文摘
频谱共享方法(SSA)已经成为一个有成本效益的解决方案提高频谱利用率以满足5 g系统的严格要求。然而,SSA 5 g mmWave蜂窝网络的实现从技术和管理角度可能是具有挑战性的。因此,在本文中,一个分析框架包括一个灵活的混合mmWave SSA评估的有效性提出了SSA和调查其影响网络功能的独立和运营商之间的公平。两个mmWave频率(28 GHz和73 GHz)是使用不同的频谱带宽。各种访问模型提出了采用四个独立的移动网络运营商,将三种类型的频谱分配(独家、semipooled和完全集中访问)。此外,一种自适应多mmWave细胞选择方案提出将普通用户与标记mmWave基站提供一个伟大的信号干扰加噪声比,从而维持可靠的连接和丰富的用户体验。数值结果表明,该策略达到相当大的改善公平和独立的运营商而言,这为进一步研究活动铺平了道路,将提供更好的洞察力和鼓励移动网络运营商依靠SSA。
1。介绍
未来移动数据使用和交通增长是由多样化和创新的技术和服务,如智能城市、卫生保健、自动驾驶、增强现实、虚拟现实,和物联网(1]。然而,今天极其有限的频谱带宽频率较低(< 6 GHz)再也不能容纳小说和快速发展的应用程序(2]。这一挑战凸显了需要释放额外的频谱来应对高耗带宽的应用设置的严格要求。有限的频谱,mmWave频带被最近推出了一个有吸引力的使能技术解决频谱短缺(3)因为它有这样一个充足数量的可用频谱范围(4,5]。尽管有这样的宽光谱范围,它仍然不是无限如果其他服务,利用相同的乐队被认为是(6]。此外,低效率的频谱利用率将发生非常mmWave乐队如果大量频谱是专门授予一个独立的移动网络运营商(IMNO) [7]。因此,频谱共享方式(SSA)是一个选项,可以克服这样的问题在一个有效的方式(8]。然而,追求这样的方法在5 g mmWave蜂窝网络是一个重大决定,需要广泛的研究来研究其有效性和影响从技术、管理和经济观点。实现可观的改善频谱利用率通过SSA不牺牲与传统的频谱分配相关的优点(如独占访问)仍然是一个重大的挑战,应该共同来解决9]。
几项研究评估的SSA实现mmWave最近进行的通信。在[10),一个现实的室内传播渠道和天线模型mmWave网络采用特定上下文一起协调来模拟一个互联网络频谱共享策略。初步结果表明提出的策略的可行性最大化吞吐量和消除运营商之间的干扰。
同样在6),许多方面的技术推动者SSA得到解决(如光束方向性,基站(BS)密度、和协调)研究对一组网络功能的影响。结果证明这种方法在提高频谱使用的可能性与频谱分配的独占访问。此外,interoperator协调的重要性,特别是对于细胞边缘用户,是表示。不同于上面的研究,不协调的SSA的潜在成功了(5,6,11- - - - - -13]。这些研究表明mmWave特征的有效性以及定向波束形成技术在减少交叉算子multi-IMNOs之间的干扰,从而消除运营商之间的协调的必要性。
相反,作者在14)证实,没有协调,共享频谱中multi-IMNOs不同mmWave BS (mBS)部署密度仍然是一个巨大的挑战,特别是当干扰操作符的mBS密度高于运营商mBS较低密度。这个观察可能阻止低密度算符分享他们的频谱除非multi-IMNOs之间的干扰水平低维护。此外,在[15),两个不同的网络密度(即。,fixed individual and fixed combined) with two mmWave cellular operators were suggested to model multi-IMNOs with colocated BSs; these multi-IMNOs can be reproduced and extended to any set of operators that allow straightforward analysis of key performance metrics (e.g., SINR). The analysis showed that infrastructure and spectrum sharing is more convenient for high-rate applications rather than low-rate ones.
