Tesi di laurea triennale

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Dipartimento di Ingegneria e Architettura
Tesi di Laurea Triennale in:
INGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA
EXTENDED SUMMARY OF:
Millimeter wave cellular networks: A MAC layer perspective
Laureando : Relatore:
Luca Filippi Prof. Massimiliano Comisso
Anno Accademico 2020/2021
1

2. 2
1-INTRODUZIONE
Le onde millimetriche (mmWave) sono una componente essenziale dei sistemi wireless 5G:
i quali si basano su bande di frequenza elevate e su un’elevata attenuazione del segnale
che mitiga le interferenze. Lo standard 5G è caratterizzato da una forte eterogeneità dello
spettro, e ciò comporta integrazione e coesistenza con gli altri standard di comunicazione.
Tutto questo ci fa capire che l’uso delle mmWave necessita la rivisitazione dell’architettura
e dei protocolli di comunicazione a livello MAC (Media Access Control) per far fronte a
vari problemi di molteplici nature. Nella progettazione sono presenti molti gradi di libertà
che possono essere sfruttati per migliorare le prestazioni in termini di efficienza energetica
e spettrale. La progettazione si basa su tre aspetti fondamentali:
1 l’architettura del canale di controllo: prevede un controllo direzionale at-
traverso un canale fisico omni-direzionale nelle bande di microonde, il quale può
aumentare significativamente le prestazioni del piano di controllo.
2 l’accesso iniziale e la gestione della mobilità e della consegna: per sfrut-
tare i vantaggi del canale di controllo a microonde omni-direzionale e direzionale
mmWave, si usa una procedura di sincronizzazione in due fasi con un protocollo di
accesso iniziale basato su contese, cossiché il canale possa essere incorporato nella
fase di accesso iniziale.
3 l’allocazione delle risorse e la gestione delle interferenze: l’allocazione delle
risorse è un’operazione a fascio lineare che offre molte opzioni per formare celle
diverse e allocare le risorse, semplificando la gestione delle interferenze.
2-FONDAMENTI
Le caratteristiche fondamentali delle reti mmWave sono: basso spread angolare, l’alta fre-
quenza e l’elevata attenuazione ai materiali solidi. La prima prevede che i segnali in arrivo
siano concentrati su angoli stretti, in modo da poter elaborare algoritmi per la stima del
canale e per il beamforming (tecnica di elaborazione per la trasmissione e la ricezione dei
segnali direzionali). La seconda caratteristica prevede lunghezze d’onda molto piccole, pro-
dotte grazie ad un elevato numero di elementi di antenna. Questo comporta un aumento
del guadagno di direttività che compensa in gran parte o addirittura completamente l’e-
levata perdita di percorso, nonostante un prezzo maggiore per l’elaborazione del segnale.
Il canale wireless sfruttato dalle mmWave è di tipo diretto (senza fili) e viene utilizzato
per le comunicazioni che sfruttano un’ampia larghezza di banda compresa tra i 30 e i 300
GHz. Un canale viene stabilito con una direzione specifica, il che comporta la presenza
di due problemi: il blocco e la sordità. Il blocco si riferisce ad un’elevata perdita di pe-
netrazione dovuta ad ostacoli, il suo superamento richiede una ricerca di canali spaziali
diretti alternativi che non siano bloccati. Ma questa ricerca comporta un nuovo overhead
di beamforming, il quale complica la progettazione del MAC mmWave per le reti cellulari
rispetto ad altre tecnologie. La sordità si riferisce alla situazione in cui i raggi principali
del trasmettitore e del ricevitore non puntino l’uno verso l’altro, impedendo la creazione
di un collegamento di comunicazione. Questo problema complica la fase di creazione del

3. 3
collegamento ma riduce sostanzialmente le interferenze, poiché il ricevitore ascolta solo
uno specifico canale spaziale diretto. Questo implica che le reti wireless a microonde siano
limitate dalle interferenze e non applicabili a un sistema mmWave che è già limitato dal
rumore, perché influenzerebbero sia la procedura di accesso iniziale che l’allocazione delle
risorse. Per superare i limiti fisici delle mmWave, i meccanismi MAC potrebbero dover
utilizzare simultaneamente sia le bande a microonde che le mmWave, cosı̀ da facilitare
anche la coesistenza di diversi livelli di comunicazione con copertura diversa, e ciò com-
porta la presenza di due tipi di eterogeneità: di spettro e di distribuzione. La prima fa
sı̀ che si possano utilizzare sia le alte frequenze che garantiscono velocità di trasmissione,
sia le basse frequenze usate per la trasmissione e ricezione omni-direzionale di messaggi di
controllo ad una velocità inferiore, garantendo una maggiore stabilità. La seconda prevede
che celle di varie dimensioni lavoreranno tutte insieme formando reti autonome e integrate.
