[论文解读] Modeling and Analysis of MmWave Communications in Cache-enabled HetNets

Wenqiang Yi, Yuanwei Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 21被引用 3

一句话总结

本文提出了一种集成 sub-6 GHz 宏小区与毫米波皮站小区的缓存增强型混合异构网络（HetNet），通过泊松点过程建模，并利用随机几何方法进行分析。在最大接收功率关联策略下，推导出成功概率与面积 spectral efficiency（ASE）的新型表达式，结果表明该系统为干扰受限，ASE 在特定速率阈值下达到最优，且在 73 GHz 时性能最佳，原因在于高增益波束成形增益。

ABSTRACT

In this paper, we consider a novel cache-enabled heterogeneous network (HetNet), where macro base stations (BSs) with traditional sub-6 GHz are overlaid by dense millimeter wave (mmWave) pico BSs. These two-tier BSs, which are modeled as two independent homogeneous Poisson Point Processes, cache multimedia contents following the popularity rank. High-capacity backhauls are utilized between macro BSs and the core server. A maximum received power strategy is introduced for deducing novel algorithms of the success probability and area spectral efficiency (ASE). Moreover, Monte Carlo simulations are presented to verify the analytical conclusions and numerical results demonstrate that: 1) the proposed HetNet is an interference-limited system and it outperforms the traditional HetNets; 2) there exists an optimal pre-decided rate threshold that contributes to the maximum ASE; and 3) 73 GHz is the best mmWave carrier frequency regarding ASE due to the large antenna scale.

研究动机与目标

• 建立并分析一种结合 sub-6 GHz 宏小区与毫米波皮站小区并支持内容缓存的混合 HetNet。
• 评估回传容量与缓存位置对网络性能的影响。
• 在密集毫米波环境中，推导成功概率与面积 spectral efficiency（ASE）的解析表达式。
• 识别使 ASE 最大的最优载波频率与速率阈值。
• 证明由于皮站基站密度较高，系统在密集部署场景下为干扰受限。

提出的方法

• 将宏基站与皮站基站建模为独立的齐次泊松点过程（PPPs），密度分别为 λ₁ 与 λ₂。
• 采用最大接收功率（Max-RP）关联策略，将用户关联至接收信号最强的基站。
• 利用随机几何方法推导子-6 GHz 与毫米波层级的干扰拉普拉斯变换，同时考虑实际的天线方向图。
• 对毫米波链路采用 Nakagami fading 模型，并通过波束成形增益 G₂(ω) 考虑波束成形的影响。
• 利用高斯-切比雪夫求积与超几何函数，推导出成功概率与 ASE 的闭式表达式。
• 通过在不同载波频率与系统参数下进行蒙特卡洛仿真，验证分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 HetNet 中集成毫米波皮站小区与缓存机制相较于传统 sub-6 GHz HetNet 对系统性能有何影响？
• RQ2 在缓存增强型毫米波 HetNet 中，回传容量对成功概率与 ASE 有何影响？
• RQ3 在所提系统中，面积 spectral efficiency（ASE）在何种速率阈值下达到最大？
• RQ4 在 Max-RP 关联策略下，28、38、60 或 73 GHz 的哪个毫米波载波频段能实现最高的 ASE？
• RQ5 在密集部署场景下，所提毫米波 HetNet 是干扰受限还是噪声受限？

主要发现

• 由于皮站基站密度高且采用波束成形，所提缓存增强型毫米波 HetNet 为干扰受限系统。
• 面积 spectral efficiency（ASE）在特定预设的速率阈值下达到最大，该阈值随皮站基站密度 λ₂ 变化。
• 73 GHz 在候选毫米波频段中提供最高的 ASE，原因在于其较大的阵元数（N₂ = 80），可实现强波束成形增益。
• 成功概率随皮站基站缓存容量 M₂ 单调增加，但当回传容量超过速率阈值 R_th 时，与宏基站缓存容量 M₁ 无关。
• 蒙特卡洛仿真结果与分析结果高度吻合，验证了 ASE 与成功概率表达式的准确性，尤其在 60 GHz 且 α₂ = 2.25 时表现优异。
• 当回传容量 C_bh ≤ R_th 时，增加宏基站缓存容量 M₁ 可提升成功概率，表明本地缓存可带来性能增益。