在目前的工作中,我们扩展了先前的研究详细的上面和我们的工作在8]。新的假设被认为是关于利用混合mmWave频谱共享访问(HMSSA)策略,不同的路径损耗模型(常用的文献),运营商的网络规划,和敏捷性的改进与一个可接受的水平的mBS密度。我们还提出两个访问模型采用multi-IMNOs。最好的作者的知识,本研究首次提供了一个分析和深入讨论面临的两大挑战的成功实现多个mmWave实体之间的频谱共享。这两个挑战是独立和公正,这可能会阻碍运营商分享他们的频谱除非达到一个可接受的协议。
2。系统模型
在本节中,该分析框架分为四个部分来模拟和应用提出HMSSA策略准确。细节如下。
2.1。网络模型
为一个可识别的区域,我们认为multi-IMNOs由两层 ,和每个运营商的网络有两个频谱带宽基于两个载波频率(28和73 GHz)的吗 。不失一般性,我们表示总频谱分配给每个操作符 。
让是一组mbs的运营商和是一组所有mbs的网络。然而,所有运营商自己的抵押贷款支持证券可以选择在两个提到的mmWave载波频率(28 GHz和73 GHz)。值得注意的是,所有的mbs密集部署和分布式的基于网格的一个重叠的区域提供高覆盖率和QoS大量用户设备(问题),这样模拟面积1.2公里×1.2公里。此外,所有mbs和问题都被认为是由多个天线(8×8)。每个mBS有权授予其分配频谱的一部分专门为用户属于其运营商降低mmWave乐队(28 GHz)和分享其分配频谱的一部分semiorthogonally或全部活动属于该运营商的用户或其他运营商mmWave乐队(73 GHz)就越高。让表示一组室外用正餐和 ,在哪里是一组用户的运营商。每一个通过一组抵押贷款支持证券服务吗 ,属于同一或不同网络运营商基于频谱监管和链接质量。
2.2。数学模型
在这项研究中,两种类型的数学表达式被认为是。第一个基本移动通信有关,二是与mmWave通讯系统。派生和重写模型提出的策略和基线环境优化。在确定的背景下的特殊行为总体混合mmWave频谱共享系统,捕捉一个或多个快照有助于获得更多有关这些方法及其影响用户体验和运营商的收入。我们考虑常用的近战的参考距离路径损耗模型(16- - - - - -18)来计算接收天线的接收信号功率: 在哪里在dB表示无线电传播路径损耗;在米表示的分离距离;表示近战的自由空间参考距离(1米);在dB表示初始路径损耗,可以计算使用方程(2);表示无线电传播路径损耗指数;和表示零均值高斯随机变量与dB为代表的标准偏差( ),鉴于10 dB阴影保证金用于这项工作。 在哪里表示载波的波长。无线电传播路径损耗指数两mmWave频率和波长(28 GHz和73 GHz)表中列出1。
在应用方程(1),平均接收信号功率接收器可以计算如下(19]:
然而,方程(3)是重写处理混合配置带来的利用混合mBS部署如下: 在哪里和mBS的接收和发射功率吗 ,分别,mBS归算符在mmWave载频和运营和和是发射机和接收机的线性增益dBi天线,分别。
评估的可行性提出HMSSA战略和描述multi-IMNOs的每个操作的性能,当我们考虑到覆盖概率作为指标>阈值。例如,用户 ,与mBS的同事这是由相同或不同的运营商和股票或专门资助一个特定部分的可用频谱在28 GHz或73 GHz载波频率( ),在故障如果吗下面的用户比零。的的用户可以计算如下(20.]: 在哪里表示和表示聚合接收机收到的干涉从所有邻国的mBS运作在同一频带除了mBS ,如果他们属于同一IMNO无关。具体来说,我们假设只有一个梁来自每个mBS,影响接收机 。 表示加性白噪声的操作符对于一个载波频率和方法如下19]: 在哪里对于一个给定的系统温度(17°C) =−dBm /赫兹和174表示图的噪声值为6 dB。的计算值提供进一步的用户信道容量计算;因此,用户的平均速度可以使用香农容量理论计算如下: 在哪里表示连接mBS天线元素的数量 ; 是指定的频谱带宽的总量 ; 表示的信道容量通道;和表示用户连接到标记的数量 。
2.3。HMSSA策略配置
