光谱在mmWave蜂窝网络和能量效率最优的利用率

文摘

毫米波(mmWave)谱提出了用于商用蜂窝网络来缓解已经严重拥挤的微波频段。因此,设计一个高效的mmWave蜂窝网络获得了相当大的重要性,并考虑到规定由政府机构关于全球变暖问题和可持续发展。摘要密集mmWave六角蜂窝网络与每一个细胞组成的较小的细胞数量的基站(BSs)提出了一个解决方案以满足不断增长的各种需求高数据率蜂窝网络的服务,越来越多的用户。自谱和权力是至关重要的资源在这样一个网络的设计中,提出了一个框架,地址有效利用这些资源在mmWave蜂窝网络和GHz频段。这些乐队已经众所周知的标准,例如IEEE 802.15.3c不可分割的一部分,IEEE 802.11广告,IEEE 802.16.1。分析,一个著名的准确mmWave通道视线(LOS)和非线性模型的仿真结果)的链接。分析了移动网络的频谱效率,比特/秒,能源效率,位/ J,频谱效率,位/ s / m²区域能源效率、位/ J / m²网络延迟,s /。这些效率指标,使用蒙特卡罗模拟,信噪比(信噪比)的函数,通道模型参数,用户距离b和b传输功率。蜂窝网络的最优部署的效率指标和GHz频段进行标识。结果表明,GHz乐队达到更好的频谱效率和GHz乐队优越的能源效率。观察到,而后者带是有利的对于室内网络,前者带适合户外网络。

1。介绍

蜂窝网络的交通指数增加了由于对现有的高需求和各种新的无线网络的服务,越来越多的用户。因此,它已成为重要的有效利用可用的带宽。同时,它已成为强制性的,由于政府对温室气体排放法规,注意网络节能设计。因此,一个关键问题的设计和实现下一代蜂窝网络的联合优化能源和可用的频谱资源。mmWave谱已知提供巨大的带宽,可以利用不仅能满足日益增长的对高数据率服务的需求,也满足大量用户。这个频谱也是有力竞争者超高清晰度视频(UHDV)传播。等知名网络标准ecma - 387, IEEE 802.11广告,IEEE 802.15.3c被重新定义,以适应这个频谱。尽管巨大的带宽潜力mmWave乐队,存在许多挑战:(i)建模和特征的传播环境;(2)天线系统的设计;(3)收发器集成; (iv) digital signal processing technology.

mmWave乐队受到高的路径损耗,因此技术需要加强权力收到接收方。传播环境的建模中扮演一个重要的角色在通信系统的设计和分析所需的蜂窝网络。在[1],mmWave传播环境的特点进行了研究,观察到乐队在这个光谱提供低延迟扩展,可以有效地抑制码间干扰。井(2)已经表明和GHz乐队中最自然的选择用于部署mmWave频谱。此外,GHz乐队正在积极追求本地多点分布系统(LMDS),非常有吸引力的用于mmWave蜂窝网络,考虑到这乐队占据了相对较低的频率范围内mmWave频谱。

近年来,有很多努力准确模型mmWave渠道洛杉矶和仿真结果传输连接。通信行业投入了大量的资源,准确的信道模型的发展。例如,三星进行通道的测量GHz乐队和想出了一个模型来适应ITU-R和FITU-R标准(3]。这个模型可以用于mmWave通信链路的距离米。此外,诺基亚、华为和Deutsch电信表现出浓厚的兴趣GHz乐队使用的概念和开发了原型硬件多输入多输出(MIMO)系统,以支持20 Gbps的吞吐量。基于随机路径损耗的通道模型研究了城市传播环境(4]。mmWave通道的空间统计模型被开发成一个通道参数的函数,包括路径损耗,在5]。这个模型已经得到基于真实测量在纽约市和GHz乐队在洛杉矶和仿真结果链接。

总体框架提出了评价覆盖概率和速率性能在[mmWave手机网络6]。mmWave信号的波长短可以容纳大量的天线接收机和发射机,使波束形成的关键推动者技术获得高的天线增益。研究了波束形成的天线系统mmWave乐队5 g网络,提出了一种新颖的混合波束形成算法链接(室内和室外传播7]。mmWave天线的设计和特征讨论了无线连接(8,9]。

