基于随机几何的毫米波蜂窝网络建模分析与应用研究

Very recently, the wireless communication community has turned its attention to the millimeter wavelength spectrum due to the abundant frequency resource. However, due to the natural characteristics of millimeter wave (mmWave), such as severe propagation loss, high blockage sensitivity, short coverage distance, and etc., a complete commercial application in the next-generation mobile communication remains elusive. In this project, the works focus on the modeling, analysis and application of mmWave cellular networks with the aid of the technical tools of stochastic geometry. Firstly, based on the typical use cases of mmWave mobile communications, models capturing the spatial distribution characteristics of large-scale mmWave cellular networks are proposed to realize the reliable network modeling. Secondly, by incorporating the key features of mmWave communications, a unified theoretical framework is established to analyze crucial performance metrics, indicating the performance advantages of applying the mmWave into the cellular networks. Thirdly, focusing on the cooperative transmission and resource management problem occurred with the coexistence of mmWave mobile communication and traditional cellular network, the feasibility of various potential solutions is deeply digged and analyzed based on the proposed models and theoretical framework. The above works will not only promote the application of mmWave in mobile communication networks effectively but also provide theoretical supports for the developments of next-generation mobile communications, which has important theoretical value and practical prospect.

近年来，毫米波频段丰富的频率资源已成为国内外学术界和工业界关注的焦点。然而，由于毫米波具有信号衰减严重、易遮挡及覆盖距离短等天然属性，使得毫米波在移动通信的实际应用中仍存在很多问题亟待解决。本项目将以随机几何理论作为研究工具，针对毫米波蜂窝网络的建模、分析及其实际应用展开研究。具体包括：（1）针对毫米波在移动通信中的典型应用场景，提出贴近于实际部署的大规模站点分布模型，解决毫米波蜂窝网络的合理建模问题；（2）融入毫米波移动通信的关键特征，构建统一的理论分析框架，分析关键性能指标，以揭示毫米波在蜂窝网络应用中的性能优势；（3）基于所提网络模型与分析框架，聚焦毫米波与现有蜂窝网络在融合过程中的协同传输和资源管理问题，深入挖掘、分析各方案的可行性。本项目的研究不仅能有效推动毫米波在移动通信网络中的应用，还将为下一代移动通信的发展与推进提供理论支撑，具有重要的理论价值和实用前景。

针对毫米波通信因其具有信号衰减严重、易遮挡及覆盖距离短等天然属性使得未来多频段大规模通信网络愈发复杂，亟需有效地性能评估方法，本项目主要研究了基于随机几何理论的毫米波大规模网络建模与分析方法，本项目的主要创新性贡献包括：1）采用了多种空间点过程对不同场景下毫米波网络的空间分布特性进行匹配建模，并提出简单且有效的大规模天线阵列方向图近似模型以简化理论分析；2）基于元分布概念，研究关键性能指标的细粒度分析方法，并结合传统性能指标，构建基于随机几何的大规模网络统一理论分析框架；3）基于所提空间模型和性能分析方法，对毫米波蜂窝和终端直通网络关键性能指标进行粗细粒度的全面性能分析，以揭示毫米波在大规模网络应用中的性能优势；4）研究网络节点协作机制和全频谱管理策略对大规模网络性能提升的影响，以进一步探究用户性能提升的机制方法。在本项目的资助下，课题组共发表学术论文27篇，其中SCI检索期刊论文14篇、EI检索期刊1篇，EI检索国际旗舰会议论文11篇和中文期刊1篇；获批2项省部级纵向项目；获得１项国家重点实验室开放课题项目；获得１项市级纵向项目；培养博士研究生2名，硕士研究生5名。本项目所提出的大规模网络建模与分析方法可以有效降低技术评估与选型的复杂度和开发周期，为系统级仿真提供初始输入或指导参数配置等。