Location-aided Beam Alignment and Handover in Millimeter-wave Networks

QC 20230504

Abstract

Det ständigt ökande behovet av höga datatakter i system för mobil datakommunikation har medfört en frekvensbrist i mikrovågsområdet. För att tillgodose spektrumbehovet I nästa generations mobilsystem har därför intresset riktats mot millimetervågs-området. Den stora fördelen med detta frekvensområde är att här är tillgången på ledigt spektrum gott.  Eftersom våglängden här är en storleksordning mindre än i mikrovågsområdet, är det möjligt att konstruera antenner med kraftig riktverkan, för både sändare och mottagare, på små chip. Å andra sidan medför dessa små antenner en stor utbredningsförlust, varför hög riktverkan är nödvändig.  Kommunikationen sker med smala strålar och utmaningen är att kunna rikta dessa med god precision så att etableringen av förbindelser kan ske och att kommunikationskanalens egenskaper kan skattas på ett tillförlitligt sätt.

Nuvarande millimetervågssystem använder sig av analoga fasstyrda antenner som kan rikta strålen i en riktning i taget, vilket gör att etableringen av förbindelser kan vara tidsödande. Ett annat problem är att de smala strålarna är känsliga för blockering av föremål som kommer i vägen för strålgången. Detta leder till antennernas strålningsmönster måste uppdateras ofta med hjälp av strålsökning. Speciellt i mobila system där både användare och blockerande föremål rör sig är detta ett problem.  Ett annat problem som detta medför är att basstationstätheten i millimetervågsystem måste göra större än i konventionella mikrovågssystem för att kunna bibehålla en god täckning. Många basstationer leder emellertid till många basstationsbyten, s.k. ”Handover” vilket gör etableringen och underhållet av kommunikationslänkarna extra utmanande. Metoder för snabb identifiering av basstationer och effektiva handover-tekniker är nödvändiga för att kunna utnyttja millimetervågssystemens fulla potential.

Mot bakgrunden av ovanstående utmaningar, intresserar vi oss i denna avhandling för effektiva strålsöknings- och handover metoder för millimetervågssystem. Mer specifikt så handlar avhandlingens första del om hur man kan utnyttja det faktum att millimetervågskanalens spatiella egenskaper är relativt likartade på närliggande platser. Vi utnyttjar här att strålgångar mätts upp i förväg i ett antal positioner längs mobilens väg. Med hjälp av positionsinformation kan vi nu snabba upp strålsökningen betydligt. Vår analys visar att vi kan uppnå ett högt signal-brus-förhållande och låg overhead samtidigt som metoden fungerar väl även när positionsinformationen är mindre noggrann.  

I avhandlingens andra del, fokuserar vi på handover-problemet. Vi formulerar basstationsvalet som ett optimeringsproblem där vi maximerar den aggregerade datatakten längs mobilens väg samtidigt som vi garanterar en minsta datatakt på alla platser. Vi tillämpar maskininlärning för valet mellan en mer noggrann strålsökning och handover när transmissionskvaliteten sjunker längs mobilens väg. Vi  utvärderar metoderna genom simuleringar som visar lovande resultat vad avser uppnådd datatakt jämfört med tidigare föreslagna metoder. 

I avhandlingens sista del tar vi även resursallokeringen i beaktande i ett fleranvändar-scenario där många mobiler konkurrerar om ändliga kommunikationsresurser. Vi studerar kombinationer av basstationsval (handover) och strålgångsoptimering. Vi tillämpar maskininlärning för att hitta en approximativ lösning till problemet att maximera den aggregerade överförda datamängden längs mobilernas väg, samtidigt som vi garanterar en minsta datatakt. Våra simuleringsresultat bekräftar att vi kan erhålla en tillförlitlig förbindelse längs mobilernas väg med betydligt bättre prestanda än jämförbara lösningar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-326543