[论文解读] Coverage in Downlink Heterogeneous mmWave Cellular Networks with User-Centric Small Cell Deployment

Xueyuan Wang, Esma Turgut+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 21被引用 6

一句话总结

本文利用随机几何方法，分析了在用户中心的小基站部署下，K级毫米波异构网络中的下行链路覆盖性能。通过托马斯和马尔滕聚类过程对用户设备（UE）位置进行建模，引入方向波束成形及视 Line-of-Sight（LOS）/非视 Line-of-Sight（NLOS）路径损耗模型，推导出SINR覆盖概率的闭式表达式，结果表明：更紧密的用户聚类和更窄的波束宽度可显著提升系统性能。

ABSTRACT

A K-tier heterogeneous downlink millimeter wave (mmWave) cellular network with user-centric small cell deployments is studied in this paper. In particular, we consider a heterogeneous network model with user equipments (UEs) being distributed according to a Poisson Cluster Process (PCP). Specifically, we address two cluster processes, namely (i) Thomas cluster process, where the UEs are clustered around the base stations (BSs) and the distances between UEs and the BS are modeled as Gaussian distributed, and (ii) Matern cluster process, where the UEs are scattered according to a uniform distribution. In addition, distinguishing features of mmWave communications including directional beamforming and a sophisticated path loss model incorporating both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) transmissions, are taken into account. Initially, the complementary cumulative distribution function (CCDF) and probability density function (PDF) of path loss are provided. Subsequently, using tools from stochastic geometry, we derive a general expression for the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) coverage probability. Our results demonstrate that coverage probability can be improved by decreasing the size of UE clusters around BSs, decreasing the beamwidth of the main lobe, or increasing the main lobe directivity gain. Moreover, interference has noticeable influence on the coverage performance of our model. We also show that better coverage performance is achieved in the presence of clustered users compared to the case in which the users are distributed according to a Poisson Point Process (PPP).

研究动机与目标

• 为毫米波网络中的用户设备（UE）分布建立更真实的模型，考虑用户在小基站（BS）周围的空间相关性，即UE聚集在小基站附近，而非假设其服从独立的泊松点过程（PPP）分布。
• 分析用户中心小基站部署对毫米波异构网络下行链路覆盖概率的影响，考虑方向波束成形与LOS/NLOS传播特性。
• 推导出具有聚类UE的K级毫米波网络中，信号干扰加噪声比（SINR）覆盖概率的一般性解析表达式。
• 量化波束宽度、波束波束增益及聚类大小在真实毫米波传播条件下对覆盖性能的影响。

提出的方法

• 采用泊松聚类过程——具体为托马斯聚类过程与马尔滕聚类过程——对UE位置进行建模，即UE以小基站为中心，按高斯或均匀分布方式聚集。
• 通过分别建模LOS与NLOS路径损耗分量，引入真实的毫米波传播特性，包括距离相关路径损耗与遮挡效应。
• 应用随机几何工具，推导出干扰的拉普拉斯变换，并利用路径损耗的互补累积分布函数（CCDF）计算SINR覆盖概率。
• 通过计算干扰功率的期望并应用干扰分布的拉普拉斯变换，推导出覆盖概率的闭式表达式。
• 采用D-球近似方法进行遮挡建模，并将波束成形增益与波束宽度的影响整合进干扰与信号功率模型。
• 根据聚类过程类型（托马斯或马尔滕），分别推导LOS与NLOS链路的覆盖概率表达式，以考虑不同距离分布的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在用户中心的小基站部署下，UE在基站周围聚类分布，如何影响毫米波异构网络中的下行SINR覆盖概率？
• RQ2 在采用方向波束成形的毫米波网络中，聚类形状（高斯分布与均匀分布）对覆盖性能有何影响？
• RQ3 波束宽度与波束主瓣增益如何影响用户中心毫米波网络中的覆盖概率？
• RQ4 在具有聚类UE的K级毫米波网络中，来自其他网络层级的干扰在多大程度上会降低覆盖性能？
• RQ5 在真实毫米波传播条件下，与均匀分布的PPP相比，聚类UE部署是否能在覆盖概率方面表现更优？

主要发现

• 当UE在基站周围的聚类尺寸减小时，覆盖概率得以提升，原因在于产生了更强且更可靠的视 Line-of-Sight（LOS）链路，同时干扰减少。
• 更窄的主瓣波束宽度通过减少空间干扰并提升波束方向性，提高了覆盖概率。
• 主瓣波束增益越高，接收端的信号功率越强，从而提升SINR并提高覆盖概率。
• 来自其他网络层级的干扰显著影响覆盖性能，尤其在密集部署场景下，必须精确建模以实现准确的性能评估。
• 与均匀分布的PPP相比，本模型在采用托马斯或马尔滕聚类过程的聚类UE部署下表现出更优的覆盖性能，原因在于传播条件更具可预测性与优势。
• 所推导的覆盖概率表达式为闭式，其形式取决于聚类过程类型、波束参数以及LOS与NLOS链路的路径损耗模型。