香农的容量限制和信号处理挑战千兆比特mmWave沟通讨论了(10]。同时,Madhow已经解决的机遇和挑战,利用MIMO在LOS mmWave通信系统。冲动的概述Radio-Ultra宽带(IR-UWB)技术对发射器和接收器的设计提出了(11]。在[12],密集mmWave网络的覆盖和容量进行了分析使用一个理论模型的函数阻塞概率和波束形成带宽。此外,频谱效率(SE)(比特/秒)mmWave网络调查与洛杉矶和仿真结果链接和GHz mmWave乐队。以来最小功耗已收到意义近年来由于政府规定,解决这个问题是很重要的对于mmWave蜂窝网络。这个问题已经在文献中没有得到太多的关注。洛杉矶和仿真结果链接的效率指标评价和GHz频段的最大可实现的最大吞吐量和功率效率(13]。然而,这项工作只考虑路径损耗来表示通道效应对传输距离可达200米。棕褐色等人研究了实现下行多用户mmWave蜂窝系统的频谱效率考虑,和大规模的淡入淡出效果(14]。在[15),能量覆盖概率推导mmWave传输网络密度的函数,波束形成带宽和信道参数。

能源效率和频谱效率之间的权衡是检查不同接入网络(16]。证明为最佳利用mmWave乐队重要的是要了解如何贸易的低功率日期推迟。检查delay-power权衡设计的节能手机网络(17]。Levanen等人提出了技术来减少延迟mmWave通信系统(18]。的挑战设计节能mmWave系统讨论了(19]。能源效率(EE)(位/ J)提出了度量和评估和GHz mmWave乐队在洛杉矶和仿真结果链接。调查了BS传动功率的函数,信噪比(信噪比),网络参数和mmWave通道参数。蜂窝网络的空间特点发挥重要作用在mmWave蜂窝网络的性能。该地区频谱效率(ASE)和区域能源效率(爱意)是重要的指标,设计中需要考虑mmWave网络。

因此,本文的目的是研究能源效率(EE),频谱效率(SE)、网络延迟、区域频谱效率(ASE)和区域能源效率的爱意mmWave蜂窝网络和GHz乐队在洛杉矶和仿真结果链接。调查信噪比的函数,提出了信道模型参数、网络参数、用户距离b和b传输功率。本文的组织结构如下:在部分2,mmWave细胞系统介绍,包括蜂窝网络模型,mmWave信号传播和无线信道模型和NR和SINR计算。部分3提出了评价网络性能指标、频谱效率、能源效率、空间谱和能源效率、网络延迟、中断概率。此外,这些效率的评价指标进行了探讨。仿真算法和我们分析的假设已经列出了部分4。此外,网络和通道参数表,并给出了数值结果与讨论。最后,工作是结论部分5。

2。毫米波细胞系统

mmWave蜂窝系统的模型如图1。宏单元分为小细胞图所示。的宏单元在网络使用相同的频率,因此创建注液电池干扰。每一个th细胞组成小细胞每个有自己的废话和使用相同的频率造成晶格内的干扰。假设每个小细胞有一个b和它手机用户(亩)( )。BSs的中心位于小细胞和宏单元的连接到网关。亩的空间分布,每一个与一个b。

2.1。mmWave无线信道模型

mmWave信号容易受到路径损耗高、衰落、噪声、干扰;所有这些导致严重的退化在接收机信噪比(信噪比)导致系统整体性能差。一般来说,mmWave通信信道可以用双定向通道模型给出了(20.),是由 在哪里是多路径组件的数量;是集群中的射线的数量。每个射线由路径增益 ,阶段 ,到场时间(ToA) ,方位的着陆角度(AoA) ,方位离去角(AoD) ,天顶的着陆角度(发育完全的个体) ,和天顶离去角(萨德) 。信道建模的任务是找到所有这些参数mmWave通信通道。为和GHz频段,取得一个模型以适应洛杉矶和仿真结果传输连接。这些乐队被选,因为他们是乐队可能部署在mmWave蜂窝网络。根据这个模式4),小规模衰落对mmWave信号传播的影响,以及大规模的衰落效应被认为是测量。在[5),mmWave通道路径损耗的影响被认为是基于实际的测量和统计模型提出了一个城市环境,洛杉矶和仿真结果链接,是由 在哪里是数据库的路径损耗,在米,发射机和接收机之间的距离和是浮动的最小平方适合截距和斜率测量距离可达200米,然后呢对数正态阴影的方差, 。本文的通道模型(2)[5使用和模型参数的值 , ,和给出了在表1。

