Beam management techniques for Massive MIMO systems in 5G NR networks

Abstract

The use of Millimeter wave (mmWave) spectrum frequencies is seen as a key enabler technology for the future wireless communication systems to overcome the bandwidth shortage of the sub 6GHz microwave spectrum band, enabling high speed data transmissions in the 5G/6G systems. Nevertheless, mmWave propagation characteristics are associated to significant free-path losses and many more attenuations that become even more harsher as the frequency increases, rendering the communication challenging at this frequencies. To overcome these distinct disadvantages, multiple antenna arrays are employed to allow beamforming techniques for the transmission of narrower concentrated beams in more precise directions and less interference levels between them, consequently improving the link budget. Thus, to constantly assure that the communication with each device is done using the beam pair that allows the best possible connectivity, a set of Beam Management control procedures is necessary to assure an efficient beamformed connection establishment and its continuous maintenance between the device and the network. This dissertation will address the description of the Initial Beam Establishment (IBE) BM procedure, focusing the selection of the most suitable transmit-receive beam pair available after completed beam sweeping techniques to measure the different power levels of the received signal. The main goal is to design a new 3GPP-standard compliant beam pair selection algorithm based on SSS angle estimation (BSAE), that makes use of multiple Synchronization Signal Blocks (SSBs) to maximize the Reference Signal Received Power (RSRP) value at the receiver, through the selected beam pair. This optimization is done using the Secondary Synchronization Signals (SSSs) present in each SSB to perform channel estimation in the digital domain (comprising the effects of the analog processing). Afterwards, the combination of those estimations were used to perform the equivalent channel propagation matrix estimation without the analog processing effects. Finally, through the channel propagation matrix, the angle that maximizes the RSRP was determined to compute the most suitable beam through the aggregated response vector. The obtained results show that the proposed algorithm achieves better performance levels compared to a conventional beam pair selection algorithm. Furthermore, a comparison with an optimal case is also done, i.e., the situation where the channel is known, and the optimal beam pair angle can be determined. Therefore, the similar performance results compared to the optimal case indicates that the proposed algorithm is interesting for practical 5G mmWave mMIMO implementations, according to 3GPP-compliant standards.

O uso de frequências na banda das ondas milimétricas é visto como uma tecnologia chave para os futuros sistemas de comunicação móveis, tendo em vista a ultrapassar o problema da escassez de banda a sub-6 GHz, e por permitir as elevadas taxas de dados requeridas para sistemas 5G/6G. Contudo, a propagação deste tipo de ondas está associado a perdas acentuadas em espaço livre e várias atenuações que se tornam cada vez mais significativas com o aumento do valor da frequência, impondo obstáculos à comunicação. Para ultrapassar estas adversidades, agregados constituídos por múltiplos elementos de antena são implementados por forma a permitir técnicas de formação de feixe e possibilitar a transmissão de feixes mais estreitos e altamente direcionais, diminuindo os níveis de interferência e melhorando consequentemente o link budget. Deste modo, para assegurar constantemente que a comunicação efetuada em cada dispositivo ocorre utilizando o conjunto de feixes que proporciona o melhor nível de conectividade, é então necessário um conjunto de procedimentos de controlo de gestão de feixe, assegurando um estabelecimento eficiente da comunicação e a sua contínua manutenção entre um dispositivo e a rede. Esta dissertação descreve o procedimento de gestão de feixe conhecido como estabelecimento inicial de feixe, focando o processo de seleção do melhor par de feixe de transmissão-receção disponível após o uso de técnicas de varrimento de feixe por fim a efetuar medições dos diferentes níveis de potência do sinal recebido. O principal objetivo passa pela conceção de um novo algoritmo de estabelecimento de par de feixes baseado em estimações de ângulo (BSAE), que explora o uso de múltiplos SSBs definidos pelo 3GPP, por forma a maximizar o RSRP no recetor, através do feixe selecionado. Esta otimização é feita usando os sinais de sincronização secundários (SSSs) presentes em cada SSB para efetuar uma estimação de canal no domínio digital (que contém o efeito do processamento analógico). Depois, combinando essas estimações, foi feita uma estimação da matriz do canal de propagação, sem o efeito desse processamento analógico. Finalmente, através da matriz do canal de propagação, foi determinado o ângulo que maximiza o RSRP, e calculado o feixe através do vetor de resposta do agregado. Os resultados obtidos demonstram que o algoritmo proposto atinge melhor desempenho quando comparado com o algoritmo convencional de seleção de par de feixes. Foi feita ainda uma comparação com o caso ótimo, isto é, com o caso em que se conhece completamente o canal e se obtém um ângulo ótimo. Os resultados obtidos pelo algoritmo proposto foram muito próximos do caso ótimo, pelo que é bastante interessante para sistemas práticos 5G mmWave mMIMO, que estejam de acordo com o padrão 3GPP.