Nelle reti mmWave si predilige utilizzare una procedura di beamforming ibrido, ovvero di
tipo digitale-analogico a due stadi, che consente l’uso di un numero elevato di antenne con
un numero limitato di catene RF (Radio-Frequenza). Il beamforming analogico fornisce
divisione spaziale e guadagni di direttività, che possono essere utilizzati per compensare
la grave attenuazione del canale, dirigendo il segnale trasmesso verso diversi settori. Inve-
ce, il beamforming digitale può essere utilizzato per ridurre l’interferenza intra-settoriale
utilizzando il CSI (Channel State Information) di un canale efficace con dimensioni molto
più piccole. La complessità del progetto di beamforming ibrido può essere ulteriormente
ridotta, sfruttando la natura a dispersione sparsa dei canali mmWave.
3-CANALE DI CONTROLLO
I canali di controllo sono canali logici mappati su alcuni canali fisici (PHY-CC) per essere
trasmessi tramite un’interfaccia radio, questo implica: che le caratteristiche delle bande
mmWave influenzino le prestazioni del canale di controllo. Questi devono essere affida-
bili perché sono uno strumento essenziale per la sincronizzazione, la ricerca delle celle,
le procedure di beamforming e altre attività, ma per essere realizzati bisogna accettare i
compromessi di ripiego e di direzionalità. Il primo prevede la realizzazione di un PHY-CC
in bande mmWave e si basa su un singolo ricetrasmettitore, cosicchè il canale stabilito sia
soggetto ad alta attenuazione e blocco. Se si usasse un PHY-CC a microonde si semplifi-
cherebbe la trasmissione e la sincronizzazione di rete grazie ad una copertura più ampia
e ad una maggiore stabilità del collegamento, ma ci sarebbe una maggiore complessità
Hardware e un aumento del consumo energetico. Il secondo ci dà la possibilità di scegliere
tra più opzioni per la realizzazione del PHY-CC:
opzione 1→ mmWave omni-direzionale: caratterizzata da un piano di controllo onnipresente
a breve distanza, che facilita la trasmissione all’interno di piccole celle; però cosı̀ il
canale è soggetto a instabilità nel collegamento mmWave, dato che richiede l’uso
di schemi di codifica e modulazione molto robusti. Inoltre i guadagni di direttività
molto elevati dei dati comportano una mancata corrispondenza con le gamme di
trasmissione dei canali di controllo, limitando l’applicabilità di questa opzione.

4. 4
opzione 2→ mmWave semi-direzionali: caratterizzata da un PHY-CC più selettivo nel do-
minio spaziale che aumenta l’efficienza spettrale ed energetica nel piano di controllo.
Questa opzione è utile per il multicasting all’interno di piccole celle; ma il PHY-CC
aumenta la complessità del protocollo per risolvere i problemi di blocco e sordità.
