[论文解读] Understanding Noise and Interference Regimes in 5G Millimeter-Wave Cellular Networks

Mattia Rebato, Marco Mezzavilla+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 37

一句话总结

本文利用基于测量的毫米波信道模型，分析5G毫米波网络是否处于噪声受限或干扰受限状态。研究发现，在低基站密度（<30个基站/平方公里）时，网络处于噪声受限状态；在高密度（>120个基站/平方公里）时，网络处于干扰受限状态；在中间密度区间，存在一种混合状态，需采用自适应协调方案。

ABSTRACT

With the severe spectrum shortage in conventional cellular bands, millimeter-wave (mmWave) frequencies have been attracting growing attention for next-generation micro- and picocellular wireless networks. A fundamental and open question is whether mmWave cellular networks are likely to be noise- or interference-limited. Identifying in which regime a network is operating is critical for the design of MAC and physical-layer procedures and to provide insights on how transmissions across cells should be coordinated to cope with interference. This work uses the latest measurement-based statistical channel models to accurately assess the Interference-to-Noise Ratio (INR) in a wide range of deployment scenarios. In addition to cell density, we also study antenna array size and antenna patterns, whose effects are critical in the mmWave regime. The channel models also account for blockage, line-of-sight and non-line-of-sight regimes as well as local scattering, that significantly affect the level of spatial isolation.

研究动机与目标

• 确定5G毫米波蜂窝网络主要受限于热噪声还是干扰。
• 评估关键部署参数（如基站密度、阵列尺寸和传播条件）对干扰与噪声比（INR）的影响。
• 根据网络密度和频段，识别出不同的运行状态（噪声受限、干扰受限、混合）。
• 通过量化噪声受限与干扰受限运行之间的过渡，指导MAC层和物理层设计。

提出的方法

• 采用基于纽约市大规模传播测量数据的28 GHz和73 GHz频段的基于测量的统计信道模型。
• 在不同基站密度（30至120个基站/平方公里）、用户设备密度和天线阵列配置下，模拟城市毫米波蜂窝网络。
• 建模视 Line-of-Sight（LoS）和非视 Line-of-Sight（NLoS）传播、遮挡效应及本地散射，以捕捉空间隔离特性。
• 使用经验累积分布函数（ECDF）分析干扰与噪声比（INR）和信号与干扰加噪声比（SINR）。
• 在73 GHz频段比较不同天线阵列尺寸（如8×8与16×16）的性能，以评估波束成形和旁瓣干扰的影响。
• 利用5%和50%分位数SINR随基站密度增加的趋势，识别运行状态的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种基站密度下，5G毫米波网络会从噪声受限状态转变为干扰受限状态？
• RQ2 天线阵列尺寸和波束成形方向性如何影响毫米波系统中的干扰水平和INR？
• RQ3 传播条件（如LoS/NLoS链路和遮挡）在决定空间隔离度和干扰水平方面起什么作用？
• RQ4 由于路径损耗和波束宽度特性差异，28 GHz和73 GHz频段在干扰行为上有哪些不同？
• RQ5 在中间状态（噪声和干扰均显著）下，哪种MAC协议最适合运行？

主要发现

• 当基站密度低于30个基站/平方公里（平均小区半径>103米）时，网络处于噪声受限状态，无需干扰协调。
• 当基站密度高于120个基站/平方公里时，网络变为干扰受限，需要采用波束成形或资源分配等干扰协调机制。
• 在30至120个基站/平方公里之间，出现混合状态，用户可能经历噪声受限或干扰受限条件，需采用自适应或混合协调协议。
• 在73 GHz频段增加阵元数量（如从8×8增至16×16）会使INR提高2–3 dB，尽管主瓣方向性增强，但旁瓣干扰增加。
• 更大的阵列具有更高的方向性，即使INR略有上升，仍可使SINR提升约9–10 dB，主要得益于更好的空间隔离。
• 从噪声受限到干扰受限的转变发生在50%分位数SINR的30至60个基站/平方公里之间，而5%分位数则发生在60至90个基站/平方公里之间，表明对用户位置和链路质量敏感。