2.2。信噪比计算

给定的路径损耗模型(2)是用来确定μ的接收信号功率,然后用来估计的信噪比th的μBS。也就是说, 在哪里是传动功率,在μ,噪声功率密度和NF噪声图。发射机和接收机天线增益,和 ,计算使用 为和GHz频段和天线的长度 。假设一个独立Nakagami衰落为每个链接,小规模衰落组件, ,可以建模为一个规范化伽马随机变量,也就是说, (15]。小规模衰落是那么严重mmWave乐队(12),因此洛杉矶链接是非常大的整数, 链接时仿真结果。路径损耗组件可以计算使用(2)。

2.3。Signal-to-Interference-Plus-Noise比(SINR)模型

基于网络模型如图1,th的μ小细胞为BSth宏观单元的干扰是由两个部分组成的晶格内的干扰和注液电池干扰。第一个是由BSs位于相同的活动引起的th细胞更为严重,因为它接近μ。而第二个组件生成的BSs其它宏观细胞不太激烈。当cochannel干扰由于第一层大电池被认为是,下行聚合干涉小细胞BS和宏单元的μ可以表示为 因此,的SINR为是由 在哪里的热噪声功率吗μ。BS和μ(之间的距离3)和(4)< 200米,是一个随机变量的概率分布函数 。

3所示。mmWave网络的能量和频谱效率

能量和频谱系统资源,必须适当地交易有效地设计一个mmWave通讯系统。最少使用的能源系统已成为一个重要的问题;然而,有效的利用mmWave光谱需要更多的权力由于高路径损耗。因此,平衡系统的能量和频谱资源的使用值得仔细研究。这是检查mmWave手机网络在这一节中。分析的能量和频谱效率指标等网络被认为是可以发挥重要作用的标准化mmWave蜂窝网络。

3.1。网络频谱效率

下行光谱效率量化率由b的数据量在一定的带宽,亩 。这表明mmWave频谱的有效利用。频谱效率是有界的,香农的极限 (21对于一个给定的信噪比。对于mmWave网络信噪比的情况下被SINR所取代。因此,网络的频谱效率,描绘在图1,可以评估使用 在哪里可以获得SINR (5),亩的mmWave分配带宽。和在μ的预期值是随机的位置和小规模衰落效应,分别。通信范围内的故障概率 , ,是由(22] 在哪里是取决于传播环境的参数密度,然后呢密度是废话。中断概率是绘制的函数和对于一个给定的 在图2。这是观察到,几乎是常数 m。自提出网络尺寸大,宏观细胞半径 米,可以近似的中断概率 。

3.2。网络能源效率

能源效率被定义为系统提供之间的比率,它消耗,因此效率函数可以被描述为 ,在那里 显示系统的资源限制(23]。在这篇文章中,代表了整体下行数据率效率,可以可靠地传输mmWave通信系统,和表示信噪比,这是一个函数b的传动功率,噪声和信道的影响。mmWave网络的能源效率可以制定 信噪比和SINR可以确定使用(3)和(5),分别。能源效率表示速度的数据量,可以交付单位每赫兹的带宽信噪比。效率指标是有用的在mmWave蜂窝网络的标准化,如频谱效率提供了每个频带的最大速率和传输范围和能源效率提供洞察如何利用细胞的能源资源数据速率的函数。

3.3。空间谱和能源效率

空间特征mmWave网络系统性能的评估是至关重要的。例如,传播损耗是高度受网络影响维度,因此信噪比和SINR也受到影响。因此,研究光谱和能源效率是不够的mmWave网络的有效的设计。空间谱和能源效率更好的指标设计的网络(24]。因此,这些指标是mmWave检查网络。这些指标是评估宏单元的每个小细胞空间距离,服务的效率 ,决定了细胞的区域。

