[論文レビュー] An analytical model for evaluating outage and handover probability of cellular wireless networks

Laurent Decreusefond, Philippe Martins+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、基地局（BS）の配置をホモジニアス・ポアソン点過程で表すことで、無線通信網における通信障害確率とハンドオーバー確率の解析的モデルを提案する。移動局は平均信号電力が最大となるBSに接続する。パスロス、シャドウイング、レイリー fading（高速、時隙ごと）、周波数再利用、ビームフォーミングを組み込み、干渉制限とノイズ制限の両状態において、通信障害確率とハンドオーバー確率の閉形式表現を導出する。その結果、ハンドオーバー確率はパスロス指数と再利用係数が高くなるほど低下し、干渉制限状態ではBS密度に依存しないことが示された。

ABSTRACT

We consider stochastic cellular networks where base stations locations form a homogenous Poisson point process and each mobile is attached to the base station that provides the best mean signal power. The mobile is in outage if the SINR falls below some threshold. The handover decision has to be made if the mobile is in outage for some time slots. The outage probability and the handover probability is evaluated in taking into account the effect of path loss, shadowing, Rayleigh fast fading, frequency factor reuse and conventional beamforming. The main assumption is that the Rayleigh fast fading changes each time slot while other network components remain static during the period of study.

研究の動機と目的

• 現実的な伝搬効果を考慮した通信障害確率とハンドオーバー確率を評価するための解析的フレームワークの構築。
• 固定の六角形グリッドとは異なり、ネットワークのランダムネスをよりよく捉えるために、基地局の配置をホモジニアス・ポアソン点過程としてモデル化。
• 時間スロットごとに変化する動的レイリーフェージング、静的ログノーマルシャドウイング、パスロス、周波数再利用、ビームフォーミングを統合的にモデル化。
• さまざまな伝搬条件下での通信障害確率とハンドオーバー確率の明示的解析式の導出。
• 性能指標としての通信障害確率とハンドオーバー確率について、提案された確率的モデルと従来の六角形セルラーモデルを比較。

提案手法

• 平面上の基地局の配置をホモジニアス・ポアソン点過程としてモデル化し、空間的なランダムネスを扱い、規則的な格子構造の仮定を避ける。
• 各移動局がパスロスと遅いフェージング（シャドウイング）に基づき、最大の平均信号電力を提供するBSに接続するものと仮定し、「最良サーバー」接続方式を採用。
• 高速レイリーフェージングを時間スロットごとに独立同分布としてモデル化するが、シャドウイングと基地局配置は観測期間中は静的とみなす。
• 確率的幾何学的手法とラプラス変換を用いて、受信SINRの分布を導出し、通信障害確率の解析的計算を可能にする。
• 基地局に独立なマークを割り当てることで周波数再利用をモデル化し、同周波数の基地局同士が干渉し合うようにする。干渉はショットノイズ過程としてモデル化。
• SINRの通信障害確率を入力として、連続する時間スロットにおける通信障害の発生をモデル化し、ハンドオーバー確率の閉形式表現を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一条件下で、ポアソン分布を用いた確率的セルラーネットワークにおける通信障害確率は、固定六角形グリッドにおけるものと比べてどのように異なるか？
• RQ2 パスロス、レイリーフェージング、シャドウイング、周波数再利用を組み合わせた場合の通信障害確率の解析的表現は何か？
• RQ3 ハンドオーバー確率はパスロス指数、再利用係数、システムのノイズレベルにどのように依存するか？
• RQ4 どのような状況下でハンドオーバー確率は基地局密度に依存せず、その理由は何か？
• RQ5 シャドウイング分散とパスロス指数の変化に伴い、性能指標（通信障害確率とハンドオーバー確率）はどのように変化するか？

主な発見

• パスロス指数γ=4の場合、ポアソンモデルにおける通信障害確率は六角形モデルより約8 dB高く、γ=3では6 dB高い。これは干渉のばらつきが大きいことが要因。
• 干渉制限状態（N=0）では、ハンドオーバー確率は基地局密度λ_Bとシャドウイング分布Hに依存せず、パスロス指数γにのみ依存する。
• パスロス指数γが高くなるほどハンドオーバー確率は低下し、パスロスの減衰が強いほどハンドオーバー頻度が低下することが示された。
• ノイズが存在する場合（N>0）、基地局密度λ_Bが高くなるほどハンドオーバー確率が増加し、これは密度の高いネットワークでは受信信号が強くなるため、ハンドオーバーが減少する傾向があることを示唆している。
• ログノーマルシャドウイングでは、ハンドオーバー確率はシャドウイング標準偏差σが大きくなるにつれて増加し、E[H^{2/γ}]がσとともに増加するためである。
• γ=4の場合のハンドオーバー確率の閉形式表現を導出：q_m = (√(2π)/G) * e^{M_m²/(4G)} * Q(M_m/(2√G))、ここでM_mとGはシステムパラメータから導出される。