[论文解读] Coverage and Rate Analysis for Millimeter Wave Cellular Networks

Tianyang Bai, Robert W. Heath|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2014

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 9

一句话总结

本文提出一种随机几何框架，用于分析毫米波（mmWave）蜂窝网络中的覆盖和速率性能，将视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）基站建模为具有不同路径损耗模型的独立非齐次泊松点过程（Poisson point processes）。关键发现是，尽管存在阻挡，密集的 mmWave 网络仍能通过波束成形和 LOS 链路的有利传播特性，实现与 UHF 系统相当的覆盖性能，同时数据速率显著更高。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) holds promise as a carrier frequency for fifth generation cellular networks. Because mmWave signals are sensitive to blockage, prior models for cellular networks operated in the ultra high frequency (UHF) band do not apply to analyze mmWave cellular networks directly. Leveraging concepts from stochastic geometry, this paper proposes a general framework to evaluate the coverage and rate performance in mmWave cellular networks. Using a distance-dependent line-of-site (LOS) probability function, the locations of the LOS and non-LOS base stations are modeled as two independent non-homogeneous Poisson point processes, to which different path loss laws are applied. Based on the proposed framework, expressions for the signal-to-noise-and-interference ratio (SINR) and rate coverage probability are derived. The mmWave coverage and rate performance are examined as a function of the antenna geometry and base station density. The case of dense networks is further analyzed by applying a simplified system model, in which the LOS region of a user is approximated as a fixed LOS ball. The results show that dense mmWave networks can achieve comparable coverage and much higher data rates than conventional UHF cellular systems, despite the presence of blockages. The results suggest that the cell size to achieve the optimal SINR scales with the average size of the area that is LOS to a user.

研究动机与目标

• 为解决由于 mmWave 网络独特的传播挑战（如阻挡和定向波束成形）导致的缺乏分析框架的问题。
• 将 LOS 和 NLOS 基站建模为具有距离相关 LOS 概率的独立非齐次泊松点过程。
• 在实际的 mmWave 路径损耗模型下，推导出 SIR 和速率覆盖概率的闭式表达式。
• 评估基站密度和波束成形增益对密集 mmWave 部署中网络性能的影响。

提出的方法

• 将 LOS 和 NLOS 基站的位置建模为两个独立的非齐次泊松点过程（PPPs），其中 LOS 概率依赖于用户距离。
• 对 LOS 和 NLOS 链路应用不同的路径损耗定律：LOS 使用自由空间路径损耗（指数为 2），NLOS 使用更高指数（例如 3.86–5.76）并引入阴影衰落。
• 利用随机几何方法，在瑞利衰落和定向波束成形条件下，推导出信号干扰加噪声比（SINR）分布和速率覆盖概率。
• 引入一个简化的系统模型，将 LOS 区域近似为固定半径的球体，以分析密集网络的渐近特性。
• 证明当 LOS 与 NLOS 基站密度比固定时，SIR 分布对相对基站密度不变，从而支持通过简化等效网络模型进行渐近分析。
• 通过假设最大和最小波束成形增益，分别推导 SINR 覆盖概率的下界和上界，以刻画性能极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在阻挡效应，mmWave 网络的覆盖概率如何随基站密度和波束成形增益变化？
• RQ2 距离相关的 LOS 概率对 mmWave 系统网络性能有何影响？
• RQ3 LOS 和 NLOS 链路采用不同路径损耗指数时，如何影响 mmWave 蜂窝网络中的 SINR 和速率覆盖性能？
• RQ4 具有固定 LOS 球体的简化模型能否准确预测密集 mmWave 网络的性能？
• RQ5 当基站密度趋于无穷大时，密集 mmWave 网络的渐近 SINR 性能如何？

主要发现

• 尽管路径损耗更高且存在阻挡，密集 mmWave 网络仍能通过波束成形增益和有利的 LOS 传播特性，实现与传统 UHF 系统相当的覆盖性能。
• 在 LOS 丰富的环境中，mmWave 网络的速率覆盖概率可比 UHF 系统高出一个数量级。
• 当 LOS 链路的路径损耗指数大于 2 时，SINR 覆盖概率存在非零下界，表明性能稳定。
• 当 LOS 路径损耗指数 ≤ 2 时，随着基站密度增加，SINR 覆盖概率的上界以概率收敛于零，表明在特定条件下可能存在性能崩溃。
• 当 LOS 与 NLOS 基站密度比固定时，SIR 分布对相对密度不变，从而可通过简化等效网络模型实现渐近分析。