T E L KO M N I KA  T e lec om m u n icat ion ,   Com p u t i n g,   E lec t r on ics   an d   Cont r ol   Vol.   18 ,   No.   3 J une   2020 ,   pp.   118 5 ~ 119 4   I S S N:  1693 - 6930,   a c c r e dit e F ir s G r a de   by  Ke me nr is tekdikti ,   De c r e e   No:   21/E /KP T /2018   DO I 10. 12928/ T E L KO M NI KA . v18i3. 15049     1185       Jou r n al  h omepage ht tp: // jour nal. uad . ac . id/ index . php/T E L K OM N I K A   M axi m is in g syste m   t h r ou g h p u t  i n  w i r e le ss  p ow e r e d     su b - 6   GH z  an d   m il li m e t r e - w a ve  5G h e t e r oge n e o u s n e t w o r k s       Qazw an   Abd u ll ah 1 ,   Noor s ali z Abd u l lah 2 ,   M oh am m e d   B alf aq ih 3 ,   Nor   S h ah i d M oh d   S h ah 4   S h ip u n   Anu ar 5 ,   Akra m   A .   Alm o h am m e d i 6 ,   Ade e b   S alh 7 ,   Nabi l   F ar ah 8 ,   Vlad im ir  S h e p e lev 9   1 , 2, 5, 7 Fa cu l t y   o E l ect r i cal   an d   E l ect r o n i E n g i n eer i n g ,   U n i v ers i t i   T u n   H u s s ei n   O n n   Mal a y s i a ,   Mal ay s i a   3 D ep ar t men t   o Co m p u t er  an d   N et w o r k   E n g i n eer i n g ,   U n i v er s i t y   o J ed d ah ,   Sau d i   A ra b i a   3 ,9 D e p art me n t   o A u t o m o b i l T ra n s p o r t at i o n ,   So u t h   U ral   St at U n i v ers i t y ,   Ru s s i a   4 Facu l t y   o E n g i n eeri n g   T ec h n o l o g y ,   U n i v er s i t i   T u n   H u s s ei n   O n n   Ma l ay s i a,   Mal a y s i a   6 D ep ar t men t   o Co m p u t er  an d   C o mmu n i ca t i o n   E n g i n ee r i n g ,   U n i v er s i t i   Pu t ra  Mal a y s i a,   Mal ay s i a   8 Facu l t y   o E l ec t ri ca l   E n g i n eeri n g ,   U n i v er s i t i   T e k n i k a l   Ma l ay s i Mel a k a,   Mal ay s i a       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT     A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived  De c   23 ,   2019   R e vis e F e 7 ,   2020   Ac c e pted  F e 23 ,   2020     Mi l l i met re   w av (mm - W a v e)  b an d s   an d   s u b - 6   G H are  k ey   t ech n o l o g i e s   i n   s o l v i n g   t h s p ec t ru cri t i ca l   s i t u at i o n   i n   t h fi ft h   g e n erat i o n   (5 G w i rel e s s   n et w o r k s   i n   ac h i e v i n g   h i g h   t h r o u g h p u t   w i t h   l o w   t ran s mi s s i o n   p o w er.     T h i s   p ap er  s t u d i es   t h p erfo rma n ce  o d e n s s mal l   cel l s   t h a t   i n v o l v e     mi l l i met re  w a v (mm - W av e)  b an d   an d   s u b - 6   G H t h a t   o p era t i n   h i g h   freq u e n cy   t o   s u p p o rt   mas s i v mu l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t   s y s t ems   (MIMO ).   In   t h i s   p ap er,   w an a l y s t h p ro p ag a t i o n   p at h   l o s s   an d   w i rel e s s   p o w ered   t ran s fer  fo 5 G   w i re l es s   cel l u l ar  s y s t em  fro b o t h   macr o   cel l s   a n d   femt o ce l l s   i n   t h s u b - 6   G H (µW av e)  an d   mm - W av t i ers .   T h i s   p ap er  al s o   an al y s e s   t h t i er  h e t ero g en e o u s   i n   d o w n l i n k   fo b o t h   mm - W av a n d     sub - 6   G H z.   It   fu rt h er  p r o p o s e s   n o v e l   d i s t r i b u t e d   p o w er  t o   mi t i g at e     t h i n t er - b eam   i n t erfere n ce  d i rect o rs   an d   ac h i e v h i g h   t h ro u g h p u t   u n d er  g ame   t h e o ry - b as e d   p o w er  co n s t ra i n t s   acro s s   t h s u b - 6   G H an d   mm - W av e   i n t erfaces .   Fro t h s i mu l at i o n   res u l t s ,   t h p ro p o s ed   d i s t ri b u t e d   p o w ers   i n   femt o ce l l   s u p p re s s e s   i n t er - b eam  i n t erfe re n ce  b y   mi n i m i s i n g   p a t h   l o s s   t o   act i v e   u s er s   (U E s an d   p ro v i d es   s u b s t a n t i a l   p o w er  s a v i n g   b y   co n t r o l l i n g     t h d i s t ri b u t ed   p o w er  al g o ri t h t o   ach i ev h i g h   t h ro u g h p u t .   K e y w o r d s :   Ac ti ve   us e r s   F if th  ge ne r a ti on   ( 5G)   M a s s ive  M I M   m m - W a ve     T hr oughput    Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l u n d e r   t h CC  B Y - SA   l i ce n s e .     C or r e s pon din A u th or :   Qa z wa Abdullah,   De pa r tm e nt  of   E lec tr ica E nginee r ing   F a c ult of   E lec tr ica a nd   E lec tr onic   E nginee r ing ,     Unive r s it T un  Hus s e in  Onn  M a lays ia ,     86400  P a r it   R a ja,   J ohor ,   M a lays ia.   E mail:   ga z wa n20062015@gmail. c om       1.   I NT RODU C T I ON   T he   mas s ive  M I M s ys tem  will   be   a   c r it ica l   ingr e d ient  f or   mi ll im e ter   wa ve   tec hnology,   whic h   is   pa r t   of   the   5G   wir e les s   c e ll ular   ne twor ks .   T he   high   be a mf or mi ng   ga in   f r om   the  mas s ive  M I M s ys tem  wi ll   c ombat   the  pa th  los s   o f   mi ll im e ter   wa ve   t r a ns mi s s ion.   As   a   r e s ult ,   the   powe r   c ons umpt ion   s igni f ica ntl y   incr e a s e s   with   li mi ted  c ha nne s tate   inf or mation  ( C S I )   o f   the  tr a ns mi tt ing  s ignals   f r om  the  ba s e   s tation  ( B S )   to   the  a c ti ve   us e r   e quipm e nt  ( UE ) .   T he   f if th  ge ne r a ti on   ( 5G)   is   li ke ly   to  be   ope r a ted   in  the  de ns e   mm - W a ve   B S   c e ll ular   ne twor ks   ba nds   20 - 100   GH z .   5G  c e ll ular   ne twor ks   wil be   a dopted  in   the  mas s ive  M I M O,   mm - W a ve   a nd    s ub - GH z .   5G  is   de s igned  to  ope r a te  with  high  ba ndwidth  to  a c hieve   high  thr oughput  ( gigabits   pe r   s e c ond)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   3 J une   2020:    118 5   -   119 4   1186   with  high  r e li a bil it a nd  low  late n c [ 1 - 4] .   T he   mas s ive  mul ti - input - mul ti - output   ( M I M O)   s ys t e r e quir e s   mana ging  thes e   f r e que nc ies   to  e nha nc e   be a mf or mi ng  ga in  a nd  a r r a ga in .   F u r ther mor e ,   mas s ive  M I M s ys tems   c a c ontr ol  pr opa ga ti on  los s   due   to  c ha n ne s im il a r it ies   f or   the  U E s   a nd  mi ti ga te   the  int e r f e r e nc e   be twe e the  UE s   [ 5 - 9] .   M a s s ive  M I M s ys tems   r e quir e   f oc us ing  the   de s ir e s ignal  dir e c ti on   r e s ult i ng  f r om   the  high  pa th  los s   a nd  dir e c ti ona c ha nne ls   f or   both   s ub - GH z   B S   a nd  mm - W a ve .     Huge   a ntenna   a r r a ys   a r e   us e in  the   s ub - GH z   B S   a nd  mm - W a ve   B S   to  maximi s e   thr oughpu unde r   the  c r it e r ion   powe r   tr a ns f e r   be a mf o r mi ng   to  a c ti ve   us e r s   ( UE s ) .   W ir e les s   5G  f or   s ub - GH z   B S   a nd   m m - W a ve   B S s   is   pr e pa r e with  their   c or r e s ponding  a ntenna   a r r a ys   [ 10] .   T he   obtaina ble  mm - W a ve   us e s   di r e c ti ona be a mf or mi ng   f or   a ntenna   a r r a ys   to   pr ovide   the   s malles pr opa ga ti on   dis tanc e   a nd   a   la r ge   ba ndwidth   f r e que nc y.   