. Entre as várias tecnologias capacitadoras que estão a ser exploradas pelo 5G, as comunicações através de ondas milimétricas, os agregados MIMO massivo e as redes celulares ultradensas (RUD) apresentam-se como sendo as tecnologias fundamentais. Antecipa-se que o conjunto destas tecnologias venha a fornecer às redes 5G um aumento de capacidade de 1000x através da utilização de maiores larguras de banda, melhoria da eficiência espectral, e elevada reutilização de frequências respetivamente. Embora estas tecnologias possam abrir caminho para as redes sem fios com débitos na ordem dos gigabits, existem ainda vários desafios que têm que ser resolvidos para que seja possível aproveitar totalmente a largura de banda disponível de maneira eficiente utilizando abordagens de formatação de feixe e de modelação de canal adequadas. Nesta tese investigamos a melhoria de desempenho do sistema conseguida através da utilização de ondas milimétricas e agregados MIMO massivo em cenários de redes celulares ultradensas de 5a geração e em cenários 'infraestrutura celular-para-qualquer coisa' (do inglês: cellular infrastructure-to-everything) envolvendo utilizadores pedestres e veiculares. Como um componente fundamental das simulações de sistema utilizadas nesta tese é o canal de propagação, implementamos modelos de canal tridimensional (3D) para caracterizar de forma precisa o canal de propagação nestes cenários e assim conseguir uma avaliação de desempenho mais condizente com a realidade. Para resolver os problemas associados ao custo do equipamento, complexidade e consumo de energia das arquiteturas MIMO massivo, propomos um modelo inovador de agregados com formatação de feixe híbrida. Este modelo genérico revela as oportunidades que podem ser aproveitadas através da sobreposição de sub-agregados no sentido de obter um compromisso equilibrado entre eficiência espectral (ES) e eficiência energética (EE) nas redes 5G. Os principais resultados desta investigação mostram que a utilização conjunta de ondas milimétricas e de agregados MIMO massivo possibilita a obtenção, em simultâneo, de taxas de transmissão na ordem de vários Gbps e a operação de rede de forma energeticamente eficiente.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe

Mobile 5G millimeter-wave multi-antenna systems

In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Universitat Politècnica de Catalunya's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.Tesi en modalitat de compendi de publicacionsMassive antenna architectures and millimeter-wave bands appear on the horizon as the enabling technologies of future broadband wireless links, promising unprecedented spectral efficiency and data rates. In the recently launched fifth generation of mobile communications, millimetric bands are already introduced but their widespread deployment still presents several feasibility issues. In particular, high-mobility environments represent the most challenging scenario when dealing with directive patterns, which are essential for the adequate reception of signals at those bands. Vehicular communications are expected to exploit the full potential of future generations due to the massive number of connected users and stringent requirements in terms of reliability, latency, and throughput while moving at high speeds. This thesis proposes two solutions to completely take advantage of multi-antenna systems in those cases: beamwidth adaptation of cellular stations when tracking vehicular users based on positioning and Doppler information and a tailored radiation diagram from a panel-based system of antennas mounted on the vehicle. Apart from cellular base stations and vehicles, a third entity that cannot be forgotten in future mobile communications are pedestrians. Past generations were developed around the figure of human users and, now, they must still be able to seamlessly connect with any other user of the network and exploit the new capabilities promised by 5G. The use of millimeter-waves is already been considered by handset manufacturers but the impact of the user (and the interaction with the phone) is drastically changed. The last part of this thesis is devoted to the study of human user dynamics and how they influence the achievable coverage with different distributed antenna systems on the phone.Les arquitectures massives d'antenes i les bandes mil·limètriques apareixen a l'horitzó com les tecnologies que impulsaran els futurs enllaços sense fils amb gran ample de banda i prometen una eficiència espectral i velocitat de transmissió sense precedents. A la recent cinquena generació de comunicacions mòbils, les bandes mil·limètriques ja en són una part constitutiva però el seu desplegament encara presenta certes dificultats. En concret, els entorns d'alta mobilitat representen el major repte quan es fan servir diagrames de radiació directius, els quals són essencials per una correcta recepció del senyal en aquestes bandes. S'espera