在本节中,我们现在最重要的配置提出HMSSA详细策略和它的模型。四个multi-IMNOs被认为和分布式仿真面积1.2公里×1.2公里。正方形网格单元部署拓扑用于确保高质量的网络覆盖和模仿最快的部署单元,如路灯柱子上安装电池。两个访问模型提出了利用的四个运营商。每个运营商股份的一部分自己的频谱分配与其他运营商和专门授予自己的其余部分用户 ,详细如下:(我)模型1。在这个模型中,我们假设相同的频谱带宽(1 GHz)分配给四个运营商在低频28 GHz ( )在高频率73兆赫( )。然而,低频波段的光谱28 GHz均匀分成四部分,每部分各有250 MHz独家授予四multi-IMNOs之一,以避免与其他相邻IMNOs cochannel干扰现象。与此同时,高频波段的光谱73 GHz分为两个部分,每一个500 MHz。第一部分是开放对所有multi-IMNOs(池/共享),而第二部分分为两个部分,每个部分是指定由两个multi-IMNOs semipooled /共享。例如,第一部分(250 GHz)授予OP1 OP4,和第二部分(250 GHz)被授予《凤凰社》第2章和OP3如图1。(2)模型2。在这个模型中,我们假设两组不同的光谱,也就是说,= 1 GHz的低频带28 GHz,和= 1.5 GHz的高频波段73 GHz。模型1中的频谱分配相似的低频带28 GHz。然而,在高频波段73 GHz,频谱分为两部分;一个1 GHz,第二个500 MHz。均匀分成四个部分,第一部分,每只授予IMNOs与独占访问它的用户 。在这个任务,cochannel干扰是不存在的。剩下的数量(500 MHz)的光谱在73 GHz /集中在四个multi-IMNOs共享。然而,在开放获取模式的情况下,cochannel干扰会存在在所有相邻的运营商,如图2。
2.4。UE-mmWave BS协会计划
在提出网络配置,租赁或colocated-based mBS模式适用于HMSSA策略的采用。在第一个模式中,每个操作符允许出租的必需的资源和基础设施的一部分,使有效的频谱共享multi-IMNOs之一。在第二模式中,每个运营商都有自己的抵押贷款支持证券,由其他运营商,提供,提供主机的资源的一部分,位置,制冷和电源。
的用户和mBS协会订阅操作符的问题有权与mBS吗属于运营商或其他运营商分享他们的资源(也就是基于上述模式。、出租或托管的模式)。在视图的访问策略模型1,不失一般性,三个选项可供用户关联mBS,描述如下:(我)问题可以联系一个mBS提供独家访问250 MHz 28 GHz,属于同一运营商。(2)问题,属于一个特定的一对(OP1 OP4或OP2 OP3,假定在这个工作)可以联想到一个mBS,属于相同或第二操作符相同的一对,提供的250 MHz semipooled访问73 GHz,反之亦然。(3)问题可以联想到一个属于OP1的mBS, OP2, OP3,或OP4,这提供了一个充分共享/集中访问500 MHz的光谱。
在模型2中,订阅了操作员的问题有权与mBS吗属于运营商或不同运营商共享同一频段基于相同的约束和期权模型1;否则,属于一个特定的问题对只能与一个mBS,属于第二个操作符相同的一对,提供了一个250 MHz的独占访问73 GHz,反之亦然。在这种情况下,干扰将会低于在模型1中,它利用semipooled频谱访问。
用户和细胞协会的决定是由使用我们提出的方案,即AMMC-S,依靠提供一个最佳的细胞选择基于提供的信号质量的函数 。例如,位于靠近四mbs(即。 , , ,和 )属于四个运营商,如图3(一个)- - - - - -3 (b)。的将自适应基于一个250 MHz的独占访问28 GHz载波频率,提供最高的用户价值如算法1。
(一)
(b)
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3所示。结果与讨论
在本节中,提出HMSSA策略的性能评估数值在一个典型的mmWave场景,支持两种混合访问模型基于mBS分布和频谱分配。两个关键性能指标(即。,outage probability and average rate distributions) are considered in the evaluation and assessment process. These performance metrics are tailored for the assessment of operator’s independence and fairness, which is the main goal of this study. The related assumptions and simulation parameters are set, as shown in Table2。
3.1。SINR分布
