Vantaggi delle tecnologie che utilizzano il beamforming digitale.

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Dipartimento di Ingegneria e Architettura
Corso di Studi in Ingegneria elettronica ed informatica
Curriculum informatica
ACCESSO INIZIALE NEI SISTEMI A
ONDE MILLIMETRICHE
Tesi di Laurea Triennale
Laureando: Relatore:
Nicolò La Mura prof. Massimiliano Comisso
_________________________
ANNO ACCADEMICO 2019/2020

2. Nicolò La Mura
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1 – INTRODUZIONE
Le bande di onde millimetriche (mmWave) hanno riscontrato notevole interesse per i
sistemi cellulare di nuova generazione grazie all’enorme spettro disponibile. L’accesso
iniziale, ossia la procedura con cui un dispositivo mobile stabilisce una connessione
con una cella, prevede un meccanismo in base al quale è possibile cercare le direzioni
di trasmissioni iniziali in uno spazio angolare potenzialmente ampio. La
comunicazione mmWave si basa su trasmissioni direzionali ed esistono molteplici
opzioni di progettazione che differiscono per: ritardo di accesso, sovraccarico del
sistema, struttura del canale e accesso multiplo. I risultati dell’analisi1
dimostrano che
le architetture digitali hanno dei vantaggi rispetto alle architetture analogiche che
utilizzano la tecnologia beamforming (BF), che è la tecnica di elaborazione del segnale
utilizzata negli array di sensori per la trasmissione/ricezione del segnale direzionale.
Le bande delle mmWave differiscono dagli altri sistemi, in quanto possiedono
frequenze maggiori di 10 GHz e negli ultimi anni sono diventate la nuova frontiera per
le comunicazioni cellulari senza fili. Uno dei principali obiettivi di questi sistemi è di
ridurre il più possibile la latenza, impedendo che la ricerca angolare impieghi troppo
tempo. Sono state valutate diverse opzioni di progettazione per l’accesso iniziale
mmWave che tengono in considerazione diversi problemi di questa tecnologia come:
l’intermittenza dei collegamenti in quanto molto suscettibili alle ombre, copertura che
potrebbe essere irregolare per via delle celle di piccole dimensioni e infine una
maggiore modalità di inattività in quanto, per via delle alte frequenze e delle larghe
ampiezze di banda, il consumo della batteria risulta essere un problema considerevole.
Queste opzioni di progettazione vengono poi confrontate considerando il ritardo
complessivo del sistema che differiscono, in prima approssimazione, per l’uso del BF
analogico e digitale.
2 – OPZIONI DI PROGETTAZIONE PER L’ACCESSO INIZIALE
La procedura di accesso iniziale per i sistemi mmWave prevede diverse fasi:
• Il rilevamento del segnale di sincronizzazione
• La trasmissione del preambolo (RA)
• La risposta ad accesso casuale (RAR)
• La richiesta di connessione
• La comunicazione programmata
Si è assunto che la sincronizzazione e i segnali ad accesso casuale vengano trasmessi
in forme d’onda a banda stretta con intervalli che si verificano periodicamente. Per
motivi di semplicità, la periodicità, la lunghezza e la larghezza di banda del segnale
vengono considerate uguali per entrambe le fasi e si farà riferimento a loro con i
seguenti simboli: 𝑇𝑝𝑒𝑟, 𝑇𝑠𝑖𝑔, 𝑊𝑠𝑖𝑔. Il segnale di sincronizzazione viene trasmesso
periodicamente una volta ogni 𝑇𝑝𝑒𝑟,𝑠𝑦𝑛𝑐 secondi per una durata di 𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐 in ogni

3. Accesso iniziale nei sistemi cellulari a onde millimetriche
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trasmissione. Si è supposto che gli slot dell’accesso casuale siano collocati una volta
