Uplink control information (UCI) coverage comparison for 6G signalling

Abstract

Uplink control information (UCI) plays an important role in wireless communication systems as it provides valuable feedback of the received physical downlink shared channel (PDSCH) transmissions and propagation channel. However, its implementation introduces several physical layer logical complexities and can have limitations for extensions in the late phase of 6G development. Therefore, it is beneficial to improve the implementation of uplink control information for 6G.

To solve the problem of complex implementation, this master’s thesis investigates a new method for transmitting uplink control information for 6G. In current 5G systems, UCI is transmitted as layer 1 (L1) signal on physical uplink control channel (PUCCH) or multiplexed with user data on physical uplink shared channel (PUSCH). The new method that this thesis studies is transmitting UCI on PUSCH via medium access control (MAC) layer’s control element (MAC CE). The purpose is to compare the coverage of the new method with UCI transmission on PUCCH, examine the coverage differences and explore some possibilities for optimizing the new method to achieve similar coverage.

A MATLAB code-based simulator is used to carry out the coverage simulations. The simulations are performed on various UCI payload sizes to get a view on the whole UCI payload range. The first simulations are performed on 4 GHz carrier frequency to establish the basis for the comparison. Subsequent simulations are executed on potential new 6G frequencies, followed by simulations where parameters such as UE velocity and antenna array size are varied. These parameters are modified to assess their impact on the coverage and to identify potential improvements for the new UCI transmission method.

The simulation results indicate that from coverage viewpoint for smaller UCI payloads, the UCI should remain to be transmitted on PUCCH as the coverage will degrade if UCI is moved to be transmitted on PUSCH via MAC CE. However, for larger payload sizes or when some enhancements such as channel specific beamwidths with larger antenna array size are implemented, UCI could be moved to be transmitted on PUSCH via MAC CE. While this new method of transmitting UCI simplifies the implementation, it is important to acknowledge the coverage degradation especially at smaller UCI payload sizes.

Nousevan siirtotien kontrolli-informaatio (eng. uplink control information, UCI) on tärkeä osa langatonta tietoliikennettä, sillä se antaa arvokasta tietoa fyysisen laskevan siirtotien jaetun kanavan (eng. physical downlink shared channel, PDSCH) lähetyksistä sekä signaalin etenemiskanavasta. Sen toteutus on kuitenkin kompleksinen ja se voi aiheuttaa rajoituksia 6G-kehityksen myöhäisessä vaiheessa. Tästä syystä on hyödyllistä parantaa UCI:n toteutusta 6G:tä varten.

Monimutkaisen toteutuksen haasteen ratkaisemiseksi tämä diplomityö tutkii uutta tapaa lähettää nousevan siirtotien kontrolli-informaatiota 6G:tä varten. Nykyisessä 5Gsysteemissä UCI voidaan lähettää ensimmäisen kerroksen (eng. layer 1, L1) signaalina fyysisessä nousevan siirtotien kontrollikanavassa (eng. physical uplink control channel, PUCCH) tai multipleksattuna käyttäjädatan kanssa fyysisessä nousevan siirtotien jaetussa kanavassa (eng. physical uplink shared channel, PUSCH). Uusi menetelmä, jota tämä työ tutkii, on lähettää UCI PUSCH:n mukana MAC-tason kontrollielementtinä. Tarkoituksena on verrata uuden menetelmän ja UCI:n lähetyksen PUCCH:n mukana peittoalueita keskenään, tarkastella, kuinka paljon peittoalueet eroavat ja tutkia mahdollisuuksia parantaa uutta menetelmää samanlaisen peittoalueen saamiseksi.

MATLAB-koodi-pohjaista simulaattoria käytetään peittoalueen simuloinnissa. Simulaatioita ajetaan erikokoisille UCI:n hyötykuormille, jotta saadaan kattava kuva koko hyötykuorma-alueesta. Ensimmäiset simulaatiot ajetaan 4 GHz:n taajuudella, jotta saadaan pohja vertailulle. Seuraavat simulaatiot ajetaan mahdollisilla uusilla 6G:n taajuuksilla, ja myöhemmät simulaatiot muuttavat parametreja kuten matkaviestintälaitteen (eng. user equipment, UE) nopeutta ja antenniryhmän kokoa. Näitä parametreja muutetaan, jotta voidaan arvioida niiden vaikutus peittoalueeseen ja tunnistaa mahdollisia parannuskeinoja uudelle lähetysmenetelmälle.

Simulaatiotulosten perusteella ja peittoalueen näkökulmasta todettiin, että pienemmät UCI:n hyötykuormat tulisi jäädä lähetettäväksi PUCCH:ssä, sillä peittoalue heikkenee, jos UCI siirretään lähetettäväksi PUSCH:ssa MAC-tason kontrollielementtinä. Kuitenkin suuremmille hyötykuormille tai jos joitain parannusmenetelmiä kuten kanavakohtaisia keilan leveyksiä isomman antenniryhmäkoon kanssa on käytössä, UCI voitaisiin siirtää lähetettäväksi PUSCH:ssa MAC-tason kontrollielementtinä. Vaikka UCI:n lähettäminen PUSCH:ssa MAC-tason kontrollielementtinä yksinkertaistaa toteutusta, on hyvä huomata peittoalueen heikkeneminen erityisesti pienemmillä UCI:n hyötykuorman koilla.