Queste celle possono essere utilizzate per un canale di feedback, come nella richiesta
di ripetizione automatica ibrida (HARQ). Inoltre, risulta vantaggiosa per realizzare
uplink / downlink condivisi e PHY-CC dedicati.
opzione 3→ mmWave completamente direzionali: richiede un allineamento tra BS (Base
Station) e UE (User Equipment), con un uso minimo delle risorse spaziali, rendendo
questa opzione la scelta migliore per il canale di feedback HARQ e per i PHY-CC
condivisi e dedicati di uplink / downlink, dato che si riduce la necessità di un
sovraccarico di allineamento da due (uno per il canale di controllo e uno per il
canale dati) ad uno, migliorando l’efficienza spettrale ed energetica.
Con la prima opzione si ha un raggio di comunicazione più breve, tale che tutti i dispositivi
all’interno possano ricevere i messaggi di controllo senza alcun problema di sordità. Invece
con le altre due opzioni il raggio di trasmissione aumenta, riducendo le interferenze nella
rete a discapito di una ricerca spaziale più complessa che provoca un ritardo aggiuntivo.
4-ACCESSO INIZIALE
L’accesso iniziale è una procedura fondamentale del livello MAC che specifica come uno
UE dovrebbe connettersi alla rete e preservare la sua connettività. La procedura può
essere suddivisa in più momenti, tra i quali la sincronizzazione e la ricerca cellulare. La
sincronizzazione nelle reti mmWave è costituita da 2 fasi:
Fase 1: la macrocella BS trasmette segnali periodici di sincronizzazione, tale che ogni nuova
entità (UE o microcella BS) cercherà di rilevare questi segnali. Una volta rilevati
tutte le entità coinvolte, queste saranno sincronizzate in tempo e frequenza.
Fase 2: le microcelle BS svolgono una ricerca spaziale periodica utilizzando le mmWave
attraverso una trasmissione del segnale pilota, ottenendo cosı̀ le informazioni di
sistema. Questa fase può essere compiuta sia in modalità semi-direzionale che
completamente direzionale, in entrambi i casi la probabilità di collisione diminuisce.
Ogni microcella di una BS per trovare uno UE tipico, divide lo spazio in Ns = d2π/θe
settori non sovrapposti (θ è la larghezza di fascio), ordinati in ordine casuale. Successi-
vamente invia dei segnali pilota di sincronizzazione verso i settori in sequenza (un settore
per epoca). Lo UE dopo aver ricevuto un segnale pilota con un SNR (Signal to Noise Ra-
tio) sufficientemente alto, estrae il DoA1
insieme ad altre informazioni di sistema. Adesso
vediamo le principali differenze tra le varie opzioni viste alla sezione precedente: comin-
ciamo con l’overhead per la ricerca spaziale, con l’opzione 2 è sempre inferiore di circa 1
epoca rispetto all’opzione 3, a discapito di una minore copertura. Quindi se consideriamo
la copertura e l’overhead della ricerca spaziale, l’opzione 3 è la soluzione migliore, anche
1Direction of Arrival, ovvero una tecnica per la stima della frequenza e per la localizzazione della
direzione di provenienza di un segnale.

5. 5
se risulta essere più complessa. Le reti cellulari utilizzano il beamforming solo dopo la
sincronizzazione omni-direzionale e la procedura di ricerca cellulare. L’opzione 1 è una cat-
tiva scelta perché eseguire la ricerca di celle su un PHY-CC omni-direzionale provoca una
mancata corrispondenza tra gli intervalli in cui è possibile stabilire un collegamento con
una velocità dati ragionevole e l’intervallo in cui è possibile rilevare un segnale di sincroniz-
zazione, nonostante un guadagno di direttività nella trasmissione dei dati. Con le opzioni
2 e 3 la ricerca spaziale può causare un ritardo maggiore per l’ottenimento delle informa-
zioni di sistema, ma sono certamente più convenienti rispetto alla prima. Approfondiamo
la differenza tra le ultime due opzioni: supponiamo ci siano nb BS tale che lo UE e tutte
le BS siano a conoscenza delle porzioni tempo-frequenza sulle quali vengono trasmessi i
segnali pilota di sincronizzazione direzionale, attraverso una procedura di sincronizzazione
a due fasi. Supponiamo che il numero di BS nb sia una variabile casuale di Poisson con
media ρ, tale che ρ sia uguale alla densità di LoS2
BS. Calcoliamo la probabilità che lo UE
tipico possa essere trovato dopo ne epoche di trasmissione pilota per la densità arbitraria ρ.