ogni 𝑇𝑝𝑒𝑟,𝑅𝐴 secondi, i segnali ad accesso casuale siano di lunghezza 𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑅𝐴 e che sia
la sincronizzazione sia i segnali ad accesso casuale siano considerati a banda stretta
con larghezze di banda 𝑊𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐 e 𝑊𝑠𝑖𝑔,𝑅𝐴. La procedura di accesso iniziale per le
mmWave si differenzia da quella utilizzata nell’LTE in quanto deve includere un
metodo con cui la stazione base (BS) e il dispositivo mobile (UE) possano apprendere
le direzioni di comunicazione. Si considerano due opzioni di trasmissione del segnale
di sincronizzazione: omnidirezionale fissa oppure eseguendo una scansione
sequenziale con trasmissioni direzionali. Per analizzare le diverse opzioni di
progettazione proposte nell’articolo, bisogna quantificare il tempo necessario per
rilevare la sincronizzazione in funzione dell’SNR (rapporto segnale/rumore). Può
essere applicato un modello per analizzare sia la sincronizzazione sia la fase di accesso
casuale. Si suppone un trasmettitore TX che trasmette ripetutamente un segnale ogni
𝑇𝑝𝑒𝑟 secondi e si assume che ogni trasmissione consista di 𝑁𝑑𝑖𝑣 sottosegnali trasmessi
in diverse frequenze e che sia i sottosegnali che le loro posizioni siano note al
ricevitore. Si presume che i segnali secondari siano limitati da alcune piccole regioni
tempo-frequenza di dimensione 𝑇𝑠𝑖𝑔x 𝑊𝑠𝑖𝑔. L’obiettivo del ricevitore è di rilevare la
presenza, il tempo e l’angolo di arrivo del segnale. Si suppone che il TX e l’RX possano
eseguire solo BF analogico in modo da poter allineare i loro array in una direzione alla
volta e che per determinare il segnale di sincronizzazione, TX e RX passino per L-
coppie di direzioni BF TX-RX. Questi cicli di L-trasmissioni vengono definiti “cicli di
scansione” con durata 𝐿𝑇𝑝𝑒𝑟 secondi. Si indica con 𝑢𝑙 e 𝑣𝑙 i vettori di beamforming RX
e TX applicati durante la l-esima trasmissione, con 𝑙 = 1, … , 𝐿, in ogni ciclo di
scansione. Questi vettori vengono applicati a tutti i sottosegnali di una trasmissione. La
firma spaziale di qualsiasi onda piana su un array lineare è data dalla sovrapposizione
di N direzioni beamspace, ossia le direzioni ortogonali, dove N è il numero di antenne.
Queste direzioni corrispondono alle direzioni di arrivo ad un particolare angolo.
Se TX e RX hanno antenne 𝑁𝑡𝑥 e 𝑁𝑟𝑥, allora il numero L di direzioni da scansionare è
dato da:
• 𝐿 = 𝑁𝑡𝑥 𝑁𝑟𝑥 quando RX e TX scansionano tutte le direzioni beamspace.
• 𝐿 = 𝑁𝑡𝑥 quando solo TX scansiona e RX utilizza un modello di antenna
omnidirezionale.
• 𝐿 = 𝑁𝑟𝑥 quando solo RX scansiona e TX utilizza un modello di antenna
omnidirezionale.
• 𝐿 = 1 quando entrambe RX e TX utilizzano un modello di antenna
omnidirezionale.
TX e RX continuano a ripetere le scansioni di trasmissione fino a quando non viene
rilevato il segnale o alla scadenza della procedura. La dimensione dello spazio angolare
L è direttamente collegata al ritardo del rilevamento del segnale perché e necessario
più tempo per coprire tutte le coppie angolari al crescere di L.

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3 – RILEVAMENTO DEL SEGNALE
Il compito di RX è quello di rilevare la presenza del segnale e di determinare la
direzione della massima energia. Si presume che ogni trasmissione avvenga in uno
spazio con M gradi di libertà ortogonali e sia 𝑠𝑙𝑑 ∊ ℂ 𝑀
la rappresentazione dello spazio
del segnale del d-esimo sottosegnale trasmesso nella l-esima trasmissione, in ciascun
ciclo di scansione, dove 𝑑 = 1, … , 𝑁𝑑𝑖𝑣. Posto M come il numero di gradi di libertà,
vale l’approssimazione M ≈ 𝑇𝑠𝑖𝑔 𝑊𝑠𝑖𝑔 per un sottosegnale.