4所示。数值结果

蒙特卡罗模拟执行了在MATLAB环境下,对光谱进行评估,能源和空间谱和能源效率和GHz mmWave乐队。效率指标研究了BS传动功率、BS服务距离,和信噪比。下面给出用于仿真的步骤:(1)的路径损耗和洛杉矶和仿真结果利用GHz频段计算(2为每个值)和 ,并给出了模型参数表1。(2)信噪比计算使用(3),小规模衰落的模仿使用伽马分布, ,(3)参数表2。(3)网络模型,图1,聚合注液电池晶格内的干扰得到使用(4)。(4)确定SINR (5) 。(5)光谱和能源效率指标计算使用(6)和(8),计算使用(7);参见图2。(6)空间谱和能源效率指标计算使用和 ,分别与 在每个小细胞的覆盖范围BS (25]。

以下假设是由蒙特卡罗模拟。(1)信道衰落系数, ,在(3)和(4)是独立的和相同的分布的随机变量。(2)传动功率, ,在(3所有小细胞BSs),是相同的。(3)天线增益, ,等于所有BSs假定为相同,天线增益, ,对于所有亩被认为是相同的。(4)注液电池干扰是基于宏单元的第一层。(5)注液电池距离, 晶格内的距离, ,代表最严重的亩小细胞。(6)宏观细胞半径 m是假定的最大服务距离设置为小细胞b m。

使用的手机网络参数模拟给出了表2。仿真和数值的过程总结了这项工作流程图如图3。

4.1。频谱效率

网络的频谱效率评估的可实现的特定带宽分配给数据率μ。效率指标(位/ s)绘制在图4作为最大的函数距离洛杉矶和仿真结果链接的服务和GHz乐队与传动功率固定dBm。这是观察到的最大可实现的网络可以达到数据速率Tbit / s为是减少的。在这种情况下,宏单元将有大量的小细胞和晶格内的干扰增加。也有人指出的频谱效率略有恶化洛链接而对于仿真结果链接它迅速降低到0.15 G位/ s m。频谱效率也调查了BS功率的函数用于传输服务的距离为一个特定的价值, m。图5表明提高频谱效率通过BS增加力量。可以看出没有显著改善上面的传动功率时频谱效率dBm。这表明注入更多的力量浪费BS权力资源,因此影响能源效率。因此,对于优化mmWave频带利用率、传输控制dBm不是必需的。图中还说明了高频段的优越性,GHz,洛杉矶的链接。

对于高功率传输,实现上述两个通频带的频谱效率Tbit / s。自亩的信噪比是一个函数的BS传动功率,接收机噪声的频谱效率和通道效应GHz乐队在洛杉矶链接呈现在图6作为服务距离和信噪比的函数。指出这是信噪比的频谱效率是一个递增函数表明mmWave系统可以克服噪声和信道障碍。mmWave蜂窝网络的频谱效率一直在调查(14,26),这些作品中给出的数值结果与结果见图一致5。然而,本文的频谱效率的结果是基于真实的信道测量。

4.2。能源效率

能源效率指标是一个“绿色通信”BS指示器,因为发射功率的确定起着重要的作用。能源效率指标是一个函数的数据速率在亩mmWave链接和信噪比。能源效率检查b的函数为距离,传输功率和信噪比。度规是绘制传动功率的函数有两个mmWave乐队和链接图7。这是观察到的GHz乐队相比更节能GHz乐队。能源效率是退化的传动功率增加。图8显示了一个比较两个频带之间的能源效率LOS传播链接的函数和信噪比。这是观察到,GHz乐队,图8 (b),达到更高的能源效率比GHz乐队,图8(一个)。事实上,洛传输的信噪比GHz乐队的信噪比大于仿真结果的链接GHz乐队。也有人指出效率提高到一定的距离, 米,然后变得几乎不变 m。有人指出之间的权衡服务距离和传动功率必须考虑网络的尺寸和最佳利用两个mmWave乐队。mmWave手机网络的能效检测的用户数量和全双工中继转发回程BS天线尺寸小细胞mmWave网络(19]GHz和GHz频段。结果表明增加发射功率的函数与能源效率的概念如图7。同时,这个指标已经调查的传播环境参数和BS为异构mmWave网络覆盖密度BSs(小细胞22]。结果是一致的结果见图8。

