[论文解读] Analysis on 60 GHz Wireless Communications with Beamwidth-Dependent Misalignment

Guang Yang, Jinfeng Du+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 18被引用 12

一句话总结

本文分析了具有波束宽度相关失准的60 GHz无线系统，通过非恒定主瓣增益和非零旁瓣的现实天线图样建模，推导出SINR的分布及紧致的上下界，表明波束失准与并发传输干扰对性能有关键影响，波束宽度与抗干扰能力之间存在权衡。

ABSTRACT

High speed wireless access on 60 GHz spectrum relies on high-gain directional antennas to overcome the severe signal attenuation. However, perfect alignment between transmitting and receiving antenna beams is rare in practice and overheard signals from concurrent transmissions may cause significant interference. In this paper we analyze the impact of antenna beam misalignment on the system performance of 60 GHz wireless access. We quantify the signal power loss caused by beam misalignment and the interference power accumulated from neighboring concurrent transmissions whose signals are leaked either via the main-beam pointing in the similar direction or via side-lobe emission, and derive the probability distribution of the signal to interference plus noise power ratio (SINR). For scenarios where interfering transmitters are distributed uniformly at random, we derive upper and lower bounds on the cumulative distribution function (abbreviated as CDF or c.d.f.) of SINR, which can be easily applied to evaluate system performance. We validate our analytical results by simulations where random nodes are uniformly distributed within a circular hall, and evaluate the sensitivity of average throughput and outage probability against two parameters: the half-power (3 dB) beamwidth to main-lobe beamwidth ratio and the beam misalignment deviation to main-lobe beamwidth ratio. Our results indicate that the derived lower bound performs well when the half-power beamwidth to main-lobe beamwidth ratio or the number of concurrent transmission links is small. When the number of active links is high, it is desirable in antenna design to balance the degradation caused by beam misalignment (wider beam is better) and the interference from concurrent transmission (narrower beam is better).

研究动机与目标

• 分析波束失准和现实天线辐射图样对60 GHz无线系统性能的影响。
• 使用3GPP标准建模实际定向天线，包含非恒定主瓣增益和非零旁瓣辐射。
• 量化由于波束失准导致的信号功率损耗，以及通过主瓣和旁瓣泄漏引起的并发传输干扰。
• 在随机节点分布下，推导信号干扰加噪声比（SINR）的概率分布。
• 为SINR的累积分布函数（CDF）建立紧致的上下界，以实现可处理的系统性能评估。

提出的方法

• 采用基于3GPP的现实天线辐射图样模型，施加总辐射功率约束，捕捉非均匀主瓣增益和非零旁瓣电平。
• 引入两个关键归一化参数：半功率波束宽度与主瓣波束宽度之比（η）和波束失准偏差与主瓣波束宽度之比（ρ）。
• 通过建模因失准导致的信号功率退化以及相邻并发链路通过主瓣和旁瓣辐射引起的干扰累积，推导SINR分布。
• 应用两个随机变量乘积的变换技术，推导SINR的概率密度函数（PDF）。
• 利用随机几何与顺序统计方法，为SINR的CDF建立解析上下界，以实现高效性能评估。
• 通过在圆形室内环境中均匀分布节点的蒙特卡洛仿真验证分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有定向天线的60 GHz无线系统中，波束失准如何影响信号功率和干扰水平？
• RQ2 在密集且随机分布的网络中，主瓣波束宽度和旁瓣辐射对SINR分布有何影响？
• RQ3 归一化参数η（主瓣衰减速度）和ρ（失准偏差）如何影响系统性能？
• RQ4 可用于高效性能评估的SINR CDF的最紧致解析边界是什么？
• RQ5 在不同并发链路数量下，平均吞吐量和中断概率如何随波束宽度和失准变化而变化？

主要发现

• 当半功率波束宽度与主瓣波束宽度之比（η）较小时或并发链路数量较低时，所推导的SINR CDF下界表现良好。
• 随着活跃链路数量的增加，较宽的波束可减少失准引起的退化，但会增加干扰，因此波束设计需在两者之间权衡。
• 当ρ < 0.05时，单链路平均吞吐量保持稳定；当ρ趋近于1/6时，退化最高可达30%，表明高对准精度的收益递减。
• 波束失准引起的性能退化在不同主瓣波束宽度（如π/6与π/3）下几乎不变，验证了ρ作为失准影响鲁棒度量的有效性。
• 随着活跃链路数量的增加，窄波束（如θₘ = π/12）的总吞吐量显著高于宽波束（θₘ = π/2），因其干扰更少。
• 当主瓣增益快速衰减时，窄波束链路趋于受限于干扰，而宽波束链路更受限于功率/噪声，凸显η在系统设计中的作用。