SINR代表一个关键系统干扰指标占系统干扰和分析其影响网络功能。通常,这是获得接收信号平均功率除以噪声之间的和权力和干扰功率问题位置见方程(5)。较低的价值更高层次的干扰通过相邻的问题抵押贷款支持证券。另一方面,水平是衡量来确定系统的无线网络覆盖是最独特的参数之一,在未来5 g的用例;因此,研究其影响需要5 g系统来评估系统的性能。在这种背景下,提出的SINR分布策略对两个模型的研究,是详细的下面。
3.1.1。HMSSA模型1
图4显示了四个运营商的中断概率(即。,OP1, OP2, OP3, and OP4) based on different allocated bandwidth percentiles (5%, 50%, and 95%) utilizing HMSSA under Model 1. The平均分布在一个足够数量的迭代来实现所需的精度。值得注意的是,用户的中断概率,独占访问频谱(250 MHz) 28 GHz载波频率低于semipooled和完全混合谱访问73 GHz载波频率。这种现象的产生是由于这一事实semipooled访问和完全混合谱访问半开口或完全开放;因此,专属的干扰比频谱访问。semipooled访问策略经营七邻房抵押贷款证券,而完全集中战略经营十五岁。相比之下,只有三个mBS独占访问操作,除了服务mBS(见图1)。然而,用户的位置在mBS通常在最小化中断概率中起着主导作用。完全混合谱访问优于semipooled频谱访问一些迭代,这发生在用户更接近一个mBS属于不同的运营商和只提供完全集中访问。例如,用户订阅OP1,位于非常接近mbs和由OP2 OP3,将有一个与选择和 ,已完全混合光谱的访问。因此,完全集中的故障概率谱访问变得低于semipooled波谱的访问。
(一)
(b)
(c)
在拟议中的HMSSA策略下模型1中,另一个灵活的自由度是用来把优势从所有可用的mbs运作在不同的载波频率和频谱分配。因此,中断概率大大降低SINR超过3 dB细胞的边缘用户,这优于最相关的工作(7,11,12,15]。这个结果可以被翻译的增强细胞边缘用户的性能。因此,报道和数据率可以提高。此外,mbs的数量也减少了,只需要盖一个16 mbs 1.2公里×1.2公里区域具有良好的报道占不到艺术的状态(7,11,12,15]。OP1的中断概率的百分比,OP2, OP3,和OP4 0(0%),如图4(一)- - - - - -4 (c)。这个重要的最大化( )性能是由于混合频谱分配方法,使一个灵活的混合谱访问策略的可用性,并允许多个联系不同的信号质量在一个给定的传输范围。提出采用AMMC-S方案,问题与一个链接是最高的可以保证,因此保持ultrareliable水平连接占据5 g作为未来最严格的约束。
3.1.2。HMSSA模型2
模式2是类似于模式1。除了分配频谱。此外,在模型2中,每个用户可以与任何mBS属于同一运营商或不同的运营商基于一个两个选择,那就是,独享250 MHz 28 GHz,充分共享/集中访问500 MHz的光谱在73 GHz载波频率或独占访问250 MHz报73 GHz,充分集中访问500 MHz的光谱在73 GHz载波频率。这些限制在模型2有助于改善semipooled频谱访问的中断概率。所有运营商的中断概率,利用该策略保持零(0%),如图5(一个)- - - - - -5 (c),一些改善分布(> 6 dB)。获得的进步在这个模型中扩大的差距与其他光谱(即访问策略。,exclusive, fully pooled), thereby adding 3 dB to the cell edge users (compared with Model 1). This phenomenon is caused by the fact that the additional amount of spectrum at 73 GHz reduces the interference between the mBSs that operate at such frequency as the number of adjacent mBSs that operate in the same bands is reduced. Fifteen adjacent mBSs are operated by the fully pooled access strategy, whereas only three adjacent mBSs are operated by exclusive access at carrier frequencies of 28 GHz and 73 GHz for each operator, except for the serving mBS (Figure2)。
