[論文レビュー] Beamwidth Optimization in Millimeter Wave Small Cell Networks with Relay Nodes: A Swarm Intelligence Approach

Cristina Perfecto, Javier Del Ser+3 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、中継ノードを備えたミリ波小セルネットワークにおけるスループットを最大化するため、粒子群最適化（PSO）を用いた群知能ベースのビーム幅最適化を提案する。TDMAおよび「すべてオン」スケジューリングの下で、ビーム幅とアライメント遅延を併せて最適化することで、ノードあたり平均スループットが最大248%向上し、全ビームトレーニングを用いた場合にアライメント遅延が干渉よりも性能に与える影響が顕著であることを示している。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmWave) communications have been postulated as one of the most disruptive technologies for future 5G systems. Among mmWave bands the 60-GHz radio technology is specially suited for ultradense small cells and mobile data offloading scenarios. Many challenges remain to be addressed in mmWave communications but among them deafness, or misalignment between transmitter and receivers beams, and interference management lie among the most prominent ones. In the recent years, scenarios considering negligible interference on mmWave resource allocation have been rather common in literature. To this end, interestingly, many open issues still need to be addressed such as the applicability of noise-limited regime for mmWave. Furthermore, in mmWave the beam-steering mechanism imposes a forced silence period, in the course of which no data can be conveyed, that should not be neglected in throughput/delay calculations. This paper introduces mmWave enabled Small Cell Networks (SCNs) with relaying capabilities where as a result of a coordinated meta-heuristically optimized beamwidth/alignment-delay approach overall system throughput is optimized. Simulations have been conveyed for three transmitter densities under TDMA and naive 'all-on' scheduling producing average per node throughput increments of up to 248%. The paper further elaborates on the off-balancing impact of alignment delay and time-multiplexing strategies by illustrating how the foreseen transition that increasing the number of transmitters produces in the regime of a fixed-node size SCN in downlink operation fades out by a poor choice in the scheduling strategy.

研究の動機と目的

• 中継ノードを備えたミリ波小セルネットワークにおけるビームアライメント遅延とマルチユーザー干渉のトレードオフを解消すること。
• 方向性ビームを用いたミリ波ネットワークにおけるMAC戦略のシステムスループットへの影響を調査すること。
• 中継機能を有するミリ波ダウンリンク環境において、送信および受信ビーム幅を最適化し、ノードあたり平均スループットを最大化すること。
• 異なる送信機密度およびスケジューリング方式（TDMA 対「すべてオン」）の下で、集中型PSOベースのビーム幅最適化の有効性を評価すること。

提案手法

• リレーベースのミリ波小セルネットワークにおいて、各送信機-受信機ペアの送信および受信ビーム幅を同時に最適化するために、粒子群最適化（PSO）を採用する。
• 固定ノードサイズのシナリオを想定し、アクセスポイント/ユーザー機器（AUE/CUE）の密度を3段階（5、9、18）に設定する。
• 粗いスキャンと細かいスキャンを組み合わせた3段階のビームコードブックベースのビームアライメントプロトコルを用い、現実的なビームトレーニングオーバーヘッドを再現する。
• TDMA（時分割多重アクセス）と「すべてオン」（非直交、同時送信）の2つのスケジューリング戦略をシミュレートし、MACへの影響を評価する。
• スループット計算にアライメント遅延、干渉、信号対干渉加算ノイズ比（SINR）を統合し、実世界の制約を反映する。
• MAC層の影響を平滑化する包括的最適化アプローチを適用し、ビーム幅とアライメント遅延のトレードオフに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PSOを用いたビーム幅最適化は、中継ノードを有するミリ波小セルネットワークにおけるノードあたり平均スループットにどのように影響を与えるか？
• RQ2 異なるMACスケジューリング戦略の下で、アライメント遅延と干渉の相対的な影響は、システムスループットにどのように現れるか？
• RQ3 ビーム幅最適化によって干渉はどの程度低減可能か？その低減効果は、SINRの劣化リスクを上回るか？
• RQ4 固定ノードサイズのネットワークにおいて、送信機密度の増加に伴い、ビーム幅最適化による性能向上はどのように変化するか？
• RQ5 知的なビーム幅制御によりアライメント遅延を最小限に抑えた場合、ミリ波システムでノイズ制限領域を達成できるか？

主な発見

• TDMAスケジューリング下では、送信機密度が高くなる（18 AUE）と、提案されたPSOベースのビーム幅最適化により、ノードあたり平均スループットが最大248.80%向上した。
• 「すべてオン」スケジューリング下では、18 AUEでスループット向上率が219.03%に達し、非直交アクセスであっても顕著な性能向上を示した。
• PSO最適化後、TDMA下で干渉レベルは最大66.19%低下、『すべてオン』下では97.61%低下し、効果的な干渉低減が確認された。
• 最終的なSINR値は初期値（例：約69.5 dB から 約33 dB）に低下したが、依然としてスループット向上が顕著であり、アライメント遅延の低減がSINR劣化を上回ることを実証した。
• 本研究では、アライメント遅延がスループットに線形的影響を及ぼすのに対し、SINRは対数的影響を及ぼすことが確認され、ビームトレーニングシナリオでは遅延低減が干渉低減よりも重要であることが示された。
• MAC戦略の影響を包括的最適化で除去した結果、システムは干渉制限領域からノイズ制限領域に移行し、干渉レベルは常に-83 dBm未満に保たれ、背景ノイズに近づいた。