Quindi caratterizziamo ρ come una funzione della potenza di trasmissione e dell’ampiezza
del fascio per entrambe le opzioni. Uno UE può essere trovato solo se c’è almeno una LoS
BS (m ≥ 1), questo accade con probabilità 1 − e−ρ. Definiamo la probabilità congiunta di
scoprire uno UE all’epoca n e di avere m LoS BS:
Pr[ne = n|nb = m, m ≥ 1] = Pm =
1 −
n − 1
Ns
m
−
1 −
n
Ns
m
e−ρ
1 − e−ρ
ρm
m!
, ∀m, n ≥ 1
Da questa formula si ricava la probabilità di scoprire uno UE all’epoca n:
Pr[ne = n|m ≥ 1] =
∞
X
m=1
Pm =
∞
X
m=1
1 −
n − 1
Ns
m
1 −
n
Ns
m
e−ρ
1 − e−ρ
ρm
m!
=
e−ρ
1 − e−ρ
( ∞
X
m=1
1 − (n − 1)/Ns
ρ
m
m!
−
∞
X
m=1
1 − n/Ns
ρ
m
m!
)
= ∗1
Sostituiamo il contenuto al numeratore della prima e della seconda sommatoria rispettiva-
mente con xme ad ym, in modo da ricondurci ad una serie nota:
∗1
=
e−ρ
1 − e−ρ
∞
X
m=1
xm
m!
−
∞
X
m=1
ym
m!
=
e−ρ
1 − e−ρ
−1 + ex
+ 1 − ey
=
e−ρ
1 − e−ρ
e
1−(n−1)/Ns
ρ
− e
1−n/Ns
ρ
= e−nρ/Ns
eρ/Ns − 1
1 − e−ρ
Ora calcoliamo il numero di tentativi di trasmissione necessari per trovare uno UE:
Nd =
Ns
X
n=1
nPr[ne = n|m ≥ 1] =
eρ/Ns
− 1
1 − e−ρ
Ns
X
n=1
ne−nρ/Ns
= ∗2
2Line of Sight, ovvero un percorso ottico in linea retta fra un dispositivo trasmettitore ed uno ricevitore.

6. 6
Facciamo un cambio di variabile z = ρ/Ns, per ricondurci ad una serie conosciuta:
Ns
X
n=1
ne−zn
=
e−Nsz(e(Ns+1)z − (Ns + 1)ez + Ns)
(ez − 1)2
=
eρ+ρ/Ns
− (Ns + 1)eρ/Ns
+ Ns
eρ(eρ/Ns − 1)2
⇒ ∗2
=
eρ/Ns
− 1
1 − e−ρ
eρ+ρ/Ns
− (Ns + 1)eρ/Ns
+ Ns
eρ(eρ/Ns − 1)2
=
eρ+ρ/Ns
− (Ns + 1)eρ/Ns
+ Ns
(eρ − 1)(eρ/Ns − 1)
A questo punto possiamo calcolare anche la probabilità di trovare uno UE entro l epoche :
Pl =
l
X
n=1
Pr[ne = n|m ≥ 1] =
eρ/Ns
− 1
1 − e−ρ
l
X
n=1
e−nρ/Ns
=
eρ/Ns
− 1
1 − e−ρ
e−lρ/Ns
(elρ/Ns
− 1)
eρ/Ns − 1
=
1 − e−lρ/Ns
1 − e−ρ
=
eρ − eρ−lρ/Ns
eρ − 1
Un’altra delle differenze riguarda la distanza massima dmax tra una LoS BS e uno UE: è
caratterizzata da guadagno di direttività costante per tutti gli angoli nel lobo principale
pari a [2π − (2π − θ)]/θ ( molto piccolo). Per calcolare dmax definiamo alcune variabili:
l’esponente di perdita α 2, la lunghezza d’onda λ, la potenza di trasmissione del segnale
pilota p, la potenza del rumore σ e lo SNR minimo richiesto al ricevitore β, tale che:
dmax=









λ
4π
p(2π−(2π−θ))
σβθ
1/α
→ λ
4π
2πp
σβθ
1/α
semi − direzionale
λ
4π
p(2π−(2π−θ))2
σβθ2
1/α
→ λ
4π
4π2
p
σβθ2
1/α
completamente direzionale

7. 7
La Fig. 1 mette in evidenza che con un numero piccolo di LoS BS per metro quadro
m la larghezza del fascio θ è un fattore assai cruciale per determinare il numero di epoche
necessarie per scoprire uno UE. Infatti è presente nella seconda formula presentata (at-
