Analytical outage analysis of mmW systems with cylindrical antenna arrays

Future generation radio access systems are expected to serve massive multiple users using millimeter-wave (mmW) communications. The remote units (RUs) are equipped with multiple antennas to cope with severe path-loss and reduce the multi-user interference. There is an interest to gain insight on the interplay among i) antennas arranged in a conformal array, ii) height of the remote unit (RU), iii) density of the users and the RUs array-processing coordination. The scenario here is one (or more) uniform cylindrical array (UcylA) positioned at an arbitrary height (h ≥ 0) with serving and interfering users on the ground level. The array beamforming has the interference mitigation capability from multiple users that depend on their density and on h. This thesis derives the statistical properties of the aggregate interference power in the uplink, when employing UcylAs in Line of Sight (LoS) propagation by achieving a tractable expression for the coverage and outage probability. One special case discussed herein is the degree of cooperation in the cooperative RUs system. The geometric decomposition of the UcylA are the steps followed to get the analytical distribution of the aggregated interference for dense homogeneous Poisson point process (PPP) distributed user. Numerical validation of the service probability for arbitrary height (h ≥ 0) and Poisson distributed users’ density (λ) proves that an analytical model is a viable tool for performance analysis in LOS mmW radio access systems.

I sistemi di accesso radio di futura generazione si prevede serviranno un numero elevato di utenti multipli utilizzando comunicazioni a onde millimetriche (mmW). Le unit`a remote (RU) saranno dotate di pi`u antenne per far fronte all’attenuazione e per ridurre l’interferenza multiutente. C’`e un interesse della comunita’ scientifica ad approfondire l’interazione tra i) antenne disposte in un array conforme, ii) altezze da terra dell’unit`a remota (RU), iii) la densit`a degli utenti e l’elaborazione dell’array delle RU con la loro coordinazione. Lo scenario di riferimento qui `e rappresentato da uno (o pi`u) array cilindrici uniforme (UcylA) posizionati ad un’altezza arbitraria (h ≥ 0) con utenti che accedono e interferiscono a livello del suolo. Il beamforming dell’array ha capacit`a di mitigare l’interferenza da pi`u utenti che dipende dalla loro densit`a e dall’altezza da suolo h. Questa tesi ricava le propriet`a statistiche della potenza di interferenza aggregata nel collegamento verso la RU, quando viene impiegato un systema UcylAs in propagazione Line of Sight (LoS) ottenendo un’espressione trattabile per la copertura e l’interruzione probabilit`a. Un caso speciale discusso nella tesi `e il grado di collaborazione in il sistema cooperativo di RU. Le decomposizioni geometriche di UcylA sono i passaggi seguiti per ottenere la distribuzione analitica dell’interferenza aggregata per utenti multipli e densi distribuiti secondo un processo di Poissono (processo a punti di Poisson o PPP). Convalida numerica della probabilit`a di servizio per altezza arbitraria (h ≥ 0) e la densit`a degli utenti distribuiti di Poisson (λ) dimostra la validita’ del modello analitico come uno strumento praticabile per l’analisi delle prestazioni nei sistemi di accesso radio LOS ad onde mmW.