[论文解读] Tractable Resource Management in Millimeter-Wave Overlaid Ultra-Dense Cellular Networks

Jihong Park, Seong‐Lyun Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出了一种可 tractable 的毫米波（mmWave）超密集网络（UDNs）资源管理框架，结合随机几何与三维遮挡模型，推导出闭式频谱效率（SE）表达式。研究发现，为抵消毫米波高峰均功率比（PAPR）对上行链路（UL）速率的严重限制，应主要将微波（μW）频谱分配给上行链路（UL），且最优资源分配与基站（BS）密度比呈对数关系。

ABSTRACT

What does millimeter-wave (mmW) seek assistance for from micro-wave (μW) in a mmW overlaid 5G cellular network? This paper raises the question of whether to complement downlink (DL) or uplink (UL) transmissions, and concludes that μW should aid UL more. Such dedication to UL results from the low mmW UL rate due to high peak-to-average power ratio (PAPR) at mobile users. The DL/UL allocations are tractably provided based on a novel closed-form mm-μW spectral efficiency (SE) derivation via stochastic geometry. The findings explicitly indicate: (i) both DL/UL mmW (or μW) SEs coincidentally converge on the same value in an ultra-dense cellular network (UDN) and (ii) such a mmW (or μW) UDN SE is a logarithmic function of BS-to-user density ratio. The corresponding mm-μW resource management is evaluated by utilizing a three dimensional (3D) blockage model with real geography in Seoul, Korea.

研究动机与目标

• 解决毫米波叠加的 5G 超密集网络（UDNs）中固有的上行链路（UL）速率瓶颈问题，该问题由移动终端的高峰均功率比（PAPR）引起。
• 研究现有微波（μW）频谱如何在下行链路（DL）与上行链路（UL）之间实现最优分配，以在确保最小上行链路速率的前提下最大化整体下行链路速率。
• 利用随机几何与真实的三维遮挡建模，开发一种可 tractable 的、闭式表达的资源管理解决方案，以指导网络设计与部署。
• 通过量化基站密度与频谱分配对频谱效率的影响，为 5G 毫米波-微波异构网络提供设计指导。

提出的方法

• 将网络建模为两层异构系统，其中毫米波与微波基站（BS）分别作为独立的二维齐次泊松点过程（PPPs）分布。
• 基于韩国首尔的真实地理数据引入三维遮挡模型，以捕捉毫米波信号的视 Line-of-Sight（LOS）传播限制。
• 利用随机几何与可 tractable 近似，推导出毫米波与微波链路的下行链路与上行链路频谱效率（SE）的闭式表达式。
• 应用上下界以推导出上行链路 SE 的可 tractable 表达式，从而实现在约束条件下的解析优化。
• 制定资源分配问题，以在最小上行链路速率约束与 PAPR 出口概率限制下最大化下行链路速率。
• 以闭式求解优化问题，得出依赖于基站密度与频谱带宽的最优微波上行链路资源分配策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫米波叠加的超密集网络中，如何在下行链路（DL）与上行链路（UL）之间分配微波（μW）频谱，以最大化整体下行链路速率？
• RQ2 毫米波的高峰均功率比（PAPR）对上行链路频谱效率有何影响？如何利用微波资源缓解此瓶颈？
• RQ3 在三维遮挡环境中，基站密度与带宽分配如何影响毫米波与微波链路的频谱效率？
• RQ4 能否在具有真实三维遮挡的超密集网络中推导出频谱效率的闭式表达式，以实现可 tractable 的优化？
• RQ5 当最小上行链路速率受到约束时，下行链路与上行链路资源分配之间存在何种最优权衡？

主要发现

• 对于 500 MHz 的毫米波带宽与 20% 的最小上行/下行速率比，超过 60% 的微波频谱应分配给上行链路以解决上行链路瓶颈。
• 当毫米波带宽为 1 GHz 时，应将全部微波频谱分配给上行链路，以满足最小上行链路速率要求。
• 在超密集网络中，毫米波与微波链路的频谱效率随基站-用户密度比的增加而对数增长。
• 基于韩国首尔真实建筑数据的三维遮挡模型，验证了推导出的下行链路与上行链路频谱效率的闭式表达式。
• 最优微波上行链路资源分配随毫米波带宽与所需上行链路速率的增加而增加，这与当前倾向于下行链路资源主导的趋势相矛盾。
• 可实现的最大下行链路速率随毫米波与微波基站密度乘积的对数增长，证实了网络超密集化的增益。