毫米波密集蜂窝网络性能统计建模及分析

The cellular networks should increase as much as 1000 times capacity to meet the demand of the next decades. There has been growing interest to develop the fifth-generation(5G) cellular systems in the world. Due to the limited resource at the low frequencies, the millimeter-wave frequencies will be the candidate frequencies for 5G cellular systems. The path loss resulting from the higher frequencies, penetration loss and non-line of sight transmission have great impacts on the performance of the millimeter-wave cellular networks. Based on the three-states millimeter-wave propagation model, we will build up the statistical system model for the millimeter-wave cellular networks with the consideration of the distance-dependent path loss and blockage. We will derive the distributions of path losses and inter-cell interference, average rate and outage. Then we will analyse the relationship between the above performance metrics and the parameters of the propagation model and millimeter-wave cellular networks. Finally, we will verify the derivations and statistical modeling through the system-level simulation.

为了满足未来十年1000倍无线业务的增长需求，国内外开始展开第五代蜂窝通信技术研究，而低频段已经不能满足第五代蜂窝通信的频谱需求，因此需要探索30-300GHz用于毫米波蜂窝通信。毫米波传播的高频衰减特性、穿透性差和非可视距传输将极大影响毫米波蜂窝通信系统性能。本项目将以实际测量模型三状态毫米波传播模型为出发点，综合考虑传输距离损耗和物体遮挡，首先建立毫米波蜂窝通信的统计模型，挖掘三状态毫米波传播模型和物体遮挡模型的内在联系，基于统计理论和函数逼近理论,推导毫米波传输损耗的分布函数，然后给出干扰功率分布函数、信干噪比分布函数、平均速率和中断概率等系统性能核心指标，分析系统性能指标与系统参数和信道参数的关系，最后通过系统仿真和理论分析的对比，验证系统建模与理论分析的正确性，从而为毫米波蜂窝通信奠定坚实的理论基础。

为了满足未来十年1000倍无线业务的增长需求，国内外开始展开第五代蜂窝通信技术研究，而低频段已经不能满足第五代蜂窝通信的频谱需求，因此需要探索30-300GHz用于毫米波蜂窝通信。毫米波传播的高频衰减特性、穿透性差和非可视距传输将极大影响毫米波蜂窝通信系统性能。本项目将以实际测量模型三状态毫米波传播模型为出发点，对包含基于距离的路损和阴影衰落在内的大尺度损耗统计分布进行推导，得到了基于六状态高斯混合模型的路损分布，同时得到了覆盖和平均频谱效率的闭合表达式，仿真结果表明：毫米波部署的4G 基站上时，可以提供高于传统低频的频谱效率和覆盖率，通过对不同状态的性能指标分析发现，视距传播和非视距传播对于毫米波网络覆盖率和频谱效率的贡献不同，其中视距传播对频谱效率的贡献达80%，而网络的覆盖主要依赖于非视距传播链路；联合考虑扇区化天线模型、阴影衰落和传播路损损耗，给出了参数化高斯混合模型描述用户的路损分布，同时我们定义路损指数与阴影衰落标准差之比为新度量，从分布的第二特征函数角度揭示：阴影衰落和传播路损损耗的归一化分布由该度量唯一决定，同时该度量还决定了阴影衰落和传播路损损耗的分布与高斯分布的偏离程度；还联合考虑电磁波频率、发射机高度、接收机高度、建筑物高度和建筑物密度，首次给出了3D传播环境视距传播概率的表达式，通过与3GPP的视距传播模型进行对比，吻合程度非常高。