Si suppone inoltre che RX e TX applichino i vettori di beamforming dove 𝑢𝑙 ∊ ℂ 𝑁 𝑟𝑥 e
𝑣𝑙 ∊ ℂ 𝑁𝑡𝑥 e che il segnale ricevuto possa essere espresso come segue:
𝑟𝑘𝑙𝑑 = 𝑢𝑙
∗
𝐻 𝑘𝑙𝑑 𝑣𝑙 𝑠𝑙𝑑 + 𝑤 𝑘𝑙𝑑 con 𝑤 𝑘𝑙𝑑 ∿ 𝒩(0, 𝜏 𝑘𝑙𝑑 𝐼 𝑀) (1)
dove 𝑟𝑘𝑙𝑑 ∊ ℂ 𝑀
è la rappresentazione del sottosegnale ricevuto dopo il beamforming,
𝐻 𝑘𝑙𝑑 è la matrice complessa del canale e 𝑤 𝑘𝑙𝑑 è il rumore bianco complesso Gaussiano
(WGN). E’ stato ipotizzato che il canale tra TX e RX è un percorso allineato con una
delle L TX-RX direzioni beamspace. Assumendo che le direzioni di beamforming
siano ortonormali si può valutare la presenza o l’assenza del segnale.
L’espressione (1) infatti, posto 𝛿𝑙,𝑙0
= 𝑢𝑙
∗
𝑢𝑙0
𝑣𝑙
∗
𝑣𝑙0
e 𝐻 𝑘𝑙𝑑 = ℎ 𝑘𝑙𝑑 𝑢𝑙0
𝑣𝑙0
∗
dove ℎ 𝑘𝑙𝑑 è il
coefficiente scalare, può essere riscritta come segue:
𝑟𝑘𝑙𝑑 = 𝜓 𝑘𝑑 𝛿𝑙,𝑙0
𝑠𝑙𝑑 + 𝑤 𝑘𝑙𝑑
Si può quindi determinare semplicemente la presenza/assenza del segnale.
𝐻0: 𝜓 𝑘𝑑 = 0 segnale assente
𝐻0: 𝜓 𝑘𝑑 = 1 segnale presente
𝜓 𝑘𝑑 = ℎ 𝑘𝑙0 𝑑 non è altro che il guadagno complesso sul d-esimo sottosegnale nel k-
esimo ciclo di scansione, dove le direzioni del raggio sono perfettamente allineate.
Viene utilizzato il GLRT (Generalized Likelihood Ratio Test) per valutare le due
ipotesi in quanto nell’espressione (1) sono presenti dei parametri sconosciuti.
Indichiamo con 𝑝(𝑟|𝜏, 𝜓, 𝑙0) la probabilità di distribuzione dei dati osservati da un
modello analogo a (1), in cui si è assunto che le direzioni di beamforming fossero
ortonormali, dove 𝑟 = {𝑟𝑘𝑙𝑑} è l’insieme di tutte le misurazioni, 𝜏 = {𝜏 𝑘𝑙𝑑} è l’insieme
dei livelli di rumore, 𝜓 = {𝜓 𝑘𝑙𝑑} è l’insieme dei livelli di segnale.
Si utilizza il test
𝐻̂ = {
𝛬0 − 𝛬1 ≥ 𝑡
𝛬0 − 𝛬1 < 𝑡
dove 𝑡 è una soglia.
Nel lavoro proposto viene dimostrato che 𝛬0 − 𝛬1 = 𝑀 ∑ ∑ ln (1 − 𝑝 𝑘𝑙0̂ 𝑑)
𝑁 𝑑𝑖𝑣
𝑑=1
𝐾
𝑘=1
Dove 𝑙0
̂ = 𝑎𝑟𝑔 min
𝑙=1,…,𝐿
∑ ∑ ln (1 − 𝑝 𝑘𝑙𝑑)
𝑁 𝑑𝑖𝑣
𝑑=1
𝐾
𝑘=1 è la direzione ottimale di beamspace.
Il BF digitale è vantaggioso in quanto ottiene velocemente in ogni istante, molte
misurazioni di potenza, pagando però il prezzo di un maggiore consumo.

