基于协同多波束传输的毫米波网络小区容量研究

Millimeter wave technology plays a key role in the future high data rate wireless networks. The millimeter wave network based on beamforming technology is an interference-limited network. The system capacity is seriously constrained by the interference among beams. Aiming at the interference problem, a new concept of beam coordinated multiple points transmission (Beam-CoMP) is proposed. It utilizes the coordination in the multiple beam overlapping regions to improve the cell capacity. The concept could simultaneously solve the problem of poor coverage in the beam edge and the problem of serious interference in the beam overlapping region. Our research focuses on the following aspects: Beam-CoMP modeling and link capacity analysis; cell capacity analysis based on Beam-CoMP; design of capacity-optimized media access method based on Beam-CoMP. The key scientific problem to be solved in the project is the analysis of cell capacity and the relationship between the beam overlap, the resource allocation and the cell capacity. We expect that there will be some helpful outputs on the interference modeling, Beam-CoMP system construction, theoretical analysis and performance evaluation for millimeter wave network. The research opens a new way to design high data rate millimeter wave network and provides theoretical support for the performance analysis of 5G millimeter wave network.

毫米波技术在未来高速率无线网络中具有越来越重要的应用。基于波束成形技术的毫米波网络是干扰受限网络，系统容量主要受制于网络中的波束干扰。针对毫米波网络中的干扰问题，本项目提出了协同多波束传输即Beam-CoMP的新概念，即利用扇区内多个波束在重叠覆盖区域的协作来提升小区容量，该方法能同时解决波束边缘覆盖较差及波束重叠覆盖干扰严重的问题。项目研究内容包括：Beam-CoMP系统模型及单链路容量建模与分析；基于Beam-CoMP的小区容量研究；基于Beam-CoMP容量最大化的接入策略设计。分析基于Beam-CoMP的小区容量，并据此阐明波束重叠及资源分配对小区容量的影响关系，是本项目拟解决的关键科学问题。项目预期在干扰建模、Beam-CoMP系统的构建、理论分析及性能评估等方面获得显著进展。研究成果为构建高速率毫米波无线网络开辟了新的研究途径，为5G毫米波网络的性能分析提供理论支持。

本项目主要对基于协同多波束传输（Beam-CoMP）的毫米波网络小区容量进行研究，旨在解决基于波束成形的毫米波网络的干扰问题。在Beam-CoMP系统模型及单链路容量建模与分析方面，项目组基于泊松点过程对Beam-CoMP毫米波网络进行了数学建模，建立了LOS环境下和NLOS环境下波束间干扰模型，基于该模型，对Beam-CoMP单链路容量进行了仿真和分析。在基于Beam-CoMP的小区容量研究方面，项目组推导了全频带资源分配下的小区容量，在此基础上从链路容量和链路速率两个角度分别分析阐明了小区容量与小区内波束数目的关系；对采用Beam-CoMP的小区容量和未采用Beam-CoMP的小区容量进行了分析，阐明了波束交叠区域与小区容量的关系；基于Beam-CoMP的情景，提出了一种同时兼顾调度公平性和系统吞吐量的加权比例公平算法，能够在提高资源分配公平性的前提下兼顾吞吐量的提升。在基于Beam-CoMP容量最大化的接入策略设计方面，项目组基于OFDM技术，设计了Beam-CoMP传输的详细流程，提出了一种对波束交叠区和非波束交叠区用户进行频率资源分配的方法。上述研究成果综合形成了协同多波束传输的理论模型、性能分析和使用协议等一套完整的技术体系，对基于波束成形技术的移动网络CoMP技术的部署和应用，具有重要的指导价值。