[论文解读] Tractable Model for Rate in Self-Backhauled Millimeter Wave Cellular Networks

Sarabjot Singh, Mandar N. Kulkarni+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2014

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 36被引用 7

一句话总结

本文提出了一种适用于毫米波（mmWave）蜂窝网络自回传的可 tractable 随机几何模型，其中基站（BSs）通过定向毫米波链路构成网状回传网络。该模型捕捉了波束成形带来的干扰隔离以及接入与回传之间的资源共享，表明频谱效率和边缘用户速率随基站密度增加而提升——这与干扰受限的4G网络相反——而带宽对边缘用户速率的影响甚微。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmW) cellular systems will require high gain directional antennas and dense base station (BS) deployments to overcome high near field path loss and poor diffraction. As a desirable side effect, high gain antennas provide interference isolation, providing an opportunity to incorporate self-backhauling--BSs backhauling among themselves in a mesh architecture without significant loss in throughput--to enable the requisite large BS densities. The use of directional antennas and resource sharing between access and backhaul links leads to coverage and rate trends that differ significantly from conventional microwave ($μ$W) cellular systems. In this paper, we propose a general and tractable mmW cellular model capturing these key trends and characterize the associated rate distribution. The developed model and analysis is validated using actual building locations from dense urban settings and empirically-derived path loss models. The analysis shows that in sharp contrast to the interference limited nature of $μ$W cellular networks, the spectral efficiency of mmW networks (besides total rate) also increases with BS density particularly at the cell edge. Increasing the system bandwidth, although boosting median and peak rates, does not significantly influence the cell edge rate. With self-backhauling, different combinations of the wired backhaul fraction (i.e. the faction of BSs with a wired connection) and BS density are shown to guarantee the same median rate (QoS).

研究动机与目标

• 开发一种通用且可 tractable 的随机几何模型，用于毫米波蜂窝网络的自回传，以分析速率分布。
• 理解定向波束成形与干扰隔离在密集毫米波部署中对覆盖和频谱效率的影响。
• 量化基站密度、带宽以及有线回传比例对网络性能的影响，特别是对边缘速率的影响。
• 利用真实城市建筑布局和密集环境中的实测路径损耗数据验证该模型。
• 证明自回传可实现可扩展的、高容量的毫米波网络，其中总速率和边缘速率均随密度提升而改善。

提出的方法

• 将网络建模为基站（BSs）的泊松点过程（PPP），其中一部分通过有线回传连接，其余通过定向毫米波链路实现自回传。
• 采用基于真实城市建筑数据推导的路径损耗模型，并引入瑞利衰落以模拟小尺度衰落，提升分析的可 tractability。
• 利用随机几何与拉普拉斯变换推导上行链路和下行链路的信噪比加干扰比（SINR）覆盖概率。
• 引入分数功率控制模型以补偿上行链路中的路径损耗，从而影响信噪比（SNR）分布。
• 利用点过程的空洞概率和拉普拉斯泛函推导服务链路路径损耗与干扰的分布。
• 应用分部积分法与欧拉特征化方法计算逆拉普拉斯变换，从而获得覆盖概率与速率的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有自回传的毫米波网络中，基站密度如何影响速率分布，特别是在小区边缘？
• RQ2 与4G网络相比，系统带宽对毫米波网络中中位速率和边缘速率的影响如何？
• RQ3 自回传在高密度毫米波部署中如何影响频谱效率与整体网络容量？
• RQ4 有线回传比例与基站密度的不同组合是否可在毫米波网络中实现相同的中位速率（QoS）？
• RQ5 4G网络中的干扰受限行为与毫米波网络中具有定向波束的噪声受限行为在多大程度上存在差异？

主要发现

• 由于定向波束成形，毫米波网络本质上是噪声受限而非干扰受限，导致掉话主要源于低信噪比（SNR）而非低信号干扰比（SIR）。
• 边缘频谱效率随基站密度增加而提升，这与4G网络中边缘速率通常受限于干扰的情况相反。
• 增加系统带宽可提升中位速率与峰值速率，但对边缘速率影响甚微，因为边缘用户受限于发射功率。
• 自回传可在密集毫米波网络中实现可扩展的回传，不同组合的有线回传比例与基站密度可实现相同的中位速率。
• 该模型通过真实城市建筑布局与实测路径损耗模型进行了验证，结果在真实场景中确认了分析预测的准确性。
• 推导出的覆盖概率与速率表达式具有良好的分析可 tractability，可支持回传类型、密度与服务质量（QoS）之间的定量权衡设计。