MmWave heterogeneous cellular networks and applications : a stochastic geometry approach

Abstract

Η ευρεία χρήση των κινητών συσκευών και η εμφάνιση νέων ασύρματων υπηρεσιών έχουν οδηγήσει σε μια εντυπωσιακή κλιμάκωση της ζήτησης της κυκλοφορίας δεδομένων, η οποία δημιουργεί εξαιρετικά τεράστιες προκλήσεις στα σημερινά συστήματα επικοινωνιών που λειτουργούν σε ζώνες κάτω των $6\ GHz$. Άρα, είναι απαραίτητη η διερεύνηση καινοτόμων παραδειγμάτων ανάπτυξης δικτύων και χρήσης του φάσματος για να υποστηριχθούν οι επερχόμενες απαιτήσεις για μεγαλύτερο όγκο δεδομένων, ρυθμό επικοινωνίας καθώς και χωρητικότητα του συστήματος. Η ανάπτυξη ετερογενών δικτύων τα οποία λειτουργούν στη ζώνη συχνοτήτων χιλιοστομετρικού κύματος υποστηρίζεται ως μία από τις πιο ελπιδοφόρες τεχνολογίες που επιτρέπουν την ικανοποίηση αυτών των απαιτήσεων. Ωστόσο, ο συν-σχεδιασμός των ετερογενών κυψελωτών δικτύων χιλιοστομετρικού κύματος με εξελιγμένες τεχνικές επικοινωνίας και επεξεργασίας σήματος, όπως την πλήρως αμφίδρομης επικοινωνία, τη συντονισμένη μετάδοση πολλαπλών σημείων, τη διαδοχική ακύρωση παρεμβολών, τον έλεγχος ισχύος και την σταθμισμένη σύνδεση του χρήστη, δεν έχουν ληφθεί υπόψη. Επιπλέον, παρόλο που η συνύπαρξη των συστημάτων επικοινωνίας και ραντάρ μπορεί να ενισχύσει την απόδοση του δικτύου από την άποψη της μείωσης των παρεμβολών και του βελτιωμένου εντοπισμού, η διερεύνησή της παραμελήθηκε στο πλαίσιο των ετερογενών δικτυών χιλιοστομετρικού κύματος. Για το σκοπό αυτό, αυτή η διδακτορική διατριβή παρουσιάζει ένα νέο αναλυτικό πλαίσιο βασισμένο στην στοχαστική γεωμετρία για την αξιολόγηση της επιτευχθείσας απόδοσης των προαναφερθεισών τεχνικών στα επόμενης γενεάς ετερογενή δίκτυα χιλιοστομετρικού κύματος, από μακροσκοπική οπτική γωνία.

The widespread use of mobile devices and the emergence of new wireless services have led to an impressive escalation in data traffic demand, which poses extremely huge challenges in current communications systems that operate in sub-$6$ GHz bands. The investigation of novel paradigms of network deployments and spectrum utilization is required to support the upcoming demands for higher data volume, communication rate as well as system capacity. The deployment of heterogeneous networks (HetNets) operating in the millimeter-wave (mmWave) frequency band has been advocated as one of the most promising enabling technologies to meet these demanding requirements. However, the co-design of mmWave heterogeneous cellular networks with sophisticated communication and signal processing techniques, such as full-duplex (FD) radio, coordinated multi-point (CoMP) transmission, successive interference cancellation (SIC), power control and weighted cell association, has been disregarded. In addition, even though the synergy of communication and radar systems can potentially enhance the network performance in terms of interference mitigation and improved localization, its investigation in the context of mmWave heterogeneous cellular networks has been neglected. To this purpose, this PhD dissertation presents a novel analytical framework based on stochastic geometry to evaluate the achieved performance of the aforementioned techniques in next-generation mmWave heterogeneous cellular networks, from a macroscopic point-of-view.