T he   pa th  los s   im pli e s   the  ne e in  e mpl oying  the  omni dir e c ti ona a ntenna s   thr oughout  the  r a dio  f r e que nc y   c ove r a ge   a r e a .   T he   p r opa ga ti on  los s   in   mm - W a ve   is   hi ghe r   than   the   s ub - GH z   ba s e on  the   type   o f   f a c to r s   c ontr ibut ing  to   a tm os phe r ic  a bs or pti on.   T he   g r e a ter   the  number   of   B S   a ntenna s ,   the  mo r e   the  ba s e   s tation  de ns it r e duc e s   be c a u s e   of   the  r e duc e de ns if ica ti on  ga ins .   Due   to  the  lar ge   powe r   c ons umpt ion    of   the   a na logue - to - digi tal  c onve r ter ,   the   lar ge   ba n dwidth  f o r   mm - W a ve   is   de c r e a s e [ 11 ] .   la r ge   n umber   of   a ntenna   a r r a ys   de li ve r s   s e ve r a o f   the   r e c e ived  s ig na ls   or   int e r f e r e s   with   the  powe r   ga ined  c o r r e s ponding  to     the  a ngles   of   de pa r tur e /a r r ival.     T he   a c h ieva ble  thr oughput  is   ne a r ly  e qua ll e to  th e   ba ndwidth,   while  powe r   c ons umpt ion  incr e a s e s   li ne a r ly  due   to   c onve r ti ng   the  a na logue - to - digi tal  c onve r ter   in  the   powe r   c i r c uit   with   ba ndwidth.   T he   high   c a pa c it ies   in  5G  de pe nd  on   low   powe r   t r a ns mi s s ions   a nd  low  s ignal - to - int e r f e r e nc e - nois e   r a ti ( S I NR ) ,   whic h   a r e   obtaine us ing  the  mm - W a ve   ba nd s   [ 12] .   T he   lar ge   ba ndwidth  c ha nne in  the  mm - W a ve   us e s   t he   lowe r   dis tanc e   with  highl dir e c ti ona a ntenna s   to  s e ve r   pr opa ga ti on  pa th  los s   a nd  ge ne r a te  the  GB /s   c omm unica ti on  r a tes .   I a ddit ion,   the  mm - W a ve   ba nd  r e s tr icts   the  higher   pa th  los s   in  mac r c e ll s   a nd  f e mt oc e ll   a nd  a ls o   incr e a s e s   the  s pa ti a r e us e   of   r a dio   r e s our c e   in   the  c e ll ular   s ys tem.   T he   mm - W a ve   f or   f e mt oc e ll   a nd  ma c r c e ll s   c ould  be   us e r e s our c e f ull whe n   a n   a s s oc iation  is   a c hieva ble.     T he   lowe r   powe r   tr a ns mi s s ion  of   f e mt oc e ll s   a nd  th e   s ignal  s e pa r a ti on  due   to  dis pe r s ion  los s   by  wa ll s   may  a ls r a dica ll li mi t   the  int e r f e r e nc e   f r om  n e ighbour ing  f e mt oc e ll s   a nd   mac r o   c e ll s   [ 13] .   M or e ove r ,     the  a ntenna   in  the  mm - W a ve   ha s   a   s mall  e f f e c ted  a r e a   c a us ing  a   los s   in  e ne r gy  dis tr ibut ion  a s   the  a ntenna   ha s   a   li mi ted  e f f e c ti ve   a r e a   a nd   c a nnot  tr a ns mi t   mor e   e ne r gy.   M or e ove r ,   a   la r ge   number   of   s ub - GH z   B S s   ne e ds   mor e   wir e les s   powe r   tr a ns mi s s ions .   I n   a ddit ion ,   the  s ub - 6   GH z   i n   mas s ive  M I M c a s uppr e s s   the  in ter f e r e nc e   by  us ing  a   lar ge   numbe r   of   a ntenna s   to  s e r ve   a   lar g e   number   of   UE s .   T he   s ub - GH z   f or   B S   c a pr ovi de   f or   a ll   c ove r a ge   a r e a s   whe the  mm - W a ve   c onne c ti on  f a il s   or   doe s   not  e xis t .     F r om  the   e xis ti ng  wor ks ,   the  a uth o r s   in  [ 13]   de ve loped  a   f r a mew or k   of   pe r f o r manc e   a r e a   s pe c tr a l   e f f icie nc while   unde r s tudyi ng   a S I NR   in   the   up li nk;  ba s e on   the   dis tanc e   f r om   a   l ine - of - s ight   ( L OS)   a nd     a   non - li ne - of - s ight   ( non - L OS)   us e r   in  a   f r a c ti ona l   powe r   c ontr ol   to  de c r e a s e s   pa th  l os s .   T he   a uthor s   in  [ 14 ]   inves ti ga ted  the  pe r f o r manc e   ne twor k   in   the   down li nk  f o r   5G  hyb r id  ne two r ks   that   c ons is ts   both  s u b - GH z   a nd  mm - W a ve   ba nds   to  a na lys e   the   e ne r gy  e f f icie n c a nd  s pe c tr a e f f icie nc y.   T he   a uthor s   in   [ 15]   c onc e ntr a ted  on  the  tr a ns f e r r i ng  of   powe r   in  c e ll ular   ne two r ks   in  the  upli nk  by  f oc us ing  on  the  im pa c ts   of   many  a ntenna s   a nd  ba ndwidths   a lowe r   a nd   higher   f r e que nc ies .   T his   wa s   in  a ddit ion   to  how   many  mm - W a ve   in  s mall  c e ll s   c a be   us e to  obtain  the  a c c e pted  leve of   ha r ve s ted  e ne r gy  mor e   than  the  s ub - GH z   s mall  c e ll s .   F ur t he r mor e ,   to  mi ti ga te  the  e ne r gy   s c a r c it in  s ub - GH z   a nd  mm - W a ve ,   the  a uthor s   in  [ 16 ]   pr opos e the  op ti m a r a te  a nd  e ne r gy  e f f icie nc f or   a   phys ica laye r   us ing  th e   powe r   c ons tr a int s   to   maximi s e   the  s um   r a te   in  bot   the  tr a ns mi tt e r   a nd  r e c e iver .   I a ddit ion,   to  opti mi s e   the  e ne r gy  e f f icie nc y,   the  a uthor s   in  [ 16 ]   us e f r a c ti ona pr ogr a mm ing   a nd  Dinke lbac h’ s   a lgor it hm.   T he   a ut hor s   in  [ 17]   be li e ve that   the  h igh  c a pa c it in   5G   c ould  be   a c hieve us ing  hybr id  c e ll ular   n e twor ks   in  s ub - GH z   a nd  mm - W a ve   f or   s mall  c e ll s .   T a c hieve   high  c a pa c it y,   the  a uthor s   in   [ 17 ]   us e d   the  a na lyt ica l   model  a nd   d e r ived  the  S I NR   a nd   c ove r a ge   pr oba bil it in  both   d ownlink  a nd  upli nk.   [ 18 - 20]   p r opos e a outer   laye r   non - c oope r a ti ve   ga me - theor e ti c   method  to  maximi s e   e ne r gy   e f f icie nc in  the  upli nk  of   a   hyb r id  c e ll ular   s ys tem  with  a   f e mt oc e ll   a c c e s s   point   that  im pr ove s   the  s u r a te  by   c hoos ing  a   s ub - GH z   or   mm - W a ve .     I thi s   pa pe r ,   we   maximi s e   the  a c hieve high   t hr oughput  with   low  t r a ns mi s s ion  powe r s   unde r     the  pr opa ga ti on  pa th   los s   a nd  ga me  theor y - ba s e powe r   c ons tr a int s   by  pr opos ing  a   nove dis tr ibu ted  powe r   a lgor it hm  to  mi ti ga te  the  int e r f e r e nc e   in  downli nk  mas s ive  M I M f or   both  s ub - GH z   a nd  m m - W a ve   int e r f a c e s .   I n   a ddit ion   to,   t his   pa pe r   a na lys e s   the  t ier   he ter oge ne ous   in   downlink  f or   both   the  m m - W a ve   a nd  s ub - GH z   to  mi ti ga te  the  int e r - be a int e r f e r e nc e   a nd  a c hieva ble  high  thr oughput   unde r   a   ga me   theo r y - ba s e d   powe r   c ons tr a int   a c r os s   the   s ub - GH z   a nd   m m - W a ve   int e r f a c e s .   F igu r e   1   s hows   the   s ys tem  model  of     mm - W a ve   e na bled  2 - ti e r   He tNe t.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         M ax imis ing  s y s tem   thr oughput  in  w ir e les s   pow e r e s ub - 6   GH z   an d…   ( Qaz w an  A bdull ah )   1187       F igur e   1 .   S ys tem  model   of   mm - W a ve   e na bled  2 - ti e r   He tNe t       2.   S YST E M   M ODE L   I thi s   pa pe r ,   we   c ons ider   a   wi r e les s   c e ll ular   ne twor in  the  downlink   tr a ns mi s s ion,   whic c ons is ts   of   a   typi c a two - ti e r   s mall  c e ll   ope r a ti ng   a s ub - GH z   a nd  the  mm - W a ve   f r e que nc ba nd.   