[論文レビュー] Capacity and Delay Tradeoff of Secondary Cellular Networks with Spectrum Aggregation

Lingyu Chen, Chen Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、スケーリング・アグリゲーションを用いたセカンダリセルラーネットワークにおける容量-遅延トレードオフを分析するための確率的幾何学およびキューイング理論に基づく解析的フレームワークを提案する。平均遅延および遅延分布の閉形式式が導出され、ユーザー1人あたりのスループットがユーザー密度と基地局密度比の対数関数によって上限に達することを明らかにした。最適なスペクトル割り当ては帯域幅とアクセス確率のバランスを取ることで実現される。

ABSTRACT

Cellular communication networks are plagued with redundant capacity, which results in low utilization and cost-effectiveness of network capital investments. The redundant capacity can be exploited to deliver secondary traffic that is ultra-elastic and delay-tolerant. In this paper, we propose an analytical framework to study the capacity-delay tradeoff of elastic/secondary traffic in large scale cellular networks with spectrum aggregation. Our framework integrates stochastic geometry and queueing theory models and gives analytical insights into the capacity-delay performance in the interference limited regime. Closed-form results are obtained to characterize the mean delay and delay distribution as functions of per user throughput capacity. The impacts of spectrum aggregation, user and base station (BS) densities, traffic session payload, and primary traffic dynamics on the capacity-delay tradeoff relationship are investigated. The fundamental capacity limit is derived and its scaling behavior is revealed. Our analysis shows the feasibility of providing secondary communication services over cellular networks and highlights some critical design issues.

研究の動機と目的

• 既存インfraストラクチャを活用してセカンダリで超弾力的なトラフィックを提供することで、セルラーネットワークにおける余剰なネットワーク容量の未利用を是正すること。
• 確率的幾何学とキューイング理論を統合したクロスレイヤー枠組みを用いて、セカンダリトラフィックの根本的な容量-遅延トレードオフをモデル化・分析すること。
• スケーリング・アグリゲーション、ユーザーおよび基地局の密度、セッションのペイロード、プライマリトラフィックのダイナミクスがセカンダリトラフィック性能に与える影響を調査すること。
• 干渉制限下での根本的な容量限界とそのスケーリング特性を同定すること。
• 遅延制約を満たしつつセカンダリサービスのスループットを最大化するための設計指針を提供すること。

提案手法

• フレームワークは、ユーザーおよび基地局の空間的分布を確率的幾何学でモデル化し、セッションレベルのトラフィック行動をキューイング理論でモデル化する。
• ユーザーと基地局はそれぞれポアソン分布に従うものと仮定し、アクティブなユーザーはカバレッジ領域と帯域幅割り当てに基づいてランダムに帯域を選択する。
• 厳密な公平性仮定と干渉ユーザーの分布を用いて、アクセス確率を導出する。これにより、ガンマ関数を含む閉形式の式が得られる。
• スループット容量は、有限の遅延で支えられる平均トラフィック到着レートとして定義され、有効帯域幅の概念とキューイング遅延解析を用いて導出される。
• マルチバンドスケーリング・アグリゲーションを考慮し、システム帯域幅がN本の帯域に分割され、それぞれが独立した帯域幅とパスロスを持つ。
• 帯域あたりの帯域幅とアクセス確率のトレードオフを考慮して、容量を最大化する最適なバンド数Nを特定するための数値最適化が実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模セルラーネットワークにおけるセカンダリで弾力的なトラフィックの容量-遅延トレードオフにスケーリング・アグリゲーションが与える影響は何か？
• RQ2 干渉制限下でのセカンダリトラフィックの根本的容量限界は何か？
• RQ3 ユーザーおよび基地局の密度は、達成可能なスループットと遅延性能にどのように影響するか？
• RQ4 セカンダリユーザー容量を最大化するための最適なスケーリング・バンド数は何か？また、これはユーザー-基地局密度比にどのように依存するか？
• RQ5 セッションサイズと動的スケジューリングは、低遅延領域における容量-遅延トレードオフにどのように影響するか？

主な発見

• 1Hzあたりのユーザーごとのスループットは定数で上限に達し、ユーザー-基地局密度比の対数関数に比例して非線形に減少する。
• 最大達成可能容量の閉形式近似式が導出された：$ C^{* ext{max}}_{II} riangleq 0.6359 - 0.052 imes \log_2(\lambda_u / \lambda_b) $、$ 2 < \lambda_u / \lambda_b < 500 $ の範囲で有効。
• 固定されたシステム帯域幅において、容量はバンド数Nの増加に伴い一時的に増加するが、帯域あたりの帯域幅が減少することでやがて低下するため、最適なNが存在する。
• Nが増加すると、帯域あたりの帯域幅が減少するため単一帯域容量は低下するが、利用可能な帯域が増えるためアクセス確率は上昇する。この二つがトレードオフを形成する。
• スケーリング・アグリゲーションは主に高遅延領域に影響を与えるが、セッションサイズの管理と動的スケジューリングは低遅延領域においてより大きな影響を及ぼす。
• 導出された容量限界はユーザー-基地局密度比に対して対数的にスケーリングされ、高密度領域ではリターンの逓減が顕著である。