[論文レビュー] A Comparison Study of Coupled and Decoupled Uplink Heterogeneous Cellular Networks

Lan Zhang, Gang Feng+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、確率的幾何学を用いて、異種セルラーネットワーク（HetNets）における結合型および非結合型上行リンク（UL）/下行リンク（DL）アクセスを比較する。動的上行リンクパワー制御は分数パワー制御（FPC）によってモデル化される。結果として、従来の結合型アクセス（CUDA）に比べ、非結合型UL/DLアクセス（DUDA）はシステムレート、スペクトル効率、エネルギー効率において顕著に優れており、基地局およびユーザー間の負荷バランスと公平性の向上も見られる。

ABSTRACT

The evolution of mobile cellular networks has brought great changes of network architecture. For example, heterogeneous cellular network (HetNet) and Ultra dense network (UDN) have been proposed as promising techniques for 5G systems. Dense deployment of base stations (BSs) allows a mobile user to be able to access multiple BSs. Meanwhile the unbalance between UL and DL in HetNets, such as different received SINR threshold and traffic load, etc., becomes increasingly obvious. All these factors naturally inspire us to consider decoupling of uplink and downlink in radio access network. An interesting question is that whether the decoupled uplink (UL) /downlink (DL) access (DUDA) mode outperforms traditional coupled uplink (UL)/downlink (DL) access (CUDA) mode or not, and how big is the performance difference in terms of system rate, spectrum efficiency (SE) and energy efficiency (EE), etc. in HetNets. In this paper, we aim at thoroughly comparing the performance of the two modes based on stochastic geometry theory. In our analytical model, we take into account dynamic transmit power control in UL communication. Specifically, we employ fractional power control (FPC) to model a location-dependent channel state. Numerical results reveals that DUDA mode significantly outperforms CUDA mode in system rate, SE and EE in HetNets. In addition, DUDA mode improves load balance and potential fairness for both different type BSs and associated UEs.

研究の動機と目的

• 非結合型上行リンク/下行リンクアクセス（DUDA）が、異種セルラーネットワークにおいて従来の結合型上行リンク/下行リンクアクセス（CUDA）を上回るかどうかを調査すること。
• DUDAがシステムレート、スペクトル効率（SE）、エネルギー効率（EE）といった主要な性能指標に与える影響を評価すること。
• DUDAモードとCUDAモードの下で、HetNetsにおける負荷バランスと公平性の向上を分析すること。
• 分数パワー制御（FPC）を用いて、位置依存のチャネル状態を反映させる上行リンク伝送をモデル化すること。
• 確率的幾何学理論に基づく包括的な解析的比較を提供すること。

提案手法

• 著者らは、異種ネットワークにおけるマクロセルおよびスモールセル基地局（BS）の空間的分布をモデル化するために、確率的幾何学を用いる。
• 上行リンク伝送は、パスロスおよびパスロス指数を反映させるために、パスロスとパスロス指数を考慮した分数パワー制御（FPC）を用いてモデル化される。
• ユーザーは上行リンクと下行リンクでそれぞれ最適なサービス受信BSに接続するため、結合型（CUDA）および非結合型（DUDA）アクセスモードの両方でシステム性能が評価される。
• システムレート、スペクトル効率（SE）、エネルギー効率（EE）といった主要な性能指標は、確率的幾何学フレームワークを用いて解析的に導出される。
• 動的送信パワー制御がモデルに組み込まれており、上行リンクと下行リンクの受信SINR閾値およびトラフィック負荷の不均衡も考慮される。
• DUDAとCUDAの比較を実施するため、さまざまなネットワーク密度化および負荷状況における数値結果が生成される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種セルラーネットワークにおいて、非結合型上行リンク/下行リンクアクセス（DUDA）は、従来の結合型上行リンク/下行リンクアクセス（CUDA）よりも高いシステムレートを提供するか？
• RQ2 DUDAは、異種セルラーネットワークにおいて、CUDAと比較してスペクトル効率（SE）およびエネルギー効率（EE）にどのように影響を与えるか？
• RQ3 DUDAは、異なる種類の基地局およびユーザー機器間の負荷バランスと公平性をどの程度向上させるか？
• RQ4 動的上行リンクパワー制御およびパスロスの変動は、DUDAがCUDAを上回る性能向上にどのように影響するか？
• RQ5 実際のHetNet展開状況下で、DUDAとCUDAの間の定量的性能差は何か？

主な発見

• DUDAは、ユーザーの適切な基地局選択と上行リンク干渉の低減に起因して、CUDAに比べてシステムレートで顕著に優れている。
• DUDAでは、最適化されたユーザー-基地局接続により、利用可能なスケジューリング帯域のより効率的な使用が可能となり、スペクトル効率（SE）が向上する。
• DUDAモードでは、ユーザーが上行リンク伝送に最も適した基地局に接続できるため、送信電力が低減され、エネルギー効率（EE）が向上する。
• DUDAは、マクロセルとスモールセル間の負荷バランスを向上させ、高負荷の基地局の混雑を軽減する。
• DUDAは、セルエッジにいるユーザーがより強い上行リンクサービス基地局に接続できるようにすることで、公平性を向上させ、上行リンク障害確率を低減する。
• 数値結果により、DUDAの性能向上は、さまざまなネットワーク密度化レベルおよびトラフィック負荷条件において一貫して確認されている。