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Beam management and resource allocation for 5G-and-beyond millimeter-wave cellular networks
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-27
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03002
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1008390/files/1008390.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
5G-and-beyond (frei) ; beam management (frei) ; cellular networks (frei) ; millimeter-wave (frei) ; resource allocation (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Der ständig wachsende Bedarf an mobilen Daten und Nutzern stellt die Mobilfunknetze vor nie dagewesene Herausforderungen. Um den Kapazitätsanforderungen gerecht zu werden, müssen die Netze der nächsten Generation heterogene Funkzugangstechnologien und neue Spektrumsmöglichkeiten jenseits der derzeitigen Sub-6 GHz-Bänder erkunden. Ein Beispiel hierfür sind die frequenzreichen Millimeterwellenbänder für den 5G-NR-Betrieb im Frequenzbereich 2 (FR2), die eine große Bandbreite für kommerzielle lizenzierte und unlizenzierte Anwendungen und Datenraten von mehreren Gigabit pro Sekunde (Gbps) bieten. Die laufenden Bemühungen um die Entwicklung und den Betrieb von 5G-NR FR2-Netzen sind mit vielen praktischen Herausforderungen verbunden, die seit ihrer Einführung im Release 15 im Jahr 2017 eine umfassende Umsetzung behindert haben. Diese Arbeit befasst sich mit zwei Schlüsselfaktoren für 5G und darüberhinausgehenden FR2-Mobilfunknetzen, nämlich Strahlenmanagement und Ressourcenzuweisung. Das Strahlenmanagement ist für die Bereitstellung einer robusten Multi-Gbps-Konnektivität durch direktionale Strahlenformung und die Überwindung der Auswirkungen von Signaldämpfung, dynamischen Blockaden und einer fehlerhaften Strahlenausrichtung von wesentlicher Bedeutung. Die Ressourcenzuweisung ist für die effiziente Nutzung breitbandiger Kanäle und die Unterstützung verschiedener Strahlenformungs-, Multiplexing- und Frequenzbandkonfigurationen unerlässlich. Die effiziente und gemeinsame Nutzung der Netzkapazität in 5G und darüber hinausgehenden FR2-Netzen unterscheidet sich daher grundlegend von aktuellen FR1-Netzen im Sub-6 GHz-Bereich und erfordert dementsprechend neue Ansätze, die Strahlenmanagement und Ressourcenzuweisung gemeinsam berücksichtigen. Mit den folgenden Beiträgen gehen wir die gestellten Herausforderungen an. (1) Wir führen zwei groß angelegte Outdoor-mm-Wellen-Phased-Antenna-Array-Messkampagnen durch, die insgesamt über 421.000 Einzelmessungen in Aachen bzw. über 50.000 Einzelmessungen in Langenfeld umfassen. Unsere Messauswertung zeigt eine begrenzte Anzahl von 2–8 Strahlenpaar-Verbindung (Beam Pair Link - BPL) Möglichkeiten pro Position und signifikante Einbußen bei der erreichbaren Datenrate für kleine Fehlausrichtungen in der Größenordnung der Strahlbreite und große und unregelmäßige Variationen für große Fehlausrichtungen aufgrund der unregelmäßigen phasengesteuerten Antennenfeldmuster. (2) Wir zeigen, dass die derzeitigen Algorithmen zur mm-Wellen-Strahlensteuerung, getestet unter Verwendung von Outdoor-Messungen mit phasengesteuerten Antennengruppen, bei weitem nicht optimal und schlechter als bisher berichtet abschneiden. Dies lässt darauf schließen, dass robustere Ansätze entwickelt werden müssen, die sich intelligent an den standortspezifischen mm-Wellen-Kanal und die realen Eigenschaften von kommerziell nutzbaren phasengesteuerten Antennengruppen anpassen. (3) Wir zeigen, dass statistische mm-Wellen-Modelle nicht in der Lage sind, die räumliche und winkelmäßige Verteilung der realisierbaren BPL-Möglichkeiten vollständig zu erfassen. Es wird gezeigt, dass Ray-Tracing als alternativer deterministischer Kanalmodellierungsansatz in der Lage ist, zuverlässige Kanaldaten zu liefern. Dafür ist es entscheidend, die realen codebuchbasierten Antennenmuster genau zu modellieren, während ein geringer Aufwand für die Modellierung der standortspezifischen 3D-Umgebung ausreichend ist. (4) Wir schlagen flexRLM vor, ein 5G-NR-kompatibles flexibles Framework für gemeinsames Strahlenmanagement und Lastausgleich, und demonstrieren seine überlegene Leistung gegenüber default 5G-NR in Bezug auf Verbindungsqualität und -stabilität, Handover-Verzögerungen und Lastausgleich. Um eine detaillierte Validierung zu ermöglichen, entwickeln wir das erste vollständige 5G-NR Strahlenmanagement-Simulationsframework in ns-3, das die gesamte Downlink Strahlenmanagement-Kontrolle einschließlich des initialen Zugangs, der Funkverbindungsüberwachung, der Handover-Koordination und der Erkennung und Wiederherstellung von Funkverbindungsausfällen implementiert. Unsere End-to-End-Netzstudie zeigt, dass die standortspezifischen mm-Wellen-Kanalvariationen auf der 5G-NR-Netzseite durch agilere Strahlenmanagementansätze wie flexRLM überwunden werden können. (5) Wir schlagen IABA vor, eine 5G-NR-konforme, interferenzbewusste Ressourcenzuweisung, die Interferenzunterdrückung und räumliche BPL-Zuweisung für das Interferenzmanagement in 5G-Mehrbenutzer- und darüber hinausgehenden FR2-Netzen gemeinsam berücksichtigt. Wir zeigen, dass IABA unter verschiedenen Codebuch-basierten und hybriden Strahlenformungs-Netzwerkkonfigurationen deutlich besser abschneidet als default 5G-NR. