Millimeter Wave Communications in 5G Networks and Beyond: New System Models and Performance Analysis

Abstract

The dissertation investigates different network models, focusing on three important features for next generation cellular networks with respect to millimeter waves (mmWave) communications: the impact of fading and co-channel interference (CCI), energy efficiency, and spectrum efficiency. To address the first aim, the dissertation contains a study of a non-orthogonal multiple access (NOMA) technique in a multi-hop relay network which uses relays that harvest energy from power beacons (PB). This part derives the exact throughput expressions for NOMA and provides a performance analysis of three different NOMA schemes to determine the optimal parameters for the proposed system’s throughput. A self-learning clustering protocol (SLCP) in which a node learns its neighbor’s information is also proposed for determining the node density and the residual energy used to cluster head (CH) selection and improve energy efficiency, thereby prolonging sensor network lifetime and gaining higher throughput. Second, NOMA provides many opportunities for massive connectivity at lower latencies, but it may also cause co-channel interference by reusing frequencies. CCI and fading play a major role in deciding the quality of the received signal. The dissertation takes into account the presence of η and µ fading channels in a network using NOMA. The closed-form expressions of outage probability (OP) and throughput were derived with perfect successive interference cancellation (SIC) and imperfect SIC. The dissertation also addresses the integration of NOMA into a satellite communications network and evaluates its system performance under the effects of imperfect channel state information (CSI) and CCI. Finally, the dissertation presents a new model for a NOMA-based hybrid satellite-terrestrial relay network (HSTRN) using mmWave communications. The satellite deploys the NOMA scheme, whereas the ground relays are equipped with multiple antennas and employ the amplify and forward (AF) protocol. The rain attenuation coefficient is considered as the fading factor of the mmWave band to choose the best relay, and the widely applied hybrid shadowed-Rician and Nakagami-m channels characterize the transmission environment of HSTRN. The closed-form formulas for OP and ergodic capacity (EC) were derived to evaluate the system performance of the proposed model and then verified with Monte Carlo simulations.

Dizertační práce zkoumala různé modely sítí a zaměřila se na tři důležité vlastnosti pro buňkové sítě příští generace s ohledem na mmW komunikace, kterými jsou: vliv útlumu a mezikanálového rušení (CCI), energetická účinnost a účinnost spektra. Co se týče prvního cíle, dizertace obsahuje studii techniky neortogonálního vícenásobného přístupu (NOMA) v bezdrátové multiskokové relay síti využívající získávání energie, kde relay uzly sbírají energii z energetických majáků (PB). Tato část přináší přesné výrazy propustnosti pro NOMA a analýzu výkonnosti se třemi různými schématy NOMA s cílem určit optimální parametry pro propustnost navrženého systému. Dále byl navržen samoučící se shlukovací protokol (SLCP), ve kterém se uzel učí informace o sousedech, aby určil hustotu uzlů a zbytkovou energii použitou k výběru hlavy shluku CH pro zlepšení energetické účinnosti, čímž může prodloužit životnost sensorové sítě a zvýšit propustnost. Za druhé, přístup NOMA poskytl mnoho příležitostí pro masivní připojení s nižší latencí, NOMA však může způsobovat mezikanálové rušení v důsledku opětovného využívání kmitočtů. CCI a útlum hrají klíčovou roli při rozhodování o kvalitě přijímaného signálu. V této dizertace je brána v úvahu přítomnost η a µ útlumových kanálů v síti užívající NOMA. Odvozeny jsou výrazy v uzavřené formě pro pravděpodobnost výpadku (OP) a propustnost s dokonalým postupným rušením rušení (SIC) a nedokonalým SIC. Dále se dizertace zabývá integrací přístupu NOMA do satelitní komunikační sítě a vyhodnocuje výkonnost systému při dopadech nedokonalé informace o stavu kanálu (CSI) a CCI. Závěrem disertační práce představuje nový model pro hybridní družicově-terestriální přenosovou síť (HSTRN) založenou na NOMA vícenásobném přístupu využívající mmWave komunikaci. Satelit využívá NOMA schéma, zatímco pozemní relay uzly jsou vybaveny více anténami a aplikují protokol zesilování a předávání (AF). Je zaveden srážkový koeficient, který je uvažován jako útlumový faktor mmWave pásma při výběru nejlepšího relay uzlu. Samotné přenosové prostředí HSTRN je charakterizováno pomocí hybridních Rician a Nakagami-m kanálů. Vztahy pro vyhodnocení výkonnosti systému navrženého modelu vyjadřující ergodickou kapacitu (EC) a pravděpodobnost ztrát (OP) byly odvozeny v uzavřené formě a následně ověřeny pomocí simulační numerické metody Monte Carlo.