[论文解读] Performance Analysis of Millimeter-Wave Relaying: Impacts of Beamwidth and Self-Interference

Guang Yang, Ming Xiao|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2017

Full-Duplex Wireless Communications被引用 3

一句话总结

本文利用双射线信道模型和高斯型方向性天线，分析了毫米波放大转发（AF）中继系统中可达到的最大速率。研究结果表明，只有在波束宽度较窄且自干扰较低时，全双工（FD）中继才优于半双工（HD）中继；否则，直接传输更优。地面反射显著影响性能，可能产生相长或相消干涉。

ABSTRACT

We study the maximum achievable rate of a two-hop amplified-and-forward (AF) relaying millimeter-wave (mm-wave) system, where two AF relaying schemes, i.e., half-duplex (HD) and full-duplex (FD) are discussed. By considering the two-ray mm-wave channel and the Gaussian-type directional antenna, jointly, the impacts of the beamwidth and the self-interference coefficient on maximum achievable rates are investigated. Results show that, under a sum-power constraint, the rate of FD-AF mm-wave relaying outperforms its HD counterpart only when antennas with narrower beamwidth and smaller self-interference coefficient are applied. However, when the sum-power budget is sufficiently high or the beamwidth of directional antenna is sufficiently small, direct transmission becomes the best strategy, rather than the AF relaying schemes. For both relaying schemes, we show that the rates of both AF relaying schemes scale as $ \mathcal{O}\left(\min\left\lbraceθ_m^{-1},θ_m^{-2} ight brace ight) $ with respect to beamwidth $ θ_ m $, and the rate of FD-AF relaying scales as $ \mathcal{O}\left(μ^{-\frac{1}{2}} ight) $ with respect to self-interference coefficient $ μ$. Besides, we show that, ground reflections may significantly affect the performance of mm-wave communications, constructively or destructively. Thus, the impact of ground reflections deserves careful considerations for analyzing or designing future mm-wave wireless networks.

研究动机与目标

• 分析在现实信道与天线模型下，两跳毫米波AF中继系统的最大可实现速率。
• 研究波束宽度与自干扰系数对系统性能的影响。
• 评估在高功率或窄波束条件下，直接传输是否可优于AF中继。
• 通过双射线信道模型引入地面反射，并评估其产生相长或相消干涉的影响。
• 利用能捕捉真实辐射图样滚降特性的高斯型方向性天线，提供可处理的性能分析。

提出的方法

• 采用双射线毫米波信道模型，包含视 Line-of-Sight（LoS）路径与地面反射路径。
• 采用高斯型方向性天线模型，以表征主瓣到旁瓣的连续滚降特性，相较于平面顶或扇区化模型更具现实性。
• 在总功率约束下，分析半双工（HD）与全双工（FD）AF中继方案。
• 推导最大可实现速率的闭式表达式，并分析其随波束宽度与自干扰系数的变化规律。
• 应用渐近分析推导尺度律：波束宽度为 O(min{θ⁻¹ₘ, θ⁻²ₘ})，自干扰系数为 O(µ⁻¹ᐟ²)。
• 通过数学证明（如单调性与凸性分析）验证关键性能趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，FD-AF中继在毫米波系统中优于HD-AF中继？
• RQ2 波束宽度与自干扰系数如何共同影响最大可实现速率？
• RQ3 在何种情况下，直接传输优于毫米波网络中的AF中继？
• RQ4 地面反射如何影响毫米波中继性能，何时导致相长或相消干涉？
• RQ5 可实现速率与波束宽度及自干扰系数之间的基本尺度律是什么？

主要发现

• 仅当波束宽度较窄且自干扰系数较小时，FD-AF中继才优于HD-AF中继。
• 当总功率足够高或波束宽度足够窄时，直接传输的速率高于两种AF中继方案。
• 最大可实现速率随波束宽度θₘ的尺度为 O(min{θ⁻¹ₘ, θ⁻²ₘ})，表明波束宽度与速率增益之间存在权衡。
• 对于FD-AF中继，速率随自干扰系数µ的尺度为 O(µ⁻¹ᐟ²)，表明对残留干扰高度敏感。
• 地面反射显著影响性能，可能引起相长或相消干涉，必须精确建模以实现准确的系统评估。
• 即使自干扰消除程度适中，FD-AF中继与理想上限（µ=0）之间的性能差距也较小，表明对超强度消除硬件的需求降低。