W e   a s s ume  that  e ve r y   a c ti ve   us e r   ( UE )   ha s   a   s ingl e   r e c e iver   a ntenna   a nd  is   s e r ve by  the  c los e s B S   whe r e   e a c s ub - GH z   s mall  B S   is   e quipped  with  s e ve r a a ntenna s   a nd  e ve r y   mm - wa ve   s mall  B S   ha s   dir e c ti ona mm - W a ve   a ntenna s .     T he   B S   with   a   ti e r   he ter oge ne ous   ne twor k   a s s oc iate with  UE s   is   given   a s :     =    6 ,  1                 ( 1)     whe r e   the  k   is   the  powe r   tr a ns mi s s ion  f r om   B S   to   UE s ,   k th α k   is   the  bias   f a c tor   a nd  1 γ k   r e pr e s e nts   the  pa th  los s   of   UE s   a tr a ns mi tt ing  s ignals   f r om  B S   to  UE s   a dis tanc e   d .   T he   UE   de pe nds   on  the  maximu tr a n s mi t ted  powe r   whe α k = 1 ,   while  whe α k = 0 ,   the   UE   de pe nds   on  the  maximum   bias e r e c e ived  powe r .     2. 1.     P a t h   los s     P a th  los s   ( high  ga in  dir e c ti ona be a m)   pr ovides   be tt e r   r a dio  f r e que nc c ove r a ge   f or   dis tanc e   a nd  e s ti mating  the  c e ll   c ove r a ge   ba s e on  the   number   o f   B S   a nd  U E s .   T he   s mall  wa ve length  in   mm - W a ve   make s   tr a ns mi tt ing  be a mf o r mi ng   mor e   viable   in   the   s mall  c e ll s   c ove r a ge   a r e a   by   us ing   a   lar ge   a ntenna   a r r a y .   M or e ove r ,   with  the  va r iation  of   the  a bs or pti on  a nd  tr a ns mi s s ion  e f f e c t,   the  pr opa ga ti on  los s   a the  mm - W a ve   is   mor e   s igni f ica nt   than  the   s ub - GH z .   F u r ther mor e ,   e ve r m m - W a ve   B S   dis tr ibut e s   mm - W a ve   r a dio   f r e que nc tr a ns mi ts   powe r   to   mm - W a ve   UE s   that  ha s   the  s malles pa th  los s   to  r e duc e   the  be a m ,   whi le  e ve r y   s ub - GH z   B S s   tr a ns mi ts   powe r   f or   dis tr ibut ing  e n e r gy  to  the  a djac e nt  s ub - GH z   UE   [ 12 - 18] .   W e   will   ha ve   two  indepe nde nt  pa th  los s   f or   the  mm - W a ve   a nd  s ub - GH z   be twe e e ve r B S   a nd  UE s .   T he   pa th  lo s s   s c a led   in  dB   ove r   a ll   dis tanc e s   c a be   modelled  in   mm - W a ve   ρ mm ( d )   a s :      ( ) = { + 10   ( ) + + 10   ( ) +             ( 2)     while  the  pa th  los s   f o r   s ub - GH z   ρ 6 Gh z   ( d )   c a be   e xpr e s s e a s :     6   ( ) = 20 ( 4 0 ) + 10ᴪ ( ) + 6           ( 3)     f r om   ( 2) ,   d   r e pr e s e nts   the  d is tanc e   in  met r e s ,   y L   r e pr e s e nts   the  z e r mea n   nor mal   r a ndom   log   a da ptabl e   f or     a   li ne   o f   s ight ,   y N   r e p r e s e nts   the  z e r mea n   nor mal   r a ndom  log  a da ptable   f or   non - li ne   of   s ight ,     r e pr e s e nts     the  pa th  los s   e xpone nt  f or   both   li ne s   of   s ight   a nd  the  f ixed  pa th  los s   is   e xpr e s s e a s   = 32 . 4 + 20 log ( f c ) F r om  the  s ub - GH z   in  ( 3) ,   d 0   r e pr e s e nts   the  c lo s e   r e f e r e nc e   dis tanc e   a nd   λ   r e pr e s e nts   the  wa v e le ngth  e quivale nt  to  the  c a r r ier   f r e que nc y   f c .   T he   tr a ns mi s s ion  powe r   f r om  B S   in  mm - W a ve   a nd  s ub - GH z   to  UE s   in  downlink  ba s e on  a   s ubc a r r ier   ( ) ,   c a be   e xpr e s s e a s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   3 J une   2020:    118 5   -   119 4   1188   ( ) = { ( ) ( )  ( )        ( ) 6   ( )      6                 ( 4)     whe r e   t   is   the  tr a ns mi powe r ,   ( φ )   is   the  a ntenna   ga in   f or   the  a z im uthal   a ngle  φ   of   the  B S   be a a li gnment   a nd  Ω ij ( ϰ )   r e pr e s e nts   the  c ha nne be twe e the  i   th   UE   a t he   j   th   B S   f o r   s ubc a r r ier   ϰ   a nd  a ll   c ha nne ls   that  unde r go  indepe nde nt  identica ll dis tr ibut ion  ( i. i. d. ) .   W he the  number   of   a ntenna s   goe s   to  inf ini ty,     the  R a yleigh  c ha nne l   dis tr ibut ion   f or   s ub - 6Ghz   is   s uit a b le.   T he   pa tt e r n   t r a ns mi tt e r   be a be c omes   pe r f e c tl y   a li gne in   the  c a s e   o f   φ = [ φ 0 2 , φ 0 2 ] ,   the     r e pr e s e nts   the  ha l f   po we r   be a wid th  a nd     the  a c ti ve   us e r   in  s ub - GH z   is   a s s umed  to  be   omn i - dir e c ti on.     B a s e on  mi ti ga ti ng  the  c r os s   int e r f e r e nc e   of   UE s   i the  s ubc a r r ier     a nd  the  good   qua li ty  o f   s e r vice ,   we   a s s ume  the  c onn e c ti on  i j ( ) [ 0 , 1 ]   f r om  the  i   th   UE   a the  j   th   B S   is   c ompete nt  to  obtain  the  opti mal  tr a ns mi powe r   i j   of   i   th   UE .   F r om  the  he ter oge ne ous   ne twor a nd  the  f e mt oc e ll   a c c e s s   point s   e f f e c ti ve   in  mm - W a ve ,   we   e xpr e s s   the  int e r f e r e nc e   thr e s hold  ζ mm ( k )   of   the  k th   UE s   s ubc a r r ier   a s   i j i j ( k m ) ij ( k m ) i j ( k m )   ζ mm ( k m ) ,   whe r e   the  m   a nd    a r e   f e mt oc e ll   a c c e s s   point s   ope r a ti ng  in     the  mm - W a ve   a nd  the  mac r c e ll   us e r   e quipm e nt   in  s ub - GH z .   T he   powe r   l oa ding  f a c tor ,   ×   is     the  c ha nne matr ix  a s s umed  to  be   indepe nde nt  a nd  identica ll dis tr ibut e ( i. i . d. ) .     2. 2.     Ne t wor k   t h r ou gh p u t   o f   f e m t oc e ll s     I the  mm - W a ve ,   ther e   is   no  ne e to   s igni f ica ntl y   gr ow  the  int e r f e r e nc e   due   to  it s   us e   of   high  ga in   dir e c ti ona a ntenna s .   S im il a r ly ,   the  he ter oge ne ous   ne twor of   the  int e r f e r e nc e   thr e s hold  tr a ns mi ts   the  s ignal  to  the  k   th   UE s   in  s ub - Ghz   f or   the  mac r oc e ll s   a c c e s s   point s   ( )  ( ) ( )   6 ( )     a nd  the  s ub - Ghz   c ha nne powe r   ga in  is   c ontr oll e thr ough  r a ndom  pa th  los s   f or   a   lar ge   number   of   a ntenna s .   M or e ove r ,   it   c a nc e ls   the  int e r f e r e nc e   f r om   the  int e r   a nd  int r a   c e ll s   be twe e the  mac r a nd   f e mt oc e ll s   to  opti mi s e   the  s ys tem  pe r f or manc e   of   He tNe t,   whe r e   ij   r e pr e s e nts   the  magnitude  of   c ha nne ga in   f r om   UE   j   to  the   r e c e iver   of   UE     a nd  the  inver s e   pa th  los s   f r om  us e r   j   to  the  r e c e iver   of   us e r   .   I the  downlink  t r a ns mi s s ion,   the  mm - W a ve   B S   us e s   lowe r   tr a ns mi s s ion  of   powe r   in  the  c a s e   of   a   li ne   of   s ight .   T he   nois e   in  a   lar ge   ba ndwidth  mm - W a ve   is   li mi ted  a c c or ding  to  a   UE   in  the  mm - W a ve   that  us e   a   lowe r   tr a ns mi s s ion  of   powe r   to  li mi int e r f e r e n c e   [ 21 - 24] .   