4.3。网络延迟

延迟是在mmWave网络实时应用程序的关键指标。因此,重要的是要解决网络延迟网络参数的函数。mmWave网络的延迟是由于几个组件,如无线接入网络,回程,核心网络和数据中心。在本文中,我们考虑μ和b之间的传输延迟。对于一个给定的用户带宽和信息数量 ,传输延迟是由 (27]。为网络图所示1每个用户delay-per-bit可以表示为 在哪里 和是由(5)。延迟和效率之间的权衡mmWave网络的指标可以讨论delay-per-bit和能源效率。通过模拟Delay-per-bit (9)使用通道参数表1和网络参数表中给出2。延迟是绘制BS功率的函数和用户距离数据9(一个)和9 (b),分别。这些数据表明,GHz洛链接实现延迟小于乐队GHz区间仿真结果链接。图9(一个)表明,延迟减少随着BS力量的增加。例如,网络延时小于ns /当BS权力大于dBm。这种大型的能源效率是高度影响的b值如图7。用户的距离,网络延迟增加随着距离的增加是显而易见的从图9 (b)。相比减少了频谱效率作为用户距离的函数表示两个指标有冲突。因此,网络延迟之间的权衡,能源效率和频谱效率指标必须考虑mmWave乐队的最佳利用。

4.4。区域频谱效率

频谱效率的区域(ASE)被定义为平均频谱效率比使用区域为给定的频段。网络图1,ASE计算每个小细胞的光谱效率的总和除以它的面积和是由服务 这个ASE度量链接网络频谱效率和服务区域和调查的函数 , ,和信噪比。在图10 (),ASE是绘制的 。它指出,日月光半导体的递减函数距离自面积成正比 。同时,ASE是绘制的和信噪比图10 (b)描述了这两个因素是如何影响日月光半导体。很明显,对于大型网络覆盖范围需要更多的实现可接受的ASE BS权力。

4.5。区域能源效率(爱意)

爱意是用来描述该地区单位BS电力消耗和数据率可以被定义为 在哪里是由(8), 。这个度量提供了洞察的部署和实施挑战最佳mmWave频带利用率。BS力量的爱意是评估作为一个函数,如图11 (b)。高值的指标严重恶化BS权力;然而,它保持一定程度的性能较低的功率值。同时,可以看出爱意略有减少的半径小细胞增加,如图(11日)。

从上面的结果,很明显,总有频谱效率之间的冲突和能源效率的电力传输。最优利用mmWave乐队需要这两个性能指标之间的权衡。的GHz乐队达到更高的能源效率范围广泛的电力传输水平提供可接受的频谱效率 dBm。另一方面,GHz优越的频谱效率;然而,它对能源效率表现很差。关于传播环境,可以说GHz乐队是更有利的GHz区间仿真结果如室内网络的链接。然而,GHz频段更适合洛杉矶链接如户外mmWave链接。

5。结论

摘要mmWave蜂窝网络被认为是室内和室外应用的宏单元与多个小细胞覆盖。基于实际测量通道模型可用在文学洛杉矶和仿真结果传输链接被用来获得信噪比和SINR的表达式在网络考虑注液电池和晶格内的干扰成分。提出了一种框架,用于光谱和能源效率指标的分析网络为网络资源的最优化利用。框架还包括调查频谱效率,能源效率和空间性能指标。分析了使用蒙特卡罗模拟考虑干扰的影响,路径损耗,小规模的衰落。调查指标进行了b的函数,信噪比,mmWave网络参数和信道模型参数。结果表明,频谱效率总是在与能源效率的冲突对BS力量和最大BS服务距离。的GHz乐队可以方便的在网络仿真结果链接,和GHz乐队更适合洛杉矶链接。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

第一作者要感谢大学的黎波里,利比亚,利比亚教育部的支持和奖学金。

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