[论文解读] Max-Min Rates in Self-backhauled Millimeter Wave Cellular Networks
本文提出了一种可处理的解析框架，用于在使用k环城市峡谷模型的自回传毫米波蜂窝网络中，最大化端到端数据速率的最小值。该文推导了在不同配置（如IAB与OAB、半双工/全双工、以及双连接）下的最大-最小速率的闭式表达式，表明在实际负载条件下，OAB通常优于IAB，原因在于其实现更简单且性能相当。
This paper considers the following question for viable wide-area millimeter wave cellular networks. What is the maximum extended coverage area of a single fiber site using multi-hop relaying, while achieving a minimum target per user data rate? We formulate an optimization problem to maximize the minimum end-to-end per user data rate, and exploit unique features of millimeter wave deployments to yield a tractable solution. The mesh network is modeled as a $k-$ring urban-canyon type deployment, where $k$ is the number of hops back to the fiber site. The total number of relays per fiber site grows as $k^2$. We consider both integrated access-backhaul (IAB) and orthogonal access-backhaul (OAB) resource allocation strategies, as well as both half and full duplex base stations (BSs). With a few validated simplifications, our results are given as simple closed-form expressions that are easy to evaluate even for large networks. Several design guidelines are provided, including on the choice of routing and scheduling strategy, the maximum allowable self-interference in full duplex relays and role of dual connectivity to reduce load imbalance across BSs. For example, we show that for certain load conditions there is very little gain to IAB (as considered for 5G) as opposed to tunable OAB (using separate spectrum for access and backhaul links); the latter being significantly simpler to implement.
研究动机与目标
- 确定在保证每个用户最低数据速率的前提下，单个光纤基站可在毫米波蜂窝网络中支持的最大扩展覆盖区域。
- 解决自回传毫米波网络中部署成本（通过多跳中继）与用户端数据速率退化之间的权衡问题。
- 为具有方向性传输的噪声受限毫米波网状网络中的最大-最小速率最大化，开发一种可处理的优化框架。
- 评估资源分配策略（IAB与OAB）、双工模式（半双工/全双工）以及双连接对网络性能的影响。
- 基于闭式表达式和通过仿真与建模验证的简化假设，为实际部署提供设计指导。
提出的方法
- 将毫米波网络建模为具有基站（BS）在二维方形网格上的k环城市峡谷部署，其中中继数量随 $k^2$ 增长。
- 假设由于波束成形方向性、路径损耗高以及绕射有限，系统处于噪声受限状态，从而简化干扰建模。
- 通过时间分数约束推导出最大-最小速率 $\gamma^*$ 的闭式上界：$\gamma^* = \left(\frac{w_{0,0}}{R_a} + \frac{f(0,0) - w_{0,0}}{R_1}\right)^{-1}$，其中 $w_{0,0}$ 为由宏基站（MBS）服务的用户设备（UE）数量，$f(0,0)$ 为总回传负载。
- 提出一种邻近高速公路路由（NNHR）策略，通过按用户和回传需求成比例分配时间分数，确保所有用户均达到理论最大-最小速率 $\gamma^*$。
- 通过证明任何使用较低速率回传链路的替代路由策略都会降低可实现的最大-最小速率，从而验证NNHR的最优性。
- 分析集成接入-回传（IAB）与正交接入-回传（OAB）策略的性能，表明在典型负载条件下，OAB通常提供相当或更优的性能，且复杂度更低。
实验结果
研究问题
- RQ1在自回传毫米波网络中，单个光纤基站最多可支持多大覆盖半径（以k个环计）以维持每个用户的最低数据速率？
- RQ2不同的资源分配策略——集成接入-回传（IAB）与正交接入-回传（OAB）——如何影响毫米波网状网络中的最大-最小用户速率？
- RQ3全双工中继在最大-最小速率方面是否相比半双工中继有显著增益？自干扰抑制存在何种限制？
- RQ4双连接在自回传毫米波网络中在多大程度上改善了负载均衡和用户速率？
- RQ5在诸如方向性波束和城市峡谷传播等现实毫米波部署假设下，能否推导出最大-最小速率的可处理闭式表达式？
主要发现
- 当光纤基站采用最近邻高速公路路由（NNHR）时，达到最大-最小速率 $\gamma^*$，且上界 $\gamma^* = \left(\frac{w_{0,0}}{R_a} + \frac{f(0,0) - w_{0,0}}{R_1}\right)^{-1}$ 是紧致且可实现的。
- 在典型负载条件下，OAB在最大-最小速率方面优于IAB，IAB仅带来微小增益，因此OAB因实现复杂度更低而更具实用性。
- 除非自干扰被抑制到某一阈值以下，否则全双工中继不会显著提升最大-最小速率，而该条件在实际中难以实现。
- 双连接有助于减轻基站之间的负载不均衡，并提升公平性，尤其在高负载场景下表现更优。
- 采用k环模型并结合噪声受限假设，可实现闭式解，使该框架具备可扩展性，适用于无需大规模优化的网络设计。
- 任何使用数据速率低于 $R_1$（最近邻链路速率）的回传链路的路由策略，其最大-最小速率均低于 $\gamma^*$，从而证明了NNHR的最优性。
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