B a s e on  the  mul ti - us e r   e quipm e nt  in   c e ll ular   ne twor ks   a nd  the   or thogonalit y   of   f r e que nc b a nds   f or   the  dis tr ibut ion   of   a   downlink   s ignal - to - int e r   f e r e nc e - nois e   r a ti ( S I NR ) ,   the  mm - W a ve   s hould   us e   lowe r   tr a ns mi s s ion  in  a   li ne   of   s ight   to   Ξ   th   on  s uthe  bc a r r ier   k m of   the  n   th   mul ti - us e r s   e quipm e nt.   T he   tr a ns mi s s ion  of   powe r   in  S I NR   c onc e r ning  the   c e ll   c ove r a g e   of   mm - W a ve   B S   to  U E s   c a be   wr i tt e a s :     ( ) = ( ) 2   ( ) + ( )                     ( 5)     whe r e   τ   r e p r e s e nts   the  pa r a mete r   of   c e ntr e   f r e que n c f or   both  the   mm - W a ve   a nd  s ub - GH z .   T he   s e ns it ivi ty  of   the  mm - W a ve   is   ba s e on  the  c onne c ted  UE   with  a   li ne   o f   s ight   mm - W a ve   B S   or   non - li ne   of   s ight     mm - W a ve   B S .   W he the  f e mt oc e ll   r e us e s   the  f r e que nc r e s our c e s   in  a   mac r o   c e ll ,   the  mac r c e ll   mu s e ns ur e   r e li a ble  tr a ns mi s s ion.   T he   a va il a ble  r e duc e s pe c tr um  r e quir e s   mi ti ga ti ng   the  S I NR   o f   s ub - GH z   f or   a ll   dis tr ibut e pa th  los s   of   UE s   s e r ve by  the  mul ti - us e r   e quipm e nt  in  a   c e ll ular   ne twor [ 22 - 25] .   T he   ba ndwid th  of   s ub - 6Ghz   is   s maller   than   the  ba ndwidth   f o r   the  mm - W a ve   a s   the  e   th   f or   the   mul ti - us e r   e quipm e nt   ope r a tes   in  the  s ub - GH z   f or   s ubc a r r ier   k   in  the  mul ti - us e r   e quipm e nt.   T he   tr a ns mi tt e powe r   to  S I NR   of   s ub - GH z   B S   to  UE s   c a be   wr it ten   a s :     ( ) = ( ) 2   ( ) + ( )   =                        ( 6)     whe r e   Ι i = τ 2   ( k ) + ζ Ξ m ( k )   r e pr e s e nts   the  int e r f e r e nc e   f o r   the  f e mt oc e l a c c e s s   point s .   W e   a s s umed  that  e ve r y   B S   ha s   a t   lea s one   UE   who   c a be   s e r ve d.   He nc e ,   the   S I NR   c ove r a ge   o f   s ub - GH z   in   the   DL   m ult i - us e r   e quipm e nt  e   th   [ 15 ,   18 ]   c a be   de f ined  a s :     ζ e m ( k ) = ( 1 1 e y ( k ) = 0 m y = i ) Ξ m ( k ) + ( 1 1 i j ( k ) = 0 m j = i ) e m ( k )     s u b 6G z m i = 1 , i n Ξ i = 1 m j = 1   ( 7)         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         M ax imis ing  s y s tem   thr oughput  in  w ir e les s   pow e r e s ub - 6   GH z   an d…   ( Qaz w an  A bdull ah )   1189   T he   int e r f e r e nc e   f r om  the   int e r   c e ll   f or   the  f e mt oc e ll s   is   c a nc e ll e to  opti mi z e   s ignal.   T he   S I NR   c ove r a ge   f or   the  mm - W a ve   in  the  DL   mul ti - us e r   e quipm e nt  m   th   s ubc a r r ier   c a be   de f ined  a s :     ζ e m ( k m ) = ( 1 1 e y ( k m ) m y = i ) Ξ m ( k m ) + ( 1 1 e j ( k m ) m j = i ) e m ( k m )     m m Wa v e m i = 1 , i M Ξ i = 1 m j = 1     ( 8)       Due   to  the  de ns if ica ti on  ga in  a nd  uti l is ing  lar ge   s ub - GH z   s mall  c e ll s ,   the  a c hieva ble  high  thr oughput  c a be   incr e a s e d.   B a dding  mor e   f e mt oc e ll s   a s   f oll ows ,   the   s ub - GH z   pr ovides   a   be tt e r   c ove r a ge   r a te   = Ҁ log ( 1 + Γ e m ( k ) )   f or   the   high  t r a ns mi s s ion  thr oughput  with   k   th   UE s :     Th = × = 1 ( )                   ( 9)     whe r e   Ҁ   r e pr e s e nts   the  s tr a tegy  ve c tor   of   m   th   f e mt oc e ll   a c c e s s   point   in  s ub - GH z .   T r a ns mi tt ing  the  opti mal   powe r   a ll oc a ti on  f r om  a n j   th   B S   to  i   th   us e r s   f or   a ny  s ubc a r r ier ,     c a be   r e pr e s e nted  a s   i j ( ) ,   a s   the  pa th   los s   be twe e the  i   th   us e r s   a nd  j   th   B S   is   ba s e on  the  c ons tr a int   powe r :     i i m a x                   ( 10)     whe r e   i m a x   r e pr e s e nts   the  maximum   powe r   f or   the  U E s   a nd  the   maximum   thr e s hold  i m a x   is   c ont r oll e whe n   tr a ns mi tt ing  powe r   f r om  B S   to  e ve r y   UE s .   W he t he   B S   tr a ns mi ts   maximum   powe r   c ontr ol  on   s ub - GH z ,   it s   c ove r a ge   is   li mi ted.     W he a   B S   ne e ds   di r e c powe r   tr a ns mi s s ion  f r o a   r e s e r ve   UE ,   the   B S   will   be   a s s oc iate with    the  s ub - GH z   a c ti ve   us e r   that  g ives   the  g r e a tes s ub - GH z   s ignal  powe r .   T he   B S   wil be   a s s oc iate with    the  mm - W a ve   B S   to  give  the  gr e a tes c onve nti ona mm - W a ve   s ignal  powe r .   T a c hieve   high  thr oug hput  f or   the  mul ti - us e r   e quipm e nt,   the  powe r   tr a ns mi tt e s hould  e ns ur e   the  numbe r   o f   mul t i - us e r   e quipm e nt  f or   S I NR   is   s maller   than  the  tar ge va lue  of   S I NR   i ,   be c a us e   the  s ub - GH z   ne twor ks   int e r f e r e nc e   is   li mi ted  a the  lowe r   budge in  or de r   to   obtain  be tt e r   c ha nne c ondit ions .     ( )                         ( 11)     whe r e   r m   i s   the   s e of   mul ti - us e r   e quipm e nt  ( M UE ) .   W e   a s s ume  the  s ys tem  ope r a tes   a lowe r   S I NR   to   make   the  e s ti mate   mor e   tr a c table .   T he   opti mal   tr a ns mi s s ion  powe r   in  s ub - GH z   c a n   be   obtaine d   whe c on s ider ing  a   huge   number   of   a ntenna s   a s   the  powe r   g r ows   pr op or ti ona ll to   the  numbe r   o f   a ntenna s .   T he   lar ge   tr a n s mi s s ion   of   s ub - GH z   B S s   im pr ove s   the  r e c e pti on   of   high   t hr oughput  loca ted  a t   the  e dge   c e ll .     T he   int e r f e r e nc e   in  be twe e B S   a nd  us e r s   a r e   homogene ous   P ois s on  P oint   P r oc e s s e s   ( P P P )   a ll oc a ted  a nd  the  e l i mi na ti on  r e gion   ne a r by  the   UE   is   the  s a me.   I s ub - GH z   mac r c e ll s ,   ba s e on   us ing  ga me  theor y   f or   powe r   c ons tr a int s ,   the  di r e c ted  t r a ns mi tt e po we r   that  c ont r ols   the   pa th  los s   ba s e on   us ing  th e   pr icing   f unc ti on  r ( i )   f or   dis tr ibut e U E s   f r om   [ 24 ,   25 ]   a n the  c os f unc ti on  Ӻ   of   the  Na s E qui li br ium   is :     Ӻ i ( i , Γ e m ( ) ) = r i ( i ) σ i ( Γ e m ( ) )             ( 12)     T he   f i r s ter in   ( 12)   whic is   r i ( i )   r e pr e s e nts   the  c os i nc ur r e by   UE   i   r   a nd  the   s e c ond  ter m ,   σ i ( Γ e m ( ) )   is   the  de gr e e   of   s a ti s f a c ti on  of   a c hieving  high  thr ou ghput .   