5. Accesso iniziale nei sistemi cellulari a onde millimetriche
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4 – ANALISI DI LATENZA
L’obiettivo della ricerca è di determinare il ritardo di sincronizzazione e di rilevamento
del preambolo (RA) in quanto compongono la latenza complessiva per l’accesso
iniziale che viene definito ritardo di accesso. Si desidera trovare un modello che
presenti il minor ritardo di accesso, in modo da raggiungere un throughput molto
elevato che permetterebbe un maggiore trasferimento di dati, come prevede la
tecnologia 5G. Nel lavoro viene effettuata un’analisi teorica che mette in relazione il
ritardo delle diverse opzioni di progettazione e il vantaggio del beamforming. Nella
fase di sincronizzazione, dove sia UE che BS non conoscono le direzioni corrette, si
suppone che il sistema di accesso iniziale bersagli tutte le UE il cui SNR è maggiore di
𝛾𝑡𝑔𝑡. La soglia è quindi 𝛾𝑡𝑔𝑡 =
𝑃𝐺 𝑟𝑥 𝐺𝑡𝑥
𝑁0 𝑊𝑡𝑜𝑡
dove: P è il ricevitore di potenza
omnidirezionale, 𝑊𝑡𝑜𝑡 è la totale larghezza di banda disponibile nella modalità di
connessione, 𝐺𝑟𝑥 e 𝐺𝑡𝑥 sono i massimi guadagni di antenna. Con 𝛾𝑠𝑖𝑔 viene indicato il
minimo SNR accumulato sul segnale di sincronizzazione, richiesto per il rilevamento
affidabile. In tutte le opzioni di progettazioni analizzate nell’articolo, durante la fase di
sincronizzazione, l’UE scansiona lo spazio con fasci allineati. Se 𝐺𝑡𝑥 è il massimo
guadagno dell’antenna TX, si indica con 𝐺𝑡𝑥
𝑠𝑦𝑛𝑐
il medesimo guadagno durante la
sincronizzazione, che varrà: 1 per trasmissioni omnidirezionali e 𝐺𝑡𝑥 per quelle
direzionali. Per ottenere un rilevamento affidabile dopo K cicli di scansione serve la
condizione
𝐾𝑃𝑇 𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐 𝐺 𝑟𝑥 𝐺𝑡𝑥
𝑠𝑦𝑛𝑐
𝑁0
≥ 𝛾𝑠𝑖𝑔 dove 𝑃𝑇𝑠𝑖𝑔 𝐺𝑟𝑥 𝐺𝑡𝑥
𝑠𝑦𝑛𝑐
è l’energia ricevuta dal
segnale di sincronizzazione nel momento in cui i fasci sono correttamente allineati.
Ogni trasmissione di sincronizzazione riceve infatti un’energia omnidirezionale pari a
𝑃𝑇𝑠𝑖𝑔. Il ritardo di sincronizzazione 𝐷𝑠𝑦𝑛𝑐 può essere limitato come segue:
𝐷𝑠𝑦𝑛𝑐 ≥
𝛾 𝑠𝑖𝑔 𝐺 𝑟𝑥 𝐺𝑡𝑥
𝛾𝑡𝑔𝑡 𝑊𝑡𝑜𝑡 𝜙 𝑜𝑣,𝑠𝑦𝑛𝑐
dove 𝜙 𝑜𝑣,𝑠𝑦𝑛𝑐 =
𝑇 𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐
𝑇𝑝𝑒𝑟,𝑠𝑦𝑛𝑐
non è altro che l’overhead. Questo
vincolo non è detto sia realizzabile poiché potrebbe richiedere una durata del segnale
di sincronizzazione 𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐 molto piccola che comporterebbe difficoltà nello stimare
accuratamente il rumore e la potenza del segnale. Per superare questa difficoltà si è
supposto un tempo minimo per il segnale di sincronizzazione 𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐
𝑚𝑖𝑛
. Un importante
risultato è: 𝐷𝑠𝑦𝑛𝑐 ≥
𝐺 𝑟𝑥
𝜙 𝑜𝑣,𝑠𝑦𝑛𝑐
𝑚𝑎𝑥 {
𝛾 𝑠𝑖𝑔 𝐺𝑡𝑥
𝛾𝑡𝑔𝑡 𝑊𝑡𝑜𝑡
, 𝐺𝑡𝑥
𝑠𝑦𝑛𝑐
𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐
𝑚𝑖𝑛
} che indica il ritardo sotto
BF analogico. Il caso digitale è simile, ma ridotto di un fattore 𝐺𝑟𝑥 in quanto solo il
trasmettitore si occupa di controllare nelle diverse direzioni.