que les comunicacions vehiculars delimitin les capacitats de les xarxes en futures generacions degut al gran nombre d'usuaris simultanis i els requeriments estrictes en termes de fiabilitat, retard i flux de dades mentre es mouen a grans velocitats. Aquesta tesi proposa dues solucions per tal d'explotar al màxim els sistemes de múltiples antenes en tals casos: un ample de feix adaptatiu de les estacions bases quan estiguin fent el seguiment d'un vehicle usuari basat en informació de la posició i el Doppler i el disseny d'un diagrama de radiació adequat al costat del vehicle basat en una estructura de múltiples panells muntats a l'estructura del mateix. A més de les estacions base i els vehicles, un tercer element que no pot ser obviat en aquests escenaris són els vianants. Les generacions anteriors van ser desenvolupades al voltant de la figura d'usuaris humans i ara han de seguir tenint la capacitat de connexió ininterrumpuda amb la resta d'usuaris i explotar les capacitats de 5G. L'ús de frequències mil·limètriques també es té en compte en la fabricació de telèfons mòbils però l'impacte de l'usuari és completament diferent. La última part de la tesis tracta l'estudi de les dinàmiques de l'usuari humà i com influeixen en la cobertura amb diferent sistemes distribuïts d'antenes.Postprint (published version

Smart Beamforming for Direct Access to 5G-NR User Equipment from LEO Satellite at Ka-Band

Study how spatial diversity can help in massive IoT and develp signal processing access for MIMO beamformingNon-Terrestrial Networks (NTN), in particular LEO Satellite Networks, are expected to play a key role in extending and complementing terrestrial 5G networks in order to provide services to air, sea and un-served or under-served areas. This work proposes the implementation of a novel scheme called Resource Sharing Beamforming Access (RSBA), which seems a promising solution to deal with scenarios where Bit Error Rate (BER), probability of collision and/or achievable rate are important aspects of study. Given the system architecture presented in this work, RSBA will be proposed as solution in the 5G-NR Sat-IoT scenario. As it is expected, a huge amount of IoT devices will be transmitting in the uplink, and being the case of Non-Orthogonal-Multiple-Access (NOMA), the risk of collisions between devices will increase. The idea, after assessing the channel impairments of a direct link between a LEO Satellite and a NB-IoT device, it to study how spatial diversity via smart beamforming at the receiver will reduce the probability of collision between the devices, and thus increasing the number of users that can access to the media

Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands

[ES] La llegada de la próxima generación del estándar de comunicaciones móviles, la llamada quinta generación (5G), es prácticamente una realidad. Las primeras redes comerciales han comenzado a ser desplegadas, centrándose en ofrecer altas velocidades de transferencia de datos. Sin embargo, el estándar 5G va mucho más allá y prevé dar soporte a nuevos servicios que pretenden revolucionar la sociedad. Estos nuevos servicios imponen un nivel alto de requisitos en no solo en cuanto a velocidad del tráfico de datos, sino en cuanto a latencia o número de dispositivos conectados simultáneamente. La amplia variedad de requisitos no puede ser soportada por las redes de cuarta generación (4G), por lo que se hizo necesario plantear un nuevo paradigma para las redes inalámbricas. Con la promesa de grandes cantidades de ancho de banda sin utilizar, el estándar 5G contempla utilizar frecuencias en la comúnmente conocida como banda de milimétricas (mmWave). Esta banda presenta grandes pérdidas de propagación, que se acentúan si existen bloqueos de señal. Actividades regulatorias del uso de las bandas de milimétricas atrajo el interés tanto de la industria como de la academia en plantear soluciones para dar servicio en estas bandas. En los últimos años se han presentado infinidad de trabajos basados en sistemas con múltiples antenas o MIMO, para conformar las señales transmitidas o recibidas en haces apuntando en determinadas direcciones. La ganancia que aportan los sistemas MIMO pueden compensar las altas pérdidas de propagación, asegurando la viabilidad de las comunicaciones mmWave. Se ha detectado una evidente falta de estudios sobre la viabilidad de sistemas MIMO en entornos móviles y dinámicos con bloqueos que hagan necesario que el sistema se reconfigure. Esta Tesis pretende cubrir este espacio desde un enfoque práctico y propone mecanismos de gestión de los haces para hacerles un seguimiento utilizando los recursos y mecanismos del nuevo estándar 5G. Las soluciones aportadas se basan en el uso eficiente de los reportes de medidas de las señales de referencia estandarizadas en enlace descendente. En primer lugar, esta Tesis recoge un análisis minucioso del estado del arte, donde se corrobora la necesidad