T de viate   t r a ns mi powe r   i ,   the  Na s E qui li br ium   is   a ble  to  e nha nc e   it s   c os f unc ti on   by  us ing  the  tr a ns mi powe r   a s :     Ӻ i ( i , Γ e m ( i   ) )   Ӻ i ( i , Γ e m ( 1 , 2 , i 1 , n + m   ) )       i r         ( 13)     T he   de r ivative  of   the  Na s E quil ib r ium   powe r   t ha pr ovid e s   ga me  theor f o r   s ubs tantial  powe r   s a vings   Ӻ ( , ( ) )   c onc e r ning  i   a nd  a s s oc iating  to  z e r is :     Ӻ  =      = 0               ( 14)     whe r e   Γ e m i = ij Ι i ,   the   de r ivative  o f   the   uti li ty   f unc ti on   c a be   e xpr e s s e a s :       =    =                     ( 15)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   3 J une   2020:    118 5   -   119 4   1190   T he   [ 22 - 26]   gua r a ntee s   the  a c hieva ble  th r oughp ut  r e quir e ments   to   obtain  e f f icie nt  t r a ns mi tt e p owe r   by  r e duc ing  the  powe r   c ons umed  a nd  mi ti ga ti ng   int e r f e r e nc e   f r om  bo th  the  mul ti - us e r   e quipm e nt  a nd    the  f e mt oc e ll   a c c e s s   point s .   T he   int e r f e r e nc e   powe r   c a be   a   li mi ted   unde r us e non - c ohe r e nt  c ombi n a ti on  a nd   the  S I NR   to   the  pa th  ga in   of   the  UE   f r om  the   us e r - s pe c if ic  β i   c a be   wr it ten  a s :     =  =                   ( 16)     I s ub - GH z ,   the  g r e a ter   c ove r a ge   a r e a   c a be   obtaine d   a t   lowe r   S I NR   th r e s holds .   M or e ove r ,     the  s ub - GH z   pr ovides   be tt e r   S I NR   due   to   low   int e r f e r e nc e   f r om   the   mm - W a ve   a the  e dge   c e ll   whe the  UE s   a r e   plac e c los e   to  the  B S s .     2. 3.     Dis t r ib u t e d   t r an s m i t t e d   p owe r   all oc at ion   a lgorit h m   b as e d   on   S I NR   I de s igni ng  the  c omm unica ti on  ne twor k,   the  t r a ns mi s s ion  powe r   is   the  ke to  obtaining  high   thr oughput  in   lar ge   a ntenna   a r r a ys   f or   de ns e   s mall  c e ll s .   W e   p r opos e   us ing  the  d is tr ibut e t r a ns mi tt e powe r   a lg or it hm  in  or de r   to  a djus the  tr a ns mi tt e powe r   i the  f e mt oc e ll   ba s e on  the  mi c r oc e ll /f e mt oc e ll   c o - c ha nne l   e mpl oyment  ove r c ome.   M ini mi z ing  the  tr a ns mi tt e powe r   a t   the  B S   to  mul t i - us e r   c omm unica ti on  is   i mpor tant   to  a c hieve   c e r tain  S I NR .   F r om   ( 11 ) ,   the  op ti mal  Γ e m   f or   e ve r y   s ub - Ghz   B S s   s hould  be   e qua to  the  t a r ge   of   i .   T identi f the   c os va r iation   be twe e the  p r e f e c ts   Γ e m   a nd  tar ge i   a non - z e r leve ls   of   S I NR   i   s ub - GH z ,   B S s   f or   UE   c ould  be   pos it ive  a nd  c onv e f or   both   σ i ( Γ e m ( ) )   a nd  r i ( i )   of   the   s ub - 6Ghz   f or   us e r   e quipm e nt  i r m   [ 26 - 29] ,   c a be   e xp r e s s e a s :     ( ) = ( ) 2                 ( 17)     ( ) = 0                   ( 18)     T he   maximum   s i gna powe r   f or   s ub - GH z   c a be   obtaine thr ough  d ir e c tl t r a ns f e r r e powe r   f r om  s ub - GH z   B S   to  s ub - GH z   UE .   F r om  ( 12) ,   the  tr a ns mi tt e opti mal  powe r   a ll oc a ti on  f or   i   th   s ub - GH z   f or   us e r   e quipm e nt  powe r   a nd  S I NR   c a be   w r it ten  a s :     Ӻ ( , ) = + ( ,   ) 2                 ( 19)     whe r e   x i   a nd  v i   r e pr e s e nt  the  non - ne ga ti ve   we ight   f a c tor s ,   a nd  e v i , β i     is   the  loca ga in  f or   the  pr opos e ga me   theor in  r e ga r ds   to   the  tr a ns mi tt e powe r   a ll oc a ti o a lgor it hm.   F r om   ( 19) ,   the   f ir s te r r e p r e s e nts   the  pr icing  powe r ,   whic is   a lwa ys   pos it ive.   T he   mi ti ga ted   S I NR   of   s ub - GH z   s hould  dis tr ibut e   a ll   the   pa th  los s   of   UE s   s e r ve by  the  us e r   e quipm e nt  in  the  c e ll ular   ne t wor k.   T he   S I NR   ( i e v i , β i   Γ e m ) 2   is   a ls pos it ive  due   to     a   s qua r e   o f   S I NR   e r r o r .   F r om   ( 19) ,   the   non - ne ga ti ve   f a c tor   s hould   mi ti ga te   S I NR   whe n   x i   e v i , β i     < 1 ,   while   whe the  s e lec ted  x i   e v i , β i     > 1 ,   the   tr a ns mi powe r   f or   us e r s   is   mor e   im por tant .   Gua r a ntee ing  the   a c hieva ble  high   thr oughput   r e qu ir e s   obtaining   the   tar ge t   Γ e f   in   s ub - G Hz   f or   us e r   e quipm e nt  point s   to  e ve r us e r   i r f .   Us ing  the  Na s E quil ibr ium   yields   s mall  S I NR   f r om  the  tar ge o f   S I NR .   B a s e on  the  tar ge i   in  s ub - GH z   f or   the  us e r   e qui pment,   the  ga me  theo r f o r   tr a ns mi tt e powe r   is   r e duc e d   a nd  c r os s - ti e r   int e r f e r e nc e   is   mi ti ga ted  us ing  the  Na s E quil ibr ium   f o r   i   th   us e r s the  f ir s de r ivative  o f   us e r   e quipm e nt  in  s ub - GH z :     Ӻ = 0 =   2 ,   ( ,   )              ( 20)     Ӻ =   2 ,   ( ,   )                ( 21)     f r om  ( 21) ,   the  c os ts   f unc ti on  of   us e r   e quipm e nt  f or   s ub - GH z   whe the  Ӻ i f i = 0 the  opti mal   S I NR   c a b e   wr it ten  a s :     ̂ = ,     2   ( ,   ) 2                  ( 22)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         M ax imis ing  s y s tem   thr oughput  in  w ir e les s   pow e r e s ub - 6   GH z   an d…   ( Qaz w an  A bdull ah )   1191   the  opti mal   powe r   c a be   de r ived   f r om   ( 6)   ba s e on  the   opti mal   S I NR   Γ ̂ e f   of   s ub - GH z   to   dis tr ibu te  th e   pa th   los s   of   UE s   us ing  the  Na s E quil ibr iu m,   whe r e :     =  [     ,          2   2    2 ( ,   ) 2 , 0 ]             ( 23)     f r om  ( 23) ,   whe the   x i   0 ,   the  s pe nding  powe r   incr e a s e s   a nd  the  opti mal   powe r   be c omes   i = Ι i   i   e v i , β i   ij   .   W hil e   whe the   v i 0   a nd  x i   0 ,   the  op ti mal   S I NR   c a n   be   ob t a ined  a s   Γ ̂ e f = i .   T he   ga me   theor y   f or   tr a ns mi tt e powe r   c a n   be   upda ted   f o r   pr opos e po we r   of   us e r   e quipm e nt   in   s ub -   6   GH z   to   a c hieve   t he   a c tual   S I NR   us ing  the  mi nim um   tr a ns mi tt e powe r   o f   us e r   i   a r e pe ti ti on  k   a nd  k + 1 .   T he   opti mal   tr a ns mi tt e powe r   is   ne e de in  a   de ns e   s mall  c e ll   be twe e the  a c ti ve   us e r s   a nd  is   c onne c ted  to  B S .   Noting  whe the  i k + 1 = ϻ i k   i k   c a b e   e xpr e s s e a s :     + 1 =     ,          ( ) 2 2 (  ) 2 ( ,   ) 2 ,   > 0             ( 24)     F r om  ( 16) ,   ( 24 )   s hould  f ulf il   i ( k ) 0   whe the  k = 0 ,   a c c or ding  to  the  ne s pe c if ic  ,     in  the  f ir s ter in   the  de nomi na to r .   ( 24)   pr ov ides   dif f e r e nt  powe r   ba lanc ing.   M or e ove r ,   in  the  s e c ond  ter m,   both  the  s qua r e   of   int e r f e r e nc e   ( ) 2 (  ) 2 a nd  s qua r e   loca ga in  in  the  p r opos e tr a ns mi powe r   o f   int e r f e r e nc e   ( e v i , β i k   ) 2   a r e   ne ga ti ve   in  ( 24) .   T his   r e quir e s   ( Ι i k ) 2 ( ij k ) 2   a nd  ( e v i , β i k   ) 2 to  us e   a   s ingl e   mea s ur e ment  a e ve r r e pe ti ti on  f or   k   a nd  k + 1   a nd  im pleme nt   the  dis tr ibu ted  tr a ns mi tt e po we r   c ontr ol  in  the  f e mt oc e ll   a c c e s s   point s .     