毫米波用户热点区域携能中继方法研究

Hotspot coverage is one important application scenario for millimeter wave (mmW) communications. It has been shown that due to the blocking effects, a dense deployment of mmW access points is indispensable to achieve competitive coverage in comparison with conventional UHF cellular networks, which leads to huge costs in mmW deployment. By exploiting the rich node resources within hotspot coverage regions, we propose to invoke cooperative relaying among nodes to avoid the blocking effects and improve the coverage of mmW signals. Meanwhile, energy harvesting (EH) is utilized to compensate the energy costs of relaying transmissions. Specifically, we start with the modeling of a finite clustered network to characterize the mmW hotspot regions, which incorporates the correlation of node positions and allows for node cooperation. Then, the statistics of the number of concurrent interferers is analyzed for a typical receiving node, while load statistics is formulated for a typical transmitting node. Afterwards, taking account of channel access modes, mmW propagation characteristics, and the features of user hotspot, we aim to design the optimal relaying architecture to process energy and information simultaneously, and then develop a suboptimal one to lower the costs. Based on the optimal relaying architecture, we propose distributed link selection schemes and “relay when blocked” mechanism for different scenarios. Finally, we’ll investigate the achievable information (energy) coverage and its scaling laws with respect to key system parameters. Overall, this proposal aims to establish an EH relaying framework for mmW user hotspot.

热点区域覆盖是毫米波通信技术要解决的关键应用场景。已有的研究结果表明：由于毫米波天线阵列方向性传输和易受遮挡，毫米波接入点只有在密集部署条件下才能达到与UHF蜂窝网相近的覆盖性能，这会导致高昂的部署成本。针对用户热点区域节点资源多的特点，本项目提出利用热点区域内节点间协作中继转发来减少毫米波信号遮挡提升覆盖效果，并通过携能通信来补偿节点中继转发的能耗。具体地，从构建体现收发节点位置耦合性、可容纳用户间协作的热点区域模型入手，面向节点关联并发性和对等性研究接收节点的并发干扰统计特性和发射节点的负载统计特性。结合信道接入方式、毫米波传播特性及热点区域特征解决中继节点能量与信息处理架构的优化和低复杂度设计问题，并基于该优化处理架构设计分布式链路规划方法和“遮挡随即转发”中继方法。进而，揭示网络信息与能量的可达覆盖性能及其随主要系统参数的变化规律，并最终构建起毫米波用户热点区域携能中继方法体系。

热点区域覆盖是毫米波通信技术要解决的关键应用场景。针对用户热点区域节点资源多的特点，本项目提出利用热点区域内节点间协作中继转发来减少毫米波信号遮挡提升覆盖效果，并通过携能通信来补偿节点中继转发的能耗。主要研究成果包括：.在毫米波热点区域，改变典型收发节点的距离对于系统覆盖性能影响较大。当典型收发节点距离增大时，系统的干扰和典型接收节点信息速率都会减小，且后者是影响系统覆盖性能的主要因素。在障碍物遮挡转发中继模型中，中继跳数越多，系统覆盖性能越差。.针对传统的离散时间切换携能中继转发机制信道信息利用不充分、能效低的问题，提出了自适应离散时间切换机制。研究结果表明，对于放大转发和译码转发两种情况，所提机制相对于传统机制而言大大提高了吞吐效率。.对于基于SWIPT的下行NOMA网络，假定近用户采用非线性能量采集设备（这里采用分段线性能量采集模型），提出了一种递增协作NOMA协议来提升网络性能。研究结果表明：所提出协议相对于传统协议的中断性能和吞吐率性能优势明显。.为进一步提升携能中继转发的频谱效率，针对蜂窝网下行通信系统提出了ISANC机制，在该机制中，不仅近用户可以通过利用其多余的接收信号功率协助远用户，远用户也能通过利用其多余的接收信号功率协助近用户，从而相较于CSANC机制达到了更高的中断性能和DMT性能。进一步，将对等协作机制与OFDMA框架（目前主流的正交多址方式）相结合，提出了ISAOC机制，并证明了ISAOC机制的DMT性能劣于ISANC机制。.进而，针对功率域非正交多址接入蜂窝网下行通信系统，提出了BC-NOMA机制，在该机制中，用户所收到的冗余的下行信号功率被用于反向散射至无法恢复信息的用户处。研究结果表明：BC-NOMA机制相较于传统NOMA机制能够同时提高传输可靠性（中断率性能）和传输有效性（期望速率），且BC-NOMA机制能够在提高传输可靠性的同时不损害传输有效性。.本项目研究成果对于构建协作、互惠、高效的毫米波用户热点区域携能中继方法体系具有重要的理论指导意义。