[论文解读] Network Densification in 5G: From the Short-Range Communications Perspective

Junyu Liu, Min Sheng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 3

一句话总结

本文研究了5G超密集网络（UDNs）中短距离信号传播对网络超密集化的影响，提出了一种基于实验验证的短距离传播模型。研究发现，当基站密度超过临界值后，空间资源被耗尽，网络容量反而下降，这挑战了‘更密集的网络性能一定更好’的假设。

ABSTRACT

Besides advanced telecommunications techniques, the most prominent evolution of wireless networks is the densification of network deployment. In particular, the increasing access points/users density and reduced cell size significantly enhance spatial reuse, thereby improving network capacity. Nevertheless, does network ultra-densification and over-deployment always boost the performance of wireless networks? Since the distance from transmitters to receivers is greatly reduced in dense networks, signal is more likely to be propagated from long- to short-range region. Without considering short-range propagation features, conventional understanding of the impact of network densification becomes doubtful. With this regard, it is imperative to reconsider the pros and cons brought by network densification. In this article, we first discuss the short-range propagation features in densely deployed network and verify through experimental results the validity of the proposed short-range propagation model. Considering short-range propagation, we further explore the fundamental impact of network densification on network capacity, aided by which a concrete interpretation of ultra-densification is presented from the network capacity perspective. Meanwhile, as short-range propagation makes interference more complicated and difficult to handle, we discuss possible approaches to further enhance network capacity in ultra-dense wireless networks. Moreover, key challenges are presented to suggest future directions.

研究动机与目标

• 理解短距离信号传播对超密集部署网络性能的影响。
• 识别网络容量因空间资源耗尽而开始退化的临界基站密度。
• 评估干扰管理技术（如NOMA、毫米波、干扰协调）在具有短距离传播特性的超密集网络中的有效性。
• 基于短距离传播条件下的空间吞吐量扩展规律，提出对超密集化的重新解读。
• 突出在高用户和基站密度环境下部署NOMA和毫米波等先进技术的关键挑战。

提出的方法

• 基于密集环境中的实验测量，提出一种短距离信号传播模型。
• 利用真实无线信道测量验证所提模型，确认其在捕捉短距离路径损耗特性方面的准确性。
• 分析短距离传播条件下的空间吞吐量扩展规律，以确定超密集网络的容量极限。
• 在短距离传播条件下，评估干扰管理技术——包括干扰消除、干扰协调、NOMA和毫米波通信——的性能。
• 评估NOMA和毫米波在超密集网络中因干扰功率差异减小和高开销导致的可行性与性能退化。
• 基于空间吞吐量扩展规律推导出临界密度阈值，标志着进一步超密集化将损害网络性能的临界点。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密集无线网络中，短距离信号传播与长距离传播有何不同？
• RQ2 在何种基站密度下，网络容量会因空间资源耗尽而开始退化？
• RQ3 在超密集网络中，传统干扰管理技术（如干扰消除、协调）在短距离传播条件下的表现如何？
• RQ4 在高邻近干扰的超密集网络中，NOMA和毫米波通信的效能还能保持多大程度？
• RQ5 在短距离传播条件下，部署先进无线接入技术在超密集网络中面临哪些关键挑战？

主要发现

• 短距离传播导致路径损耗衰减比长距离传播更平缓，因此需要采用不同的信号建模方法。
• 网络容量不会随超密集化单调增加；当基站密度超过临界值后，空间资源被耗尽，容量反而下降。
• 空间吞吐量扩展规律表明，当基站密度超过临界阈值时，超密集化的优势将丧失，该阈值由短距离传播模型推导得出。
• 由于干扰功率差异减小以及密集部署中空间相关性增加，干扰消除与协调技术的性能下降。
• 由于干扰功率差异缩小以及信道估计与反馈的高开销，NOMA在超密集网络中的性能下降。
• 尽管毫米波通信具有固有的干扰抑制优势，但在UDN中仍面临动态波束成形需求高和定位跟踪开销大的挑战。