2. 4.     mm - Wave     T he   lar ge   los s e s   a r e   c a us e by   the   c ir c uit   p owe r   c ons umpt ion  due   to   the   c onve r s ion  f r o   a na logue - to - digi tal  a nd  the  high  los s e s   in  the  c ha n ne [ 30] .   I thi s   c a s e ,   the  t r a ns mi powe r   is   a   s c a r c e   r e s our c e   a nd  the  di r e c ted  tr a ns mi tt e d   powe r   is   c ontr oll e d   by   the  m m - W a ve   pa th  los s .   F r om  ( 17) ,   ( 18)   a nd  ( 12) ,   the  c os t   f unc ti on  of   dis tr ibut e t r a ns mi powe r   in  mm - W a ve   c a be   wr it ten   a s :     Ӻ ( , ) = ( ) 2                     ( 25)     the  opti mal   Γ i m   c ould  be   e qua l   to   the  ta r ge i   f o r   e ve r y   a c ti ve   us e r   r m ,   by   the   r e s pe c the  f ir s t   de r ivative  o f   the  mm - W a ve   in  ter Γ e :     Ӻ = 0 = 2 2                 26)     f r om  t r a ns mi tt e powe r   o f   S I NR ,   a nd   ba s e on  ( 26 ) :     ̂ =                     ( 27)     ba s e on  the  us e   of   the  ga me  theor y,   the  opti mal  it e r a ti ve   dis tr ibut e powe r   i k + 1   c a be   obtaine ba s e on  ( 27)   a nd   f r om   tr a ns mi tt ing   S I NR   in   ( 6 )   whe ij   i Ι i = i   a s :       + 1 =    = ( )                 ( 28)     Algorithm I   Iterative  distributed power   Input   ,   , , ,         Identify the cost variation for prefect    and target    Collect from every user    at repetition    and location ( , ,    , , )   Compute   actual  ̂   using  the  minimum   transmi power     and  mitigated   cross - tier  in terfer ence  using the Nash Equilibrium for      users.   If   0   and    0     Compute the actual SINR  ̂ = .   Mitigate SINR when   x i   e v i , β i     < 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   3 J une   2020:    118 5   -   119 4   1192   Use the game theory for power transmission by repetition    and  + 1 .   When    0   the cost of a power increases    Estimate  ( ) 0   according (24).   Use  single  measurement   to  mitigated  inte rference  ( ) 2 (  ) 2   and  ( ,   ) 2 for  every  repetitio n   k   and  + 1 .     End if   Computing the optimal iterative distributed power   + 1   (28).         3.   RE S UL T S   AN DI S CU S S I ON   I thi s   s e c ti on,   the  pr opos e method  is   tes ted  us ing  M AT L AB - ba s e M onte  C a r lo  s im ulations   a ga in s the  pe r f or manc e   of   our   p r opos e s c he me.   T he   f a c tor s   a r e   mm - W a ve   the  c a r r ier   f r e que nc a 20GH z ,   a va il a ble  ba ndwidth  a 1   GH z ,   the   s ub - 6GH z   the  c a r r ier   f r e que n c a 1 GH z   a nd   the   ba ndwidth  a t   1M Hz .   I n   F igur e   2 ,     we   inves ti ga te  the  thr oughput   ve r s us   the  numbe r   of   f e mt oc e ll   a c c e s s   point s   in  m m - W a ve .   T he   high   thr oughput   wa s   obtaine a the  mi nim u S I NR   thr e s hold    by  s uppr e s s ing  the  int e r - be a int e r f e r e nc e   a nd  a t   a   mi n im um  pa th  los s   whe the   number   of   UE s   incr e a s e s .   T he   s hor t   dis tanc e   in   s mall  c e ll s   r e duc e s   the  a t tenua ti on    a nd  a bs or pti on   by  li mi ti ng   the   e f f e c ts   o f   c r os s   i nter f e r e nc e   of   U E s   in   the   s ubc a r r ier   to   pr o vide   the  high   thr oughput.   T he   mm - W a ve   pr ovides   be tt e r   c ove r a ge   f or   us e r s   a t   c e ll   e dge s   with   a   g r e a ter   S I NR .   W he a   us e r   in  the  mm - W a ve   is   loca ted  ne a r e s to  the  ne ighbou r ing  B S s ,   they  e xpe r ienc e   low   int e r f e r e nc e .   F r o F ig ur e   2,   by  de ployi ng   the   de ns if ica ti on   ga in,   the   high   thr ou ghput  f o r   M onta  C a r lo   s im ulation   pr ovides   mor e   th r oughput   than  lowe r   bound  whe n   de ployi ng  a   la r ge   number   of   a ntenna   a r r a ys   in   the  mm - W a ve   B S ,   with   dis tr ib uted  UE s     =   100  a nd     =   50.   F r om   F ig u r e   1 ,   whe the   number   of   f e mt oc e ll   a c c e s s   point   is   50   a nd  the  h igh  th r oug hput   is   2. 3Gbps   ba s e on  the  number   of   dis tr ibut e UE s   = 100  while  the  high  thr oughput  is   1. 25   Gbps   whe n     the  number   o f   dis tr ibut e d   UE s     =   50.   T he   numbe r   of   f e mt oc e ll   a c c e s s   point s   c a us e s   lar ge   int e r f e r e nc e   in     the  ove r a ll   ne twor k   due   to   the  number   of   dis tr ibut e us e r s   in  e ve r f e mt oc e ll .   I F igur e   3 ,   we   inves ti ga te  the  thr oughput  ve r s us   th e   number   of   f e mt oc e ll   a c c e s s   point s   in  s ub - GH z .   T he   S I NR   wil de c r e a s e   a nd  r e duc e   the  in ter - be a int e r f e r e nc e   ba s e on  low  dis tr ibu ted   powe r   t r a ns mi s s ion   f or   moveme nt   UE s   a the   f e mt oc e ll   a c c e s s   point .   T he   s ub - GH z   pr ovides   a   high   thr oughput   to   UE s   in     the  de ns e   s mall  c e ll s   whe the  number   of   f e mt oc e l ls   incr e a s e s   due   to  low  int e r f e r e nc e   f r om  the  ne igh bour ing  c e ll s .   F r om   F ig ur e   3,   the   M onta  C a r lo   s im ulation  i mpr ove s   thr oughput  mor e   than   the  a na lyt ica l   lowe r   bound.   W he the  number   of   f e mt oc e ll s   =   40,   the  pe r f or ma nc e   thr oughput  =   44   M bps   a a   number   of   UE s   =   1 00,   while   a s a me  va lues   f or   the   number   o f   f e mt oc e ll s ,   the  p e r f or manc e   thr oughp ut   in   a ll   ne twor ks   de c r e a s e   to   23M bps   whe the  number   of   moveme nts   is   UE s   =   50 .   M or e ove r ,   whe the  UE s   a r e   loca ted  ne a r   the  B S ,   the  s ub - GH z   pr ovides   be tt e r   c ove r a ge   ba s e on   the  lowe r   S I N R   thr e s hold  a nd   the  lowe r   int e r f e r e nc e   f r om   a djac e nt  UE s .   F inally,   F igur e   3   s hows   the  incr e ment  of   high  th r ou ghput  whe the  number   of   f e mt oc e ll   a c c e s s   point s   incr e a s e s .             F igur e   2.   T h r oughput  ve r s us   f e mt oc e ll   a c c e s s     point s   in  mm - W a ve     F igur e   3.   T h r oughput  ve r s us   the  number   o f   f e mt oc e ll   a c c e s s   point s   in  s ub - 6GH z       F igur e   p r e s e nts   thr oughput  ve r s us   the  number   of   f e mt oc e ll   a c c e s s   point s   de pe nding  on  the  c ontr oll e powe r .   T he   powe r   tr a ns mi ts   in  mm - W a ve   B S   to  UE s   is   lowe r   ba s e on  the  c ontr ol  e ne r gy  h a r ve s ted    c r e a ted  f r om  the   digi tal - to - a na logue  c onve r ter   ( DA C )   a nd  the  lar ge   number   of   a ntenna s   f or   R F   c h a ins   a nd  e ne r gy  pr opa ga ti on  los s   in  the  downlink.   T he   lo tr a ns mi s s ion  powe r   in  the  mm - W a v e   is   mor e   viable   a nd   pr ovides   high  th r oughput  f or   a ll   f e mt oc e ll s   with   c ontr oll e d   powe r ,   while  the   thr oughpu is   s mall   without   c ontr oll ing  the  dis tr ibut e powe r   a s   s hown  in   F igur e   4.   