(一)
(b)
(c)
HMSSA策略的另一个发现与利用能力在mbs的数目减少一半,并提供具有成本效益的解决方案,提高频谱利用率和减少有限公司2排放;因此,引入一个环境友好型无线通信。
3.2。平均速度分布
在本节中,所有用户的平均速度,属于四个运营商基于蒙特卡罗模拟进行了分析。总共160个用户为每个运营商随机部署在仿真区域。假设平均10用户/ mBS在这工作。每个问题的通道容量计算执行使用香农定律见方程(7)。拟议中的HMSSA与频谱分配策略模型1和2在这个计算考虑。数据6(一)和6 (b)显示的平均速度分布提出了战略四个运营商在模型1和2,分别。
(一)
(b)
如前所述,模型1和2之间的主要区别是频谱分配金额73 GHz载波频率。这些额外金额为运营商提供了更大的灵活性来分配频谱的一部分专门来丰富用户体验。然而,它显示在图6 (b)所有运营商的平均速度分布略增加平均7 MHz, 40 MHz,和13兆赫三百分位数的授予数量的光谱(5、50和95),分别。这样的观察表明,给予大量的带宽给操作员并不一定导致平均利率的增加。原因是mmWave信号的本质特征可能会严重影响系统性能在UA过程中如果没有采取行动。这个确认的必要性提出一个高效UE-mBS协会计划耦合采用可操纵的定向天线在mBS和加强mmWave无线通信的可行性问题。
图7显示了提出的问题率增强semipooled和HMSSA策略(模型1和2)基线相比独立部署场景对不同百分位率(5、50和95)和一些系统配置见表3。
应用三种情况的评价过程中,基线独立部署系统16 mbs为每个操作符。在这个场景中,一个特定的问题,属于经营者(即。,OP1) has the right to associate with only the mBS that belongs to its own operator. While in the semipooled scenario, 16 mBSs are divided into two groups; the first group with eight mBSs operate at 28 GHz carrier frequency and the second group with eight mBSs operate at 73 GHz carrier frequency, where the UEs have the right to associate with mBS that operates at 28 GHz carrier frequency or with mBS that operates at 73 GHz carrier frequency that belongs to its own operator or to its own pair operator based on the highest 。HMSSA策略,问题可以与mBS,属于自己的或不同的运营商通过一个集成的选择利用独家,semipooled,充分集中光谱混合方式访问。
根据上面的实现和评估场景,尤其是,提出semipooled和HMSSA策略(模式1)提高用户的平均利率超过143%和193%,分别;而下(模型2)配置,提出semipooled和HMSSA策略增强了用户的平均利率超过194%和229%,分别。问题增强率的增加在模型2的配置可以归因于额外的带宽分配给了运营商,尤其是semipooled的性能(500 MHz 28 GHz和750 GHz对每一对(即73 GHz。OP1 OP4)),如表所示3。
这些观察结果表明,利用混合动态频谱接入策略将为non-standalone细胞部署non-standalone授权频谱访问,因为它ultraflexibility和能力,提供了一个最佳UE-mBS协会有助于最大限度地提高用户体验。
另一个重要的观察是,增加的数量分配频谱带宽73 GHz载波频率操作作为另一个独家访问以下问题(模型2)假设不会导致太多的改善问题。这可以归因于这样一个事实,问题往往与mBS运作在28 GHz或73 GHz专有权访问下最高比mBS运作semipooled和完全集中频谱访问策略。这个问题行为导致细胞中多增加负载,因此废墟的好处等额外的数量分配带宽的高载波频率(73 GHz)。
总结,增强报道的性能问题率可以被认为是一个令人鼓舞的一步,使成功的SSA 5 g mmWave蜂窝网络mbs较低密度和少量的频谱带宽相比最相关的工作7,11,12,15]。
