On feasibility of the UE power saving signal for the 5G new radio

Abstract. The objective of this thesis is to study and evaluate physical layer signals and channels to achieve the user equipment (UE) power saving in the 3rd generation partnership project (3GPP) new radio (NR). The fifth generation (5G) mobile network has strict objectives regarding power consumption and performance. The UE power consumption also has a big impact on the end user’s quality of experience (QoE) and future deployment of NR devices. Therefore, it is very important to study ways to reduce UE power consumption. One feasible power saving technique is the usage of so-called power saving signal or channel, which triggers the UE to transition to the active mode from the power saving mode. The first part of this work provides an overview of general properties of the NR and its physical downlink signals and channels, as well as the UE operation and power consumption in the connected mode. Then, examples of existing power saving techniques are discussed and a new scheme of the wake-up mechanism and the UE power saving signal/wake-up signal (WUS) is described. Lastly, different design options for the power saving signal are described and their detection performance is studied. The power saving signal options of this thesis can be divided into physical downlink control channel (PDCCH) based and sequence-based signals/channels. In the PDCCH based option, the power saving indication is carried as a payload of the PDCCH. Studied sequence-based options are the secondary synchronization signal (SSS), the PDCCH demodulation reference signal (DMRS), the channel state information reference signal (CSI-RS) and a UE-specific sequence that is mapped to all radio resources allocated for the PDCCH. The detection of the latter is done in time domain, and the detection of the other sequences is done in frequency domain. The detection performance of these signals/channels is compared based on link-level simulation results. Simulations were done with a Matlab-based simulator. They show the impact of the frequency- and time-selectivity and implementation impairments. Based on the numerical results, the impact of the UE speed up to 120 km/h and the carrier frequency offset (CFO) up to 400 Hz can be neglected with all the options except CSI-RS. It was shown that the sequence-based WUS options tend to suffer from the frequency-selective radio channel. By making decisions within the channel’s coherence bandwidth and using precoder cycling, the negative impact of the channel can be reduced. With these techniques, PDCCH DMRS outperforms all the other sequence-based options. However, in terms of detection performance, the PDCCH based power saving signal/channel is the most robust option of this set of candidates.Päätelaitteen virransäästösignaalin soveltuvuus 5G:n uuteen radiorajapintaan. Tiivistelmä. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia ja verrata fyysisen kerroksen signaaleja, päätelaitteen (user equipment, UE) virransäästön toteuttamiseksi 3GPP:n uudessa radiorajapinnassa (New Radio, NR). Viidennen sukupolven (5th generation, 5G) mobiiliverkolla on tiukat tavoitteet virransäästön ja suorituskyvyn osalta. Päätelaitteen virrankulutuksella on myös suuri vaikutus loppukäyttäjän kokemukseen ja tulevien NR-laitteiden käyttöönottoon. Siksi onkin erittäin tärkeää tutkia mahdollisia tapoja vähentää päätelaitteen virrankulutusta. Yksi mahdollinen virransäästötekniikka on niin sanottu virransäästösignaali, joka herättää päätelaitteen virransäästötilasta verkkoyhteyteen. Työn ensimmäinen osa käsittelee NR:n yleisiä ominaisuuksia, alalinkin fyysisiä signaaleja ja kanavia, sekä päätelaitteen virrankulutusta verkkoyhteydessä. Seuraavaksi käsitellään olemassa olevia virransäästötekniikoita, sekä käydään läpi uutta herätys-tyyppistä mekanismia ja päätelaitteen virransäästösignaalin/herätyssignaalin (wake-up signal, WUS) toimintaa. Lopuksi kuvataan erilaisia virransäästösignaalivaihtoehtoja ja tutkitaan niiden havaitsemisen suorituskykyä. Työn virransäästösignaalivaihtoehdot voidaan jakaa alalinkin kontrollikanava- (physical downlink control channel, PDCCH) ja sekvenssipohjaisiin signaaleihin/kanaviin. PDCCH-pohjaisessa vaihtoehdossa virransäästösignaali siirretään PDCCH:n hyötykuormana. Tutkitut sekvenssipohjaiset vaihtoehdot ovat toissijainen synkronointisignaali (secondary synchronization signal, SSS), PDCCH-demodulaatio-referenssisignaali (demodulation reference signal, DMRS), kanavan tilatieto-referenssisignaali (channel-state information reference signal, CSI-RS), sekä UE-spesifinen sekvenssi, joka asetetaan PDCCH:n jokaiseen alikantoaaltoon. Jälkimmäisen havaitseminen tehdään aikatasossa ja muiden sekvenssien havaitseminen tehdään taajuustasossa. Näiden signaalien/kanavien havaitsemisen suorituskykyä vertaillaan linkkitason simulointitulosten perusteella. Simulaatiot tehtiin Matlab-pohjaisella simulaattorilla. Ne esittävät aika- ja taajuusselektiivisyyden, sekä toteutuksen epäideaalisuuksien vaikutusta. Numeeristen tulosten perusteella, UE:n nopeus arvoon 120 km/h ja kantoaaltotaajuussiirto (carrier frequency offset, CFO) 400 Hz:iin asti voidaan jättää huomioimatta, kaikkien muiden paitsi CSI-RS:n tapauksessa. Työssä osoitettiin, että sekvenssipohjaiset WUS-vaihtoehdot kärsivät taajuusselektiivisestä radiokanavasta. Kanavan negatiivista vaikutusta voidaan pienentää tekemällä päätöksiä kanavan koherenssikaistanleveyttä pienemmissä osissa, sekä käyttämällä syklistä esikooderia. Näillä tekniikoilla PDCCH DMRS suoriutuu kaikkia muita sekvenssipohjaisia vaihtoehtoja paremmin. Kuitenkin, havaitsemisen suorituskyvyn perusteella PDCCH-pohjainen virransäästösignaali/kanava on vahvin ehdokas näistä vaihtoehdoista