How e ve r ,   whe the  numbe r   of   f e mt oc e ll s   =   20 ,   the  high   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l         M ax imis ing  s y s tem   thr oughput  in  w ir e les s   pow e r e s ub - 6   GH z   an d…   ( Qaz w an  A bdull ah )   1193   thr oughput  =   5Gbps   with   c ontr oll e d   dis tr ibut e t r a ns mi powe r ,   while  the   high   thr oughput   =   1   Gps   without   c ontr ol  dis tr ibut e powe r .   M or e o ve r ,   the  dis tr ibut e powe r   in  the  f e mt oc e ll   of   U E s   de pe nds   on  S I NR   in  or de r   to  mi ti ga te  c r os s - ti e r   int e r f e r e nc e   a the  m icr oc e ll   a nd  pr ovides   a   be tt e r   indoor   voice   a nd  lowe r   c ons umpt ion  of   powe r   r e s ult ing  in  p r olonger   ba t ter l if e .   T his   is   due   to   c ontr oll i ng  dis tr ibu ted  powe r   in  mm - W a ve   B S   that   us e s   a   loca ga in  e v i , β i k   to  mi ti ga te   S I NR .   F r om   F igur e   5 ,   the  high   th r oughput   c a be   obtain e f or   the  mm - W a ve   with   low   t r a ns mi tt e powe r .   T he   high   thr oughput   c a be   ob taine due   to   the  mm - W a ve   dir e c ti vit a nd   de ns i f ica ti on  ga i ne f or     the  mm - W a ve   tr a ns mi tt e powe r   r a nging  f r om   ( - 10,   10 )   dB m .   T he   thr oughput   f o r   the  m m - W a ve   in  lowe r   bound  give  the  s mall  va lue  of   tr a ns mi tt ing  powe r   f r om  ( - 10,   8 )   dB m,   c ompar e with   the  mm - W a ve   M onta  C a r lo  s im ulation  of   S I NR   a nd  a na lyt ic a S I NR .   T he   tr a ns mi tt e powe r   is   domi na ted  by   the   mm - W a ve   pa th  los s   a nd  the  mm - W a ve   B S   is   a da pted  to  dis tr ibut e   powe r   a c ti ve   UE s   a nd  be gin  s a tur a ti on  whe Q   =   9   dB m.   T he   dir e c ti ona be a mf o r mi ng  a nd   the  high   ga in  in  the  t r a ns mi tt e r   li m it   the  e f f e c ts   of   the   pa th  los s   a nd    mul ti - pa th  f or   the   mm - W a ve   a nd   a r e   a dopted  a t   e a c mm - W a ve   s mall  B S .   F r om   F igur e   5 ,   the  th r oughput  va lues   pr ovide  a   c ons tant  va lue  a nd  r e a c he s   s a tur a ti on  whe the  Q   =   9   dB m .             F igur e   4.   T h r oughput  ve r s us   the  number     of   f e mt oc e ll   a c c e s s   point s     F igur e   5.   T h r oughput  ve r s us   tr a ns mi tt e powe r       4.   CONC L USI ON   I th is   pa pe r ,   we   a na lys e the   pr opa ga ti on   pa th   los s   f or   mac r o   c e ll s   a nd  f e mt oc e ll s   in   the   s ub - GH z   a nd  mm - W a ve   ti e r s   ba s e on  a   pr opos e nove dis tr ibut e ga me  theor f or   the  tr a ns mi s s ion  of   powe r   to   mi ti ga te  the   int e r - be a int e r f e r e nc e .   T he   mm - W a ve   pr ovides   high   c ove r a ge   pe r f o r manc e   a nd   outper f or ms   it s   s ub - GH z   c ounter pa r be c a us e   the  mm - W a ve   li m it s   nois e   to  inc r e a s e   tr a ns mi s s i on  powe r   a nd  the   di r e c ti ona tr a ns mi s s ion  of   the  s ignal   is   mor e   r e s is tant  to   e a ve s dr opping.   T he   low   powe r   s hould  e ns ur e   that   the   n umber   o f   mul ti - us e r s   f or   co - c ha nne int e r f e r e nc e   e quipm e nt   f or   S I NR   be c omes   s mall  f or   the  tar ge va lue  of   S I NR   to  gua r a ntee   maximum   ne twor thr oughput   a nd  mi ti g a te  int e r f e r e nc e   f or   bo th  mul ti - us e r   e quipm e nt  a nd  f e mt oc e ll   a c c e s s   point s .       AC KNOWL E DGE M E NT S     T he   a uthor s   would  li ke   to  a c knowle dge   the  f undin s uppor pr ovided  by  Unive r s it T un  Hus s e in  Onn  M a lays ia  ( UT HM )   unde r   T I E R   1   gr a nt   Vot  H24 3   a nd  F R GS  Gr a nt  S c he me  ( Vote   No:   K190) .       RE F E RE NC E S     [1 ]   G .   R.   Mac  Cart n ey ,   et   al . ,   “Pat h   l o s s   mo d el s   fo 5 G   mi l l i met er   w av p ro p ag a t i o n   c h an n el s   i n   u rb a n   mi cr o cel l s , ”  I E E E   G l o b a l   Co m m u n i ca t i o n s   Co n f er en ce,   E x h i b i t i o n   In d u s t r F o r u m   (G LO B E CO M ) ,   2 0 1 3 .   [2 ]   A.   I.   Su l y man ,   et   al . ,   Rad i o   p ro p ag a t i o n   p a t h   l o s s   mo d el s   fo 5 G   cel l u l ar  n et w o r k s   i n   t h 2 8   G H an d   3 8   G H z   mi l l i me t er - w a v b an d s ,   IE E E   C o m m u n i c a t i o n s   M a g a z i n e ,   v o l .   5 2 ,   n o .   9 ,   p p . 7 8 - 8 6 ,   Sep   2 0 1 4 .   [3 ]   W .   Ro h ,   e t   al . ,   “Mi l l i met er - w av e   b eamf o rmi n g   a s   a n   en a b l i n g   t ec h n o l o g y   fo 5 G   ce l l u l ar  co mm u n i cat i o n s :   T h e o ret i cal   feas i b i l i t y   an d   p r o t o t y p res u l t s ,   IE E E   co m m u n i c a t i o n s   m a g a z i n e ,   v o l .   5 2 ,   n o .   2 ,   p p .   1 0 6 - 1 1 3 ,     Feb ru ar y   2 0 1 4 .   [4 ]   S.   A l o t a i b i ,   an d   R.   A k l ,   “Sel f - ad j u s t me n t   d o w n l i n k   t ran s mi s s i o n   p o w er  fo femt o cel l s   i n   co - ch a n n e l   d ep l o y men t   in  h et er o g e n eo u s   n e t w o rk s , ”  IE E E   A n n u a l   Co m p u t i n g   a n d   Co m m u n i ca t i o n   W o r k s h o p   a n d   Co n f e r en ce  (CCW C ),     La s   V e g a s ,   NV ,   U S A ,   pp.   1 - 6 ,   J an u ary   2 0 1 7 .   [5 ]   C.   X .   W an g ,   et   al . ,   “Cel l u l ar  arch i t ec t u re  an d   k e y   t ech n o l o g i e s   fo 5 G   w i rel es s   co mm u n i cat i o n   n et w o rk s , ”  IE E E   co m m u n i c a t i o n s   m a g a z i n e ,   v o l .   5 2 ,   n o .   2 ,   p p .   1 2 2 - 1 3 0 ,   Feb ru ar y   2 0 1 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E C ontr o l Vol.   18 ,   No .   3 J une   2020:    118 5   -   119 4   1194   [6 ]   T .   K i m,   e t   al . ,   “T e n s   o G b p s   s u p p o r t   w i t h   mmW a v b eamfo rmi n g   s y s t em s   fo n ex t   g e n erat i o n   co mm u n i cat i o n s ,   IE E E   G l o b a l   C o m m u n i c a t i o n s   Co n f e r en ce  ( G LO B E C O M ),   A t l a n t a ,   G A ,   U S A ,   p p .   3 6 8 5 - 3 6 9 0 ,   D ec   2 0 1 3 .   [7 ]   F.   Bo ccard i ,   et   al . ,   “Fi v d i s ru p t i v t ech n o l o g y   d i rect i o n s   fo 5 G , ”  IE E E   Co mmu n .   Mag . ,   v o l .   5 2 ,   n o .   2 ,   p p .   7 4 8 0 ,   Feb ru ar y   2 0 1 4 .   [8 ]   A .   Sal h ,   et   al .     " E n erg y - E ffi c i en t   Po w er  A l l o cat i o n   fo Mu l t i u s er - D o w n l i n k   Mas s i v MIMO   Sy s t em , IE E E   A c ces s v o l .   8 ,   n o . 1 ,   p p .   1 3 1 4 - 1 3 2 6 ,   D ec.   2 0 1 9 .   [9 ]   A .   Sal h ,   et   a l .   " Mi t i g a t i n g   P i l o t   C o n t ami n at i o n   fo Ch an n e l   E s t i m at i o n   i n   M u l t i - Ce l l   Ma s s i v MIM O   Sy s t e ms . "   W i r el e s s   p e r s o n a l   c o m m u n i c a t i o n ,   pp.   1 - 1 6 ,   Feb .   2 0 2 0 .   [1 0 ]   G .   