5 – VALUTAZIONE NUMERICA
Per le simulazioni è stato utilizzato il rilevatore GLRT in quanto riesce a rilevare il
segnale Sync/RA per tutti i modelli presentati nel lavoro, nonostante la grandezza dello
spazio angolare e il tempo necessario per coprirlo. Il tempo minimo di sincronizzazione
del segnale considerato è 𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐 = 10𝜇𝑠. Si desidera trovare la correlazione 𝑝 𝑘𝑙𝑑 al

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punto 𝑡 che corrisponda alla probabilità di falso allarme (la probabilità che superi una
certa soglia in assenza di segnale). Finché 𝑝 𝑘𝑙𝑑 ≤ 𝑡, il rilevatore presume di ricevere
solamente rumore, ma se 𝑝 𝑘𝑙𝑑 ≥ 𝑡 il rilevatore riesce a trovare una stima dell’angolo
corretto. Nella Figura 1 viene mostrato il ritardo di sincronizzazione in funzione
dell’overhead. Si possono notare alcuni importanti risultati: per BF analogico, le
trasmissioni omnidirezionali (ODx) offrono migliori prestazioni rispetto a quelle
direzionali (DDx) e la ricezione digitale ODigDig supera significativamente gli altri
schemi per tutti i rapporti di overhead. La curva BF digitale denota l’utilizzo della
quantizzazione a bassa risoluzione per mantenere costante il consumo di energia
mentre il guadagno con BF digitale è dovuto alla sua capacità di guardare in più
direzioni contemporaneamente sfruttando le direzionalità RX e TX. Nella Figura 2 si
riassumono i risultati delle simulazioni RA. Si può notare come l’RX digitale sia
sempre la scelta migliore per ottenere bassi sia l’overhead sia il ritardo. L’overhead è
stato calcolato assumendo che per la durata di 𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑅𝐴
𝑚𝑖𝑛
, la BS si aspetta di ricevere
solamente richieste RA. Utilizzando il BF digitale, BS può ricevere sia RA sia dati
nello stesso tempo; ciò riduce l’overhead e aumenta ancora di più i vantaggi
dell’utilizzo BF digitale. Le alte prestazioni e il basso overhead comportano una grande
complessità e un grande consumo di energia.
Fig.1 Ritardo di sincronizzazione in ms rispetto all'overhead del segnale per il minimo segnale Sync
di durata 𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑠𝑦𝑛𝑐
𝑚𝑖𝑛
= 10 μs.

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Fig.2 Ritardo RA in ms rispetto all’overhead del segnale per il minimo segnale RA di durata
𝑇𝑠𝑖𝑔,𝑅𝐴
𝑚𝑖𝑛
= 10 𝜇𝑠.
6 – CONCLUSIONI
L’obiettivo per l’accesso iniziale, utilizzato nella tecnologia mmWave, è fare in modo
che BS e UE si scoprano a vicenda e successivamente determinare le direzioni iniziali
di comunicazione. L’analisi effettuata ha portato diversi risultati:
• Costo della direzionalità: le trasmissioni direzionali possono ritardare l’accesso
iniziale.
• Trasmissione omnidirezionale del segnale di sincronizzazione: quando si
utilizza un segnale di durata non troppo breve, trasmissioni omnidirezionali
possono avere vantaggi significativi.
• Valore del BF digitale: le architetture completamente digitali possono
migliorare notevolmente il ritardo in quanto il ricevitore può guardare
contemporaneamente in tutte le direzioni eliminando così il ritardo della
scansione sequenziale.
Conviene utilizzare i modelli digitali in quanto portano più vantaggi rispetto ai modelli
analogici. Le tecnologie che utilizzano BF digitale offrono infatti miglioramenti
notevoli per la velocità di trasmissione e riducono significativamente la latenza del
piano di controllo ossia il tempo necessario per passare da uno stato di efficienza della
batteria all'inizio del trasferimento dati continuo.