Published January 1, 2022
| Version v1
Publication
Open
A Novel Channel Model and Optimal Power Control Schemes for Mobile mmWave Two-Tier Networks
Creators
- 1. Tomsk Polytechnic University
- 2. National Research Tomsk State University
- 3. Near East University
- 4. Thapar Institute of Engineering & Technology
- 5. King Fahd University of Petroleum and Minerals
- 6. Khon Kaen University
Description
We present a unified system model and framework for the analytical performance study of two heterogeneous and physically-distinct, but coexisting, networks that work harmoniously at the same time, space, and frequency domains. The two-tier network model considered in this paper is an overlaying of femtocells on a macrocell. Overlaying femtocells improves the performance by offloading traffic from macrocells and providing spatial diversity. The mmWave channel model employed considers the number of clusters and rays within each cluster to vary due to the end-user mobility. This is a new and different model compared to the widely used channel models for mmWave two-tier networks. Optimal power control is formulated as a sum-rate maximization problem for downlink and uplink transmissions at two-tier networks and a power allocation scheme is proposed by following Shannon-Hartley theorem. A comprehensive and interesting performance investigation is provided, where it is shown that the upper bound on the number of admitted secondary users has a linear relationship with the outage probability threshold, logarithmic relationship with SINR and exponential relationship with channel gain factors. Simulation results show that the proposed scheme with algorithm 2 is very effective at managing the cross-tier interference and can outperform a competitive scheme from literature that is based on cognitive radio technology. The computational complexity analysis of proposed algorithms are also given, since the complexity of algorithm 2 can be a performance-complexity trade-off issue for systems with limited computation power and time requirements.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
نقدم نموذج نظام موحد وإطار عمل لدراسة الأداء التحليلي لشبكتين غير متجانستين ومتميزتين جسديًا، ولكنهما متعايشتان، تعملان بشكل متناغم في نفس الوقت والمكان ومجالات التردد. نموذج الشبكة المكون من مستويين الذي تم النظر فيه في هذه الورقة هو تراكب خلايا فيمتو على خلية كلية. يعمل تراكب الخلايا الفيمتو على تحسين الأداء من خلال تفريغ حركة المرور من الخلايا الكبيرة وتوفير التنوع المكاني. يأخذ نموذج قناة mmWave المستخدم في الاعتبار أن عدد المجموعات والأشعة داخل كل مجموعة يختلف بسبب حركة المستخدم النهائي. هذا نموذج جديد ومختلف مقارنة بنماذج القنوات المستخدمة على نطاق واسع لشبكات mmWave ذات المستويين. تتم صياغة التحكم الأمثل في الطاقة كمشكلة تعظيم المعدل الإجمالي لإرسال الوصلة الهابطة والوصلة الصاعدة في الشبكات ذات المستويين ويقترح مخطط تخصيص الطاقة باتباع نظرية شانون- هارتلي. يتم توفير تحقيق أداء شامل ومثير للاهتمام، حيث يظهر أن الحد الأعلى لعدد المستخدمين الثانويين المقبولين له علاقة خطية مع عتبة احتمال الانقطاع، والعلاقة اللوغاريتمية مع SINR والعلاقة الأسية مع عوامل كسب القناة. تُظهر نتائج المحاكاة أن المخطط المقترح مع الخوارزمية 2 فعال للغاية في إدارة التداخل متعدد المستويات ويمكن أن يتفوق على مخطط تنافسي من الأدبيات التي تعتمد على تكنولوجيا الراديو المعرفية. يتم أيضًا تقديم تحليل التعقيد الحسابي للخوارزميات المقترحة، نظرًا لأن تعقيد الخوارزمية 2 يمكن أن يكون مشكلة مقايضة تعقيد الأداء للأنظمة ذات متطلبات الحساب والوقت المحدودة.Translated Description (French)
Nous présentons un modèle de système unifié et un cadre pour l'étude de la performance analytique de deux réseaux hétérogènes et physiquement distincts, mais coexistants, qui fonctionnent harmonieusement dans les domaines du temps, de l'espace et de la fréquence. Le modèle de réseau à deux niveaux considéré dans cet article est une superposition de femtocellules sur une macrocellule. La superposition de femtocellules améliore les performances en déchargeant le trafic des macrocellules et en offrant une diversité spatiale. Le modèle de canal mmWave utilisé considère que le nombre de grappes et de rayons au sein de chaque grappe varie en raison de la mobilité de l'utilisateur final. Il s'agit d'un modèle nouveau et différent par rapport aux modèles de canaux largement utilisés pour les réseaux à deux niveaux mmWave. Le contrôle optimal de la puissance est formulé comme un problème de maximisation du taux de somme pour les transmissions en liaison descendante et en liaison montante sur les réseaux à deux niveaux et un schéma d'allocation de puissance est proposé en suivant le théorème de Shannon-Hartley. Une enquête de performance complète et intéressante est fournie, où il est montré que la limite supérieure du nombre d'utilisateurs secondaires admis a une relation linéaire avec le seuil de probabilité de panne, une relation logarithmique avec le SINR et une relation exponentielle avec les facteurs de gain de canal. Les résultats de la simulation montrent que le schéma proposé avec l'algorithme 2 est très efficace pour gérer les interférences inter-niveaux et peut surpasser un schéma concurrentiel de la littérature basé sur la technologie de la radio cognitive. L'analyse de complexité computationnelle des algorithmes proposés est également donnée, étant donné que la complexité de l'algorithme 2 peut être un problème de compromis performance-complexité pour des systèmes avec une puissance de calcul et des exigences de temps limitées.Translated Description (Spanish)
