[論文レビュー] A New Capacity Scaling Law in Ultra-Dense Networks.

Ming Ding, David López‐Pérez+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 9被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、現実的な条件下—非ゼロの基地局-端末機器（BS-UE）アンテナ高さ差および有限なUE密度—における信号および干渉電力の上限に起因し、超密なネットワーク（UDNs）における空間スケジューリング再利用（SSR）の根本的な限界を特定する。本稿では定数容量スケーリング則を提案し、すべての小型セルを有効化するとネットワーク容量が劣化するような最適なSSR密度が存在することを示している。

ABSTRACT

The aggressive spatial spectrum reuse (SSR) by network densification using smaller cells has successfully driven the wireless communication industry onward in the past decades. In our future journey toward ultra-dense networks (UDNs), a fundamental question needs to be answered. Is there a limit to SSR? In other words, when we deploy thousands or millions of small cell base stations (BSs) per square kilometer, is activating all BSs on the same time/frequency resource the best strategy? In this paper, we present theoretical analyses to answer such question. In particular, we find that both the signal and interference powers become bounded in practical UDNs with a non-zero BS-to-UE antenna height difference and a finite UE density, which leads to a constant capacity scaling law. As a result, there exists an optimal SSR density that can maximize the network capacity. Hence, the limit to SSR should be considered in the operation of future UDNs.

研究の動機と目的

• 基地局密度を増加させた場合に、超密なネットワーク（UDNs）における空間スケジューリング再利用（SSR）に根本的な限界が存在するかどうかを調査すること。
• 非ゼロのBS-UEアンテナ高さ差および有限な端末機器（UE）密度という現実的な伝搬条件が、ネットワーク容量スケーリングに与える影響を分析すること。
• 極めて高い密度において、同じ時間/周波数リソース上ですべての基地局を同時に有効化することが依然として最適であるかどうかを特定すること。
• 実用的制約下でのUDNsの理論的容量スケーリング則を導出し、最適なSSR密度の存在を特定すること。

提案手法

• 非ゼロのBS-UEアンテナ高さ差を含む現実的な伝搬条件におけるUDNsにおける信号および干渉電力の挙動の理論的分析。
• 有限なUE分布および非理想的な伝搬ジオメトリを有する超密展開におけるパスロスおよびシャドウイング効果のモデル化。
• 基地局密度が増加する際の受信信号電力および集約干渉電力の漸近的挙動の導出。
• 有限なUE密度および非ゼロの高さ差下での信号および干渉電力の上限特定により、定数容量スケーリング則に至る。
• 干渉飽和に起因して基地局密度が増加してもネットワーク容量が無限に増加しないことを示す数学的定式化。
• スペクトル再利用利得と干渉増加のトレードオフから導出される、ネットワーク容量を最大化する最適な空間スケジューリング再利用（SSR）密度の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基地局密度が増加しても、超密なネットワーク（UDNs）における空間スケジューリング再利用（SSR）に根本的な上限が存在するか？
• RQ2 非ゼロのBS-UEアンテナ高さ差および有限なUE密度は、UDNsにおける信号および干渉電力のスケーリング行動にどのように影響するか？
• RQ3 現実的な伝搬条件下で、UDNsに対して定数容量スケーリング則を導出可能か？
• RQ4 すべての基地局を有効化するのではなく、ネットワーク容量を最大化する最適な基地局密度が存在するか？
• RQ5 干渉および信号電力が上限に達する場合、UDNsにおけるスペクトル効率の理論的限界は何か？

主な発見

• 非ゼロのBS-UEアンテナ高さ差および有限なUE密度という現実的条件下で、UDNsにおける信号および干渉電力は上限に達する。
• その結果、ネットワーク容量は基地局密度に伴い無限に増加するのではなく、定数としてスケーリングするため、定数容量スケーリング則が成立する。
• 容量の上限が存在することは、同じ時間/周波数リソース上ですべての基地局を同時に有効化することが極めて高い密度では最適ではないことを示唆する。
• ネットワーク容量を最大化する最適な空間スケジューリング再利用（SSR）密度が存在し、それ以上に増加すると干渉増加がスペクトル再利用利得を上回る。
• 将来の超密なネットワークの設計および運用において、SSRの理論的限界を考慮することが、性能劣化を回避するために不可欠である。
• 本研究の結果は、より密な展開が常に高い容量をもたらすという仮定を覆し、UDN展開戦略における重要なトレードオフを浮き彫りにしている。