[论文解读] The Potential of Resource Sharing in 5G Millimeter-Wave Bands

Mattia Rebato, Marco Mezzavilla+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 15被引用 7

一句话总结

本文提出，通过利用波束成形、大带宽和空间复用技术，5G毫米波频段中的频谱、基础设施和接入共享可显著提升网络性能并降低部署成本。仿真结果表明，非协调的盲资源分配在性能上接近最优协调方案，尤其在波束成形干扰条件下表现优异，且展示了软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）可实现运营商间的透明接入。

ABSTRACT

With the severe spectrum shortage in conventional cellular bands, the millimeter (mmWave) frequencies, roughly above 10~GHz, have been attracting growing attention for next-generation micro- and pico- cellular wireless networks. A fundamental and open question is how these bands should be used by cellular operators. Cellular spectrum has been traditionally allocated following an exclusive ownership model. However, in this paper we argue that the distinct nature of mmWave communication -- the massive bandwidth degrees of freedom, directional isolation and high susceptibility to blockage -- suggest that spectrum and infrastructure sharing between multiple operators may be necessary to exploit the full potential of these bands. High-level capacity analyses are presented that reveal significant possible gains under spectrum and infrastructure sharing, even under minimal coordination between operators. Moreover, we discuss how network technologies including software defined networks (SDNs) and network function virtualization (NFV) can easily enable resource sharing by having a programmable core entity provide transparent inter-operator access to the end user.

研究动机与目标

• 探究频谱、基础设施和接入共享是否能够充分释放5G毫米波频段的潜力。
• 在包含遮挡和波束成形的现实传播条件下，评估共享带来的性能增益。
• 评估由于波束成形干扰模式导致的非协调（盲）资源分配在毫米波系统中的可行性。
• 探讨SDN与NFV如何实现面向最终用户的可编程、透明的跨运营商接入。
• 比较不同共享配置的性能表现，并识别成本效益高的部署策略。

提出的方法

• 采用包含视 Line-of-Sight (LOS) 和非视 Line-of-Sight (NLOS) 传播的详细多天线毫米波信道模型，进行高层次容量分析。
• 将干扰建模为具有方向性的干扰，利用波束成形减少小区间干扰并实现空间复用。
• 评估四种共享场景：仅频谱共享、仅基础设施共享、仅接入共享，以及频谱与接入联合共享。
• 采用盲资源分配方案，即基站无需协调即可服务用户，以模拟真实部署中的约束条件。
• 将性能与使用暴力用户关联优化的上界干扰协调方案进行对比。
• 提出一种基于SDN/NFV的架构，其中集中式控制器管理共享基站，并实现动态、可编程的跨运营商接入。

实验结果

研究问题

• RQ1 与独占分配相比，毫米波频段的频谱共享是否能显著提升系统容量和频谱效率？
• RQ2 在保持或提升网络性能的前提下，基础设施共享在多大程度上可降低部署成本？
• RQ3 在真实的毫米波传播和波束成形约束下，用户连接到其他运营商基站的接入共享在多大程度上有效？
• RQ4 在毫米波网络中，非协调（盲）资源分配与完全协调的干扰协调方案相比，性能差距有多大？
• RQ5 SDN与NFV是否能够实现可扩展的、透明的跨运营商对共享毫米波资源的访问？

主要发现

• 频谱共享通过在多个运营商之间统计复用突发性5G业务，显著提升了容量。
• 基础设施共享在性能上几乎与频谱共享相当，但部署成本显著降低。
• 通过宏分集实现的接入共享——即用户连接到其他运营商的基站——在覆盖范围和数据速率方面均有显著改善。
• 由于波束成形的固有增益，盲资源分配与最优干扰协调方案之间的性能差距极小，尤其是在波束成形传输条件下。
• 即使在最坏情况的共站址基站场景下，非协调方案的性能也仅比上界小一个微小范围，验证了其实际可行性。
• SDN与NFV能够有效实现透明、动态的跨运营商接入，使接入共享成为5G毫米波网络中可行且可扩展的解决方案。