Presentamos un modelo de sistema unificado y un marco para el estudio del rendimiento analítico de dos redes heterogéneas y físicamente distintas, pero coexistentes, que trabajan armoniosamente en los mismos dominios de tiempo, espacio y frecuencia. El modelo de red de dos niveles considerado en este documento es una superposición de femtocélulas en una macrocélula. La superposición de femtocélulas mejora el rendimiento al descargar el tráfico de las macrocélulas y proporcionar diversidad espacial. El modelo de canal mmWave empleado considera que el número de clústeres y rayos dentro de cada clúster varía debido a la movilidad del usuario final. Este es un modelo nuevo y diferente en comparación con los modelos de canal ampliamente utilizados para las redes de dos niveles mmWave. El control de potencia óptimo se formula como un problema de maximización de la tasa de suma para las transmisiones de enlace descendente y enlace ascendente en redes de dos niveles y se propone un esquema de asignación de potencia siguiendo el teorema de Shannon-Hartley. Se proporciona una investigación de rendimiento exhaustiva e interesante, donde se demuestra que el límite superior del número de usuarios secundarios admitidos tiene una relación lineal con el umbral de probabilidad de interrupción, la relación logarítmica con SINR y la relación exponencial con los factores de ganancia del canal. Los resultados de la simulación muestran que el esquema propuesto con el algoritmo 2 es muy eficaz para gestionar la interferencia entre niveles y puede superar a un esquema competitivo de la literatura que se basa en la tecnología de radio cognitiva. También se proporciona el análisis de complejidad computacional de los algoritmos propuestos, ya que la complejidad del algoritmo 2 puede ser un problema de compensación de complejidad de rendimiento para sistemas con requisitos limitados de potencia de cálculo y tiempo.Files
09777977.pdf.pdf
Files
(245 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:4a4feb08a3a68d84a25fd1a6dd71352a
|
245 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نموذج قناة جديد ومخططات مثالية للتحكم في الطاقة للشبكات المتنقلة ذات الموجة المليمترية ذات المستويين
- Translated title (French)
- Un nouveau modèle de canal et des schémas de contrôle de puissance optimaux pour les réseaux mobiles à deux niveaux mmWave
- Translated title (Spanish)
- Un nuevo modelo de canal y esquemas de control de potencia óptimos para redes móviles de dos niveles mmWave
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4285121963
- DOI
- 10.1109/access.2022.3176320
References
- https://openalex.org/W1942972763
- https://openalex.org/W2005335976
- https://openalex.org/W2009055019
- https://openalex.org/W2021865648
- https://openalex.org/W2102757434
- https://openalex.org/W2113134966
- https://openalex.org/W2116334496
- https://openalex.org/W2117722074
- https://openalex.org/W2118166339
- https://openalex.org/W2120419969
- https://openalex.org/W2122496159
- https://openalex.org/W2123059049
- https://openalex.org/W2132305759
- https://openalex.org/W2137634826
- https://openalex.org/W2138382726
- https://openalex.org/W2154163615
- https://openalex.org/W2158861220
- https://openalex.org/W2171884936
- https://openalex.org/W2219770862
- https://openalex.org/W2325504487
- https://openalex.org/W2406756487
- https://openalex.org/W2472272354
- https://openalex.org/W2527397910
- https://openalex.org/W2548842562
- https://openalex.org/W2575556986
- https://openalex.org/W2577031116
- https://openalex.org/W2597975502
- https://openalex.org/W2612561238
- https://openalex.org/W2769043969
- https://openalex.org/W2789347937
- https://openalex.org/W2801657638
- https://openalex.org/W2883176304
- https://openalex.org/W2884185494
- https://openalex.org/W2889873120
- https://openalex.org/W2891207822
- https://openalex.org/W2903146257
- https://openalex.org/W2911402032
- https://openalex.org/W2950703908
- https://openalex.org/W2963101613
- https://openalex.org/W2964270423
- https://openalex.org/W2967959654
- https://openalex.org/W2969465871
- https://openalex.org/W2969993933
- https://openalex.org/W2970910753
- https://openalex.org/W2974678512
- https://openalex.org/W2980626082
- https://openalex.org/W2989208292
- https://openalex.org/W3006025650
- https://openalex.org/W3010771635
- https://openalex.org/W3016504783
- https://openalex.org/W3033179367
- https://openalex.org/W3033373932
- https://openalex.org/W3034224445
- https://openalex.org/W3034505848
- https://openalex.org/W3039424145
- https://openalex.org/W3040357295
- https://openalex.org/W3080823691
- https://openalex.org/W3104675699
- https://openalex.org/W3115397912
- https://openalex.org/W3165072817
- https://openalex.org/W3192042028
- https://openalex.org/W3202334432
- https://openalex.org/W391578156
- https://openalex.org/W4250589301