[论文解读] Uplink Performance Analysis in D2D-Enabled mmWave Cellular Networks with Clustered Users

Esma Turgut, M. Cenk Gursoy|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 21被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的分析框架，用于评估增强有设备到设备（D2D）通信的毫米波（mmWave）蜂窝网络中的上行链路性能，其中D2D用户被建模为泊松聚类过程（PCP），以反映现实中的聚类行为。推导了蜂窝链路和D2D链路的SINR中断概率，引入了方向波束成形、视 Line-of-Sight（LOS）/非视 Line-of-Sight（NLOS）路径损耗模型、波束对准误差，并计算了共用和复用两种频谱共享模式下的面积谱效率（ASE），确定了复用共享模式下的最优频谱划分。

ABSTRACT

In this paper, an analytical framework is provided to analyze the uplink performance of device-to-device (D2D)-enabled millimeter wave (mmWave) cellular networks with clustered D2D user equipments (UEs). Locations of cellular UEs are modeled as a Poison Point Process (PPP), while locations of potential D2D UEs are modeled as a Poisson Cluster Process (PCP). Signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) outage probabilities are derived for both cellular and D2D links using tools from stochastic geometry. The distinguishing features of mmWave communications such as directional beamforming and having different path loss laws for line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) links are incorporated into the outage analysis by employing a flexible mode selection scheme. Also, the effect of beamforming alignment errors on the outage probability is investigated to get insight on the performance in practical scenarios. Moreover, area spectral efficiency (ASE) of the entire network is determined for both underlay and overlay types of sharing. Optimal spectrum partition factor is determined for overlay sharing by considering the optimal weighted proportional fair spectrum partition.

研究动机与目标

• 对毫米波蜂窝网络中D2D用户形成空间聚类而非均匀分布的情况进行建模与性能分析。
• 引入真实的毫米波传播特性，包括方向波束成形、LOS/NLOS路径损耗以及波束对准误差。
• 评估共用和复用两种频谱共享模式，并确定复用共享模式下加权比例公平的最优频谱划分。
• 利用随机几何工具推导SINR中断概率和面积谱效率（ASE）的闭式表达式。

提出的方法

• 将蜂窝用户设备（UEs）建模为泊松点过程（PPP），潜在的D2D UEs建模为泊松聚类过程（PCP），具体采用托马斯聚类过程。
• 采用灵活的模式选择方案，考虑LOS和NLOS传播，并赋予不同的路径损耗指数。
• 通过矩生成函数和PPP的概率生成泛函（PGFL）推导来自蜂窝和D2D链路的干扰功率的拉普拉斯变换。
• 通过将衰落增益建模为指数随机变量，并相应调整干扰功率，来引入波束成形增益和波束对准误差。
• 利用极坐标变换和低干扰密度下的泊松近似，推导聚类内和聚间干扰的拉普拉斯变换。
• 通过基于距离和路径损耗模型的条件概率，对距离分布和波束成形增益进行积分，计算总体中断概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 用户聚类如何影响毫米波D2D增强蜂窝网络中的上行链路中断概率？
• RQ2 波束成形增益和波束对准误差对毫米波D2D网络中SINR中断性能有何影响？
• RQ3 LOS和NLOS传播条件如何影响D2D和蜂窝上行链路的性能？
• RQ4 复用D2D共享模式下，使加权比例公平性在ASE方面最大化的最优频谱划分因子是什么？
• RQ5 在聚类的毫米波网络中，面积谱效率（ASE）在共用和复用共享模式下的扩展特性如何？

主要发现

• 蜂窝UE的SINR中断概率被表示为LOS和NLOS贡献的加权和，权重由波束成形增益和路径损耗模型决定。
• 通过将干扰分解为聚类内和聚间成分，对D2D链路的中断概率进行了分析，并为两者推导出闭式拉普拉斯变换。
• 波束对准误差通过指数衰落进行建模，其影响被证明会增加中断概率，尤其在NLOS条件下更为显著。
• 共用和复用共享模式下的面积谱效率（ASE）均被推导出，复用模式在最优频谱划分下可实现更高的ASE。
• 复用共享模式下的最优频谱划分因子通过求解加权比例公平分配问题确定，从而在系统公平性和频谱效率之间实现最大化平衡。
• 分析表明，与均匀分布的D2D用户相比，聚类可降低干扰相关性，从而提升性能，尤其在高密度场景下更为明显。