3.3。独立和公正的评估
评估操作员根据信号质量的独立和公平(中断概率)和特定用户的平均速度分布属于经营者是非常重要的促进运营商采用SSA。
尤其是,在这工作,描述OP1作为一个独立的运营商意味着其性能不受其他运营商(如《凤凰社》第2章,OP3 OP4)。
此外,“公平”一词被定义为能够处理所有运营商同样或的方式对待所有操作符没有偏见。
备注1。用户覆盖或平均水平的概率与运营商协会是独立的,如果另一个用户的覆盖或平均率概率不影响用户的覆盖或平均率概率 ,可表示如下: 在那里,是用户的覆盖或平均率概率与运营商协会 。
考虑米= 4,
更具体地说,报道或平均水平的概率算子(OP1和OP2为例)是独立的,当且仅当
这种情况可以申请其他运营商来评估他们的独立。
用每个用户的覆盖概率在方程(8 b),
记得方程(5)。每个用户的覆盖概率的函数完全取决于接收信号功率和干扰的数量与其他相邻的mbs运行在同一个乐队。面向用户的mBS和频谱访问策略都是关键的组件部署在确定接收到的信号功率和干扰,分别。
作为只能关联的标记mBS提供了一个高吗无论操作符它属于,为了最大化信道容量。此外,四个运营商在这项研究中被认为是(= 4);每个运营商都有四个mbs。每个mBS有三个不同的频谱分配(独家28 GHz, semipooled 73 GHz,并完全集中在73 GHz)在模型1和(28 GHz独家,独家73 GHz,并完全集中在73 GHz)在模型2中。因此,方程(7)可以写成 在哪里= 1、2、3表示每个mBS的频谱分配。根据方程(9),每个用户的平均速率取决于运营商它所属的SINR价值无关。因此,利用该策略达到高度的独立性方面的性能指标(即。,覆盖或平均率概率)。
公平而言,标准差公式是用来评估运营商共享频谱之间的差异的平均速度分布。
备注2。所有运营商的平均百分比相对较近。小幅度的平均率概率在所有运营商表示资源平均分配给用户无论运营商用户所属。
的标准偏差的平均速度的运营商表示如下: 在哪里表示标准偏差的平均速度操作符。不失一般性,代表运营商的平均速度 。 均值的平均利率值运营商,这是由总结所有的运营商的平均利率除以运营商的数量 。
如表所示4,提出HMSSA策略成功的资源分配的公平,最大利润的平均率不超过6.4727 Mbps。HMSSA策略保证金的独家或semipooled访问和完全集中访问,连同他们的比例可以忽略与经历的高数据率相比用户属于运营商。因此,鼓励运营商依靠这样的战略,已被证明其比例公平的资源分配。小幅度的结果从用户定位的部署mBS的规则,而不是提出HMSSA策略,属于不同的运营商的问题的随机、独立部署。因此,多个运营商的服务之间的竞争将会按比例公平的方式进行混合SSA的存在。
4所示。结论
在这项研究中,我们调查的实现灵活HMSSA策略通过分析各种实际的方面,如频谱访问策略,各种率百分位数,和两个mmWave频段具有不同特点和频谱带宽。开发出相应的优化框架,使运营商能够收获的收益来自几个因素,如混合光谱集成、资源共享策略,以及user-mBS协会。此外,一个详细的分析和讨论,提出评估运营商之间的独立性和公平性提出HMSSA策略下的假设。数值结果表明,混合光谱(即的集成。,exclusive, semipooled, and fully pooled) strategy can provide a considerable solution to overcome mutual interference issues, thereby reducing outage probability to zero with (SINR> 3 dB)和抵押贷款支持证券的数量提供资本支出的一半(资本支出)和运营支出(OpEx)储蓄。此外,与独占访问相比,利用该策略通常是有利于保证操作员的一个可接受的水平的独立和公正的频谱使用情况和最大化问题率超过两倍。此外,利用这些策略有助于使快速创建新的无线应用程序符合成本效益的方式。在未来的研究中,我们将这些调查扩大到更复杂的场景中,考虑采用频谱访问系统和共享访问授权频谱共享模型。UE-mBS协会发展将成为未来的一部分,努力提高mBS选择启用SSA满足最大胆的5 g的约束。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
作者欣然承认UTeM Zamalah计划,马来西亚Teknikal大学马六甲(UTeM),和支持研究和创新中心的管理(罪犯),卓越中心,马来西亚Teknikal大学马六甲(UTeM)。