traverso Ns), mentre si può notare che il fattore di perdita α ha un’influenza minore sul
risultato. È altrettanto evidente che per m più grandi il numero di epoche necessarie per
scoprire uno UE è molto simile indipendentemente dall’opzione scelta e dai valori di θ e α.
5-INTERFERENZE
Nelle reti mmWave si possono studiare quattro diversi tipi d’interferenza:
1 Interferenza intra-cella: è dovuta ad uno UE all’interno di un gruppo, può essere
mitigata attraverso una corretta pianificazione e progettazione del beamforming.
Per la gestione verrà utilizzata una tecnica a fascio di matita che facilita la gestione
delle interferenze grazie all’ortogonalità spaziale dei canali diretti e fornisce un
elevato numero di gradi di libertà per formare celle diverse e allocare le risorse.
2 Interferenza intra-gruppo: avviene tra UE all’interno di un gruppo e può essere
mitigata attraverso tecniche simili viste nel punto precedente.
3 Interferenza tra celle: si verifica tra più celle che utilizzano lo stesso blocco
di risorse presente in celle adiacenti e viene gestita grazie ad una pianificazione
basata su blocchi di risorse tempo-frequenza-spazio e ad una progettazione con
beamforming analogico sul trasmettitore
4 Interferenza tra gli stati: é un fenomeno più grave rispetto agli altri che accade
fra diversi stati, perciò richiede un’attenta progettazione dei segnali pilota e dei
messaggi di controllo, per evitare un utilizzo inefficiente delle risorse disponibili.
6-CONCLUSIONE
Le comunicazioni attraverso l’uso delle onde millimetriche utilizzate nelle reti cellulari 5G
offrono un miglioramento importante in termini di efficienza energetica e spettrale dell’area.
Le caratteristiche principali di un sistema mmWave sono l’attenuazione molto elevata, la
vulnerabilità agli ostacoli, l’elevato livello di direzionalità e le interferenze limitate. Esisto-
no molteplici opzioni e vincoli che possono influenzare i gradi di libertà delle reti cellulari
a onde millimetriche e che quindi richiedono delle modifiche importanti a livello MAC.
La sintesi illustrata in questa tesi si è concentrata principalmente sull’analisi delle diverse
opzioni per la realizzazione di un PHY-CC, questo argomento richiede ancora diversi stu-
di per poter stabilire con certezza quale sia effettivamente l’opzione più conveniente. La
complessità di progettazione per la realizzazione delle reti mmWave spinge l’uomo verso
obiettivi sempre più grandi, come ad esempio il beamforming completamente digitale.
Nota bibliografica: H. Shokri-Ghadikolaei, C. Fischione, G. Fodor, P. Popovski, and M. Zorzi, “Millimeter wave
cellular networks: A MAC layer perspective,” IEEE Trans. Commun., vol. 63, no.10, pp. 3437–3458, Oct. 2015.