Y an g ,   et   al . ,   “T h ro u g h p u t   o p t i m i zat i o n   fo mas s i v MIMO   s y s t ems   p o w ered   b y   w i re l es s   en erg y   t ran s fer, ”  IE E E   Jo u r n a l   o n   S e l ect e d   A r e a s   i n   Co m m u n i ca t i o n s ,   v o l .   3 3 ,   n o .   8 ,   p p . 1 6 4 0 - 1 6 5 0 ,   A u g .   2 0 1 5 .   [1 1 ]   H .   Sh o k r i - G h ad i k o l a ei et   a l . ,   “Sp ect ru s h ar i n g   i n   m mW av cel l u l ar  n e t w o rk s   v i ce l l   as s o c i at i o n ,   co o r d i n a t i o n ,   an d   b eamf o rmi n g , ”  IE E E   J o u r n a l   o n   S e l ect e d   A r ea s   i n   Co m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   3 4 ,   n o . 1 1 ,   p p . 2 9 0 2 - 2 9 1 7 ,   N o v   2 0 1 6 .   [1 2 ]   L .   W an g ,   an d   K .   K .   W o n g ,   “E n er g y   co v era g i n   w i rel es s   p o w ere d   s u b - 6   g h an d   mi l l i met er  w a v d e n s cel l u l a r   n et w o r k s , ”  IE E E   In t er n a t i o n a l   C o n f er e n ce  o n   C o m m u n i ca t i o n s   (ICC),   P a r i s ,   F r a n ce,   p p .   1 - 6 ,   May   2 0 1 7 .   [1 3 ]   T .   Mi r,   et   al . ,   “O p t i ma l   Femt o cel l   D en s i t y   fo Max i m i zi n g   T h ro u g h p u t   i n   5 G   H et ero g e n eo u s   N et w o rk s   u n d er  O u t ag e   Co n s t ra i n t s , ”  IE E E   8 6 t h   V e h i c u l a r   Tech n o l o g Co n f e r e n ce  (V TC - F a l l ),   To r o n t o ,   O N,   Ca n a d a ,   p p .   1 - 5 ,   Sep   2 0 1 7 .   [1 4 ]   M.   S.   O mar,   et   al . ,   “Mu l t i - o b j ect i v o p t i m i zat i o n   i n   5 G   h y b ri d   n e t w o rk s , ”  IE E E   In t er n et   o f   T h i n g s   Jo u r n a l ,   v o l .   5 ,   n o . 3 ,   p p . 1 5 8 8 - 1 5 9 7 ,   J u n .   2 0 1 8 .   [1 5 ]   L .   W an g ,   et   al . ,   “W i rel es s   p o w ere d   d en s cel l u l ar  n et w o rk s :   H o w   man y   s ma l l   cel l s   d o   w n ee d ?   IE E E   Jo u r n a l   o n   S el ec t ed   A r ea s   i n   Co m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   3 5 ,   n o .   9 ,   p p .   2 0 1 0 - 2 0 2 4 ,   Sep   2 0 1 7 .   [1 6 ]   M.   H as h em i ,   et   a l . ,   E n er g y - E ffi c i en t   P o w er  a n d   Ba n d w i d t h   A l l o cat i o n   i n   a n   In t eg ra t ed   Su b - 6   G H z - M i l l i me t er  W av e   Sy s t em,   a r X i p r ep r i n t   a r X i v: 1 7 1 0 . 0 0 9 8 0 ,   p p .   1 - 25 ,   O c t   2 0 1 7 .   [1 7 ]   H .   E l s h aer,   et   al . ,   “D o w n l i n k   an d   u p l i n k   cel l   as s o c i at i o n   w i t h   t rad i t i o n al   macro   cel l s   an d   mi l l i me t er  w av s mal l   cel l s ,   IE E E   Tr a n s a ct i o n s   o n   W i r e l es s   Co m m u n i ca t i o n s ,   vol.   1 5 ,   n o .   9 ,   p p .   6 2 4 4 - 6 2 5 8 ,   Sep   2 0 1 6 .   [1 8 ]   H .   Mu n i r,   et   al . ,   “E n er g y   effi c i e n t   res o u rce  a l l o cat i o n   i n   5 G   h y b ri d   h e t ero g en e o u s   n et w o r k s :   A   g ame  t h e o r et i c   ap p r o ach , ”  IE E E   8 4 t h   V e h i c u l a r   Tech n o l o g Co n f e r en c (V TC - F a l l ),   M o n t r e a l ,   Q C,   Ca n a d a ,   p p .   1 - 5 ,   Sep   2 0 1 6   [1 9 ]   A .   Sal h ,   e t   al . ,   “Pi l o t   reu s s e q u e n ce s   fo T D D   i n   d o w n l i n k   m u l t i - ce l l s   t o   i m p ro v d a t rat e s . ”  TE LK O M N IKA   Tel eco m m u n i ca t i o n   Co m p u t i n g   E l ect r o n i c s   a n d   Co n t r o l vol.   1 7 ,   n o .   5 ,   p p .   2 1 6 1 - 2 1 6 8 ,   2 0 1 9 .   [2 0 ]   M A .   A n j u m.   “A   N e w   A p p ro ac h   t o   L i n ear  E s t i ma t i o n   Pro b l em  i n   Mu l t i - u s er  Mas s i v MIMO   Sy s t ems ,”   a r X i v   p r e p r i n t   a r X i v: 1 5 0 4 . 0 7 4 2 6 .   A p 2 0 1 5 .   [2 1 ]   S.   Si n g h ,   et   al . ,   T ract a b l m o d e l   fo rat i n   s el f - b ack h au l e d   mi l l i me t er  w av cel l u l ar  n e t w o rk s ,   IE E E   Jo u r n a l   o n   S el ec t e d   A r ea s   i n   Co m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   3 3 ,   n o .   1 0 ,   p p . 2 1 9 6 - 2 2 1 1 ,   O ct   2 0 1 5 .     [2 2 ]   X .   Z h o u ,   et   al . ,   “D y n ami p o w er  co n t r o l   fo max i mi z i n g   s y s t em  t h r o u g h p u t   i n   en t erp r i s femt o cel l   n et w o r k s ,   In t e r n a t i o n a l   Co n f er e n ce  o n   Net wo r ki n g   a n d   Net wo r A p p l i c a t i o n s   (N a NA ),   H a ko d a t e,   Ja p a n ,   p p .   1 8 4 - 1 8 9   J u l y   2 0 1 6   [2 3 ]   R.   E s t rad a,   et   al . ,   “Bas s t a t i o n   s e l ect i o n   an d   res o u rce  al l o ca t i o n   i n   macro fem t o ce l l   n e t w o rk s   u n d er  n o i s y   s cen ar i o ,   W i r e l es s   n et w o r k s ,   v o l .   2 0 ,   n o .   1 ,   p p .   1 1 5 - 1 3 1 ,   J an   2 0 1 4 .   [2 4 ]   M.   S.   O mar,   et   al . ,   “Perfo rma n ce  an al y s i s   o h y b r i d   5 G   cel l u l ar  n e t w o rk s   ex p l o i t i n g   mmW a v cap a b i l i t i e s     i n   s u b u rb a n   areas , ”  I E E E   I n t e r n a t i o n a l   Co n f er e n ce  o n   Co m m u n i c a t i o n s   (ICC),   Ku a l a   Lu m p u r ,   M a l a y s i a ,   p p .   1 - 6 May   2 0 1 6 .   [2 5 ]   H .   E l s h aer ,   et   al . ,   “D o w n l i n k   an d   U p l i n k   Cel l   A s s o ci a t i o n   i n   Su b - 6 G H an d   Mi l l i me t er  W av 5 G   H et ero g en e o u s   N et w o r k s , ”  IE E E   G l o b eco m   W o r k s h o p s   (G W k s h p s ),   W a s h i n g t o n ,   D C,   U S A ,   p p .   1 - 6 ,   D ec   2 0 1 6   [2 6 ]   T .   A l p ca n ,   et   al . ,   “CD MA   u p l i n k   p o w er  co n t ro l   as   n o n - co o p era t i v g ame, ”  W i r el e s s   Net w o r k s ,   v o l .   8 ,   n o .   6 ,     pp.   6 5 9 - 6 7 0 ,   N o v emb er   2 0 0 2 .   [2 7 ]   V .   Ch an d ras e k h ar,   et   a l . ,   “Po w er  co n t ro l   i n   t w o - t i er  femt o cel l   n e t w o rk s ,   IE E E   Tr a n s a c t i o n s   o n   W i r e l es s   Co m m u n i c a t i o n s ,   v o l . 8 ,   n o . 8 ,   p p .   1 - 1 2 ,   O ct   2 0 0 8 .   [2 8 ]   S.   K o s k i e,   a n d   Z .   G aj i c,   “A   N as h   g am al g o r i t h fo S IR - b as e d   p o w er  c o n t ro l   i n   3 G   w i rel e s s   C D MA   n e t w o rk s ,   IE E E / A CM   Tr a n s a c t i o n s   o n   Net wo r ki n g   (T O N),   v o l .   1 3 ,   n o .   5,   pp.   1 0 1 7 - 1 0 2 6 ,   O ct   2 0 0 5 .   [2 9 ]   D.   T .   N g o ,   et   al . ,   “D i s t ri b u t ed   i n t erferen ce  ma n ag em en t   i n   t w o - t i er  CD M A   femt o cel l   n e t w o rk s ,   IE E E   Tr a n s a c t i o n s   o n   W i r e l es s   Co m m u n i ca t i o n s ,   v o l .   1 1 ,   n o . 3 ,   p p .   9 7 9 - 9 8 9 ,   Mar   2012.   [3 0 ]   J .   Cu i ,   et   a l . ,   “O p t i ma l   u s er  s c h ed u l i n g   an d   p o w er   al l o c at i o n   fo mi l l i met er  w av N O M A   s y s t ems ,   I E E E   Tr a n s a c t i o n s   o n   W i r el es s   C o m m u n i c a t i o n s ,   v o l .   1 7 ,   n o .   3 ,   p p .   1 5 0 2 - 1 5 1 7 ,   D ec   2 0 1 7 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.