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer zusätzlichen Interferenzminderung durch räumliche BPL-Zuweisung, die die alleinige Berücksichtigung der Interferenzunterdrückung in praktischen 5G und darüberhinausgehenden FR2-Netzen übersteigt.The ever-growing mobile data and user demands are creating unprecedented challenges for cellular networks. To meet the capacity demands, next generation networks need to explore heterogeneous radio access technologies and new spectrum opportunities beyond the current sub-6 GHz bands. An example of this are the spectrum-rich millimeter-wave (mm-wave) bands for 5G new radio (NR) operation in frequency range 2 (FR2), offering large bandwidth for commercial licensed and unlicensed deployments and several gigabits per second (Gbps) data rates. Ongoing efforts on the design and operation of 5G-NR FR2 networks come with many practical challenges, which have hindered widespread adoption since their introduction in the first 5G-NR Release 15 in 2017. This thesis addresses two key enablers of 5G-and-beyond FR2 cellular networks, namely beam management and resource allocation. Beam management is essential for providing robust multi-Gbps connectivity via directional beamforming and overcoming the effects of signal attenuation, dynamic blockages and beam misalignment. Resource allocation is essential for efficient use of the wider channels and the support of different beamforming, multiplexing and frequency band configurations. Efficiently sharing the network capacity in 5G-and-beyond FR2 is thus fundamentally different from current sub-6 GHz FR1 networks, and accordingly requires new approaches that jointly consider beam management and resource allocation.We address the posed challenges with the following contributions. (1) We conduct two large-scale outdoor mm-wave phased antenna array measurement campaigns, totaling over 421,000 individual measurements in Aachen and over 50,000 in Langenfeld, respectively. Our measurement evaluation reveals a limited number of 2–8 beam pair link (BPL) opportunities per position, and significant losses in the achievable data rate for small-scale misalignment in the order of the beamwidth, and large and irregular variations for large-scale misalignment due to the irregular phased antenna array patterns. (2) We demonstrate that current mm-wave beamsteering algorithms, when tested using outdoor phased antenna array measurements, perform far from optimal and worse than originally reported, suggesting that more robust approaches must be designed that intelligently adapt to the site-specific mm-wave channel and the real characteristics of commercially-viable phased antenna arrays. (3) We show that mm-wave statistical channel models are not able to fully capture the spatial and angular distribution of the feasible BPL opportunities. Ray-tracing, as an alternative deterministic channel modeling approach, is shown to be able to provide reliable channel data, for which it is crucial to accurately model the real codebook-based antenna patterns, whereas a basic effort is sufficient for modeling the site-specific 3D environment. (4) We propose flexRLM, a 5G-NR-compliant flexible framework for joint beam management and load-balancing, and demonstrate its superior performance over default 5G-NR in terms of link quality and stability, handover delays and load-balancing. To enable detailed validation, we develop the first full-stack 5G-NR beam management simulation framework in ns-3, which implements the full downlink beam management control including initial access, radio link monitoring, handover coordination and radio link failure detection and recovery. Our end-to-end networking study demonstrates that the site-specific mm-wave channel variations can be overcome on the 5G-NR network side via more agile beam management approaches such as flexRLM. (5) We propose IABA, a 5G-NR-compliant interference-aware resource allocation that jointly considers interference cancellation and spatial BPL allocation for interference management in multi-user 5G-and-beyond FR2 networks. We show that IABA significantly outperforms default 5G-NR under various codebook-based and hybrid beamforming network configurations, highlighting the need for additional interference mitigation via spatial BPL allocation beyond solely considering interference cancellation in practical 5G-and-beyond FR2 networks.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030979724
Interne Identnummern
RWTH-2025-03002
Datensatz-ID: 1008390
Beteiligte Länder
Germany
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