de aportar soluciones de seguimiento de haces en sistemas de comunicaciones en la banda de milimétricas. Además, se estudian los diferentes mecanismos definidos en el estándar 5G y que posibilitan el seguimiento. Cabe destacar que el estándar no define un mecanismo único a seguir, permitiendo presentar propuestas. Una vez conocidas las tecnologías, se centra el estudio en el impacto del seguimiento sobre las prestaciones a nivel de red y de enlace. Dicho estudio se realiza sobre un sistema punto a punto, donde el terminal móvil se desplaza por un entorno urbano. En base a simulaciones de red, se cuantifica el índice de seguimiento de haz y de cómo dicho seguimiento afecta a la relación señal a ruido más interferencia (SINR) y la tasa de transmisión del usuario. Las soluciones de seguimiento propuestas en esta Tesis se pueden clasificar en dos categorías. En una primera categoría, se realiza el seguimiento en base a reportes de medidas de las señales de referencia. Independientemente de la velocidad, se alcanza un seguimiento del 91% con poca penalización en la tasa de transmisión si se monitorizan los haces de interés con una periodicidad menor de 20 ms. En la segunda categoría caben mecanismos de seguimiento que hacen uso de fuentes externas de información. Dentro de esta categoría, se propone un fingerprinting que relacione haces con la localización reportada y un modelo de machine learning (ML) que prediga los haces a utilizar. El fingerprinting proporciona los mismos niveles de rendimiento. Sin embargo, esta solución es muy sensible a errores y requiere considerar todos los casos posibles, lo que la hace tecnológicamente inviable. En cambio, el modelo de ML, que hace p[CA] L'arribada de la següent generació de l'estàndard de comunicacions mòbils, l'anomenada cinquena generació (5G), es pràcticament una realitat. Les primeres xarxes comercials han començat a desplegar-se i s'han centrat en oferir altes velocitats de transferència de dades. No obstant, l'estàndard 5G va molt mes allà y preveu donar suport a nous serveis que pretenen revolucionar la societat. Estos nous serveis imposen un alt nivell de requisits no sols en quant a velocitat de tràfic de dades, si no també en quant a latència o número de connexions simultànies. L'ampla varietat de requisits no es suportada per les xarxes de quarta generació (4G) actuals, per el qual es va fer necessari un nou paradigma de xarxes sense fil. Amb la promesa de amplies quantitats d'ample de banda, l'estàndard 5G contempla utilitzar freqüències a la banda de mil·limètriques. Esta banda presenta l'inconvenient d'experimentar grans pèrdues de propagació, que s'accentuen en cas de bloqueigs. L'apertura de les bandes de mil·limètriques va atraure l'interès tant de l'industria com de l'acadèmia en plantejar solucions per a donar servei en estes bandes. En els últims anys s'han presentat infinitat de treballs basats en sistemes amb múltiples antenes o MIMO, per a conformar els senyals transmesos o rebuts en feixos apuntant en determinades direccions d'interès. El guany de feix es pot utilitzar per a compensar les pèrdues de propagació, assegurant la viabilitat de les comunicacions en la banda de mil·limètriques. No obstant això, s'ha detectat una preocupant manca d'estudis sobre la viabilitat d'estos sistemes en entorns mòbils i dinàmics, amb obstacles que bloquejen els feixos i facen necessari que el sistema es reconfigure. El present treball de Tesi pretén cobrir este espai buit i des d'un punt de vista pràctic, es proposen mecanismes de gestió dels feixos per a ser el seguiment utilitzant els recursos i mecanismes dels que disposa l'estàndard 5G. D'esta manera, les solucions aportades es basen en la utilització eficient dels reports de mesures dels senyals de referència del enllaç descendent. En primer lloc, esta Tesi recull una anàlisi minuciosa de l'estat de l'art on es corrobora la necessitat de aportar solucions de seguiment de feixos per a comunicacions en la banda de freqüències mil·limètriques. A més a més, s'estudien els diferents mecanismes definits a l'estàndard 5G i que possibiliten el seguiment. Cap destacar que l'estàndard no defineix un mecanisme únic, si no que deixa la porta oberta a presentar propostes. Una vegada conegudes les tecnologies, l'estudi es centra en l'impacte del seguiment sobre les prestacions a nivell de xarxa i d'enllaç. Este estudi es realitza sobre un sistema MIMO punt a punt, en una única estació base i un terminal mòbil desplaçant-se en un entorn urbà. En base a simulacions d'extrem a extrem, es quantifica l'índex de seguiment de feix i com l'anomenat seguiment afecta a la relació senyal a soroll més interferència (SINR) i a la taxa instantània de transmissió de l'usuari. Les solucions de seguiment de feixos propostes a la Tesi es poden classificar en dos categories. A la primera categoria, el seguiment de feixos es realitza en base als reports de mesures dels senyals de referència. Independentment de la velocitat, s'arriba a una taxa de seguiment del 91% amb poca penalització de taxa de transmissió si els feixos d'interès es mesuren amb una periodicitat menor a 20 ms. A la segona categoria pertanyen els algoritmes que utilitzen fonts d'informació externes. Dins d'aquesta categoria es proposa un fingerprinting que relaciona un parell de feixos amb la ubicació de l'usuari, i a banda un model d'intel·ligència artificial (IA) que preveu el feix a utilitzar. El fingerprinting ofereix el mateix rendiment. Però, esta solució es molt sensible a errors i requereix considerar tots els casos possibles, fent-la tecnològicament inviable. En canvi, el[EN] The arrival of the next generation of mobile communication standards, the so-called Fifth Generation (5G), is already a reality. The first commercial networks have begun to be deployed, and they focus on providing higher data rates. However, the 5G standard goes much further from that and aims at providing support to new services which will revolutionise the society. These new services impose a high level of requirements not only in terms of the data traffic speed, but also in terms of very low latency or incredibly large number of simultaneous connections. This wide variety of requirements cannot be technologically supported by the current Fourth Generation (4G) networks, so it became necessary to move forward with a new paradigm for wireless networks. With the promise of large amounts of bandwidth, in the order of GHz, the 5G standard contemplates the use of frequencies in the commonly known Millimetre Wave (mmWave) band. The mmWave band experiences large propagation losses, which are accentuated in blockage events. Regulatory activities worldwide in the mmWave bands attracted the interest of both the industry and the academia. In the last few years, a tremendous number of contributions on mmWave propagation studies and networks have appeared, most of them based on Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) solutions. MIMO architectures allow to beamform, which focuses the radiated energy on certain directions of interest called beams. The additional beam gain compensates the high propagation losses, ensuring the viability of the communications in the mmWave band. There is an evident lack of viability studies of mmWave MIMO systems in mobile and highly-dynamic environments, where obstacles may block beams and forcing frequent re-configurations. This Thesis work aims to fill this gap from a practical approach. This Thesis proposes beam management mechanisms utilising the mechanisms and resources offered by the Third Generation Partnership Project (3GPP) 5G radio access standard: 5G New Radio (NR). The practical solutions are based on the efficient use of measurement reports of standardised downlink Reference Signals (RS). In first place, this Thesis provides a thorough state-of-the-art analysis and corroborates the need of adopting beam tracking solutions for mmWave networks. Then, a complete overview of the 5G standard mechanisms that enable beam tracking is given. The NR standard does not define a standardised mechanism for beam tracking, leaving the door open to proposals to carry out such monitoring. Once the technologies have been identified, the Thesis continues with assessing the impact of the beam tracking strategies on the network and link-level performance. The study is focused on individual point-to-point mmWave links in a realistic urban environment. Based on end-to-end network simulations, the Thesis is interested in assessing the beam tracking success ratio and how beam misalignment affects the perceived Signal to Noise plus Interference Ratio (SINR) and user throughput at pedestrian and vehicular speeds. The beam tracking solutions proposed in this Thesis fall into two categories. The first category monitors beams based on measuring and reporting beamformed RS. Regardless of the speed, this beam tracking category provides up to 91 % tracking performance, with little throughput reduction if the beams of interest are measured with a periodicity below 20 ms. Beam tracking in the second category relies on external information sources. Within this category, this Thesis proposes a fingerprinting database relating beams to the user position and a machine learning (ML) model. Fingerprinting beam tracking is technologically viable and provides similar performance levels. However, this solution is very sensitive to errors and requires considering all possible situations. The ML beam tracking, which makes predictions with a 16 % of estimation error for the reference data set.I want to thank the Spanish Ministry of Education and Professional Formation for funding this Thesis work with an official pre-doctoral contract grant.Herranz Claveras, C. (2019). Beam Tracking Strategies for 5G New Radio Networks Operating in the Millimetre Wave Bands [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130845TESI