[論文レビュー] Cell planning for mobility management in heterogeneous cellular networks

Arpan Chattopadhyay, Bartłomiej Błaszczyszyn+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、移動端末ユーザーをマクロ基地局にのみサービス提供することでハンドオフ頻度とデータ断続を低減する、異種2段階セルラーネットワークを提案する。静的ユーザーはマクロおよびマイクロ基地局からサービスを受ける。確率的幾何学を用いて、スペクトル効率および電力制約下で両ユーザー種別におけるスループットを最大化する最適な電力レベルとマクロ基地局の割合を導出する。その結果、特定の条件下では均一ネットワーク設計が最適であることが示された。

ABSTRACT

In small cell networks, high mobility of users results in frequent handoff and thus severely restricts the data rate for mobile users. To alleviate this problem, we propose to use heterogeneous, two-tier network structure where static users are served by both macro and micro base stations, whereas the mobile (i.e., moving) users are served only by macro base stations having larger cells; the idea is to prevent frequent data outage for mobile users due to handoff. We use the classical two-tier Poisson network model with different transmit powers (cf [1]), assume independent Poisson process of static users and doubly stochastic Poisson process of mobile users moving at a constant speed along infinite straight lines generated by a Poisson line process. Using stochastic geometry, we calculate the average downlink data rate of the typical static and mobile (i.e., moving) users, the latter accounted for handoff outage periods. We consider also the average throughput of these two types of users defined as their average data rates divided by the mean total number of users co-served by the same base station. We find that if the density of a homogeneous network and/or the speed of mobile users is high, it is advantageous to let the mobile users connect only to some optimal fraction of BSs to reduce the frequency of handoffs during which the connection is not assured. If a heterogeneous structure of the network is allowed, one can further jointly optimize the mean throughput of mobile and static users by appropriately tuning the powers of micro and macro base stations subject to some aggregate power constraint ensuring unchanged mean data rates of static users via the network equivalence property (see [2]).

研究の動機と目的

• 小セルネットワークにおける頻繁なハンドオフによって引き起こされる移動ユーザーのスループット著しい低下を解消すること。
• 移動ユーザーをハンドオフ頻度とデータ断続を低減するためマクロ基地局のみでサービス提供する、異種ネットワークアーキテクチャを設計すること。
• マクロ基地局およびマイクロ基地局の送信電力を同時に最適化し、マクロ基地局の割合を調整することで、移動ユーザーおよび静的ユーザーの両方の平均スループットを最大化すること。
• 総電力制約下で、静的ユーザーの平均データレートを変化させないようネットワーク同等性を用いて保証すること。
• 移動度に配慮したセル計画におけるユーザー性能を評価するための確率的幾何学ベースの解析的フレームワークを提供すること。

提案手法

• マクロ基地局とマイクロ基地局が異なる送信電力を持つ2段階のポアソン過程としてネットワークをモデル化する。
• 静的ユーザーは均一なポアソン点過程に従うが、移動ユーザーは一定速度でランダムな直線を生成するポアソンライン過程に従って移動すると仮定する。
• 確率的幾何学を用いて、典型的な移動ユーザーおよび静的ユーザーの平均下りりんデータレートを計算し、ハンドオフ断続期間を考慮する。
• ユーザーのスループットを、データレートを1基の基地局が同時にサービス提供するユーザー平均数で除算することで定義する。
• 集約電力制約下で、マクロ基地局の割合と送信電力を同時に調整するための制約付き最適化フレームワークを適用する。
• ネットワーク同等性の性質を用いて、静的ユーザーのデータレートを維持したまま、移動ユーザーのパフォーマンス最適化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種ネットワークにおいて、移動ユーザーのハンドオフ関連のデータ断続を最小化するためのマクロ基地局の最適割合は何か？
• RQ2 ユーザー移動速度とネットワーク密度は、移動ユーザーのハンドオフ頻度とデータレートのトレードオフにどのように影響するか？
• RQ3 移動ユーザーをマクロ基地局のみでサービス提供する異種ネットワークアーキテクチャは、均一な小セル展開と比較して全体のシステムスループットを向上させ得るか？
• RQ4 移動ユーザーと静的ユーザーのスループットをバランスさせるために、均一ネットワーク設計（等しい電力レベル）が最適となる条件は何か？
• RQ5 ユーザー速度分布および基地局密度の選択が、最適セル計画戦略にどのように影響するか？

主な発見

• 移動ユーザー速度、ハンドオフ時間、およびネットワーク密度の平方根の積が大きい場合、ハンドオフ頻度と断続を低減するため、移動ユーザーを基地局の一部に制限することが最適である。
• 高速移動ユーザーまたは高密度ネットワークでは、移動ユーザーをマクロ基地局のみでサービス提供することで、ハンドオフ関連の断続を最小限に抑え、平均データレートを著しく向上させられる。
• 静的ユーザーのスループットに対する重みが高い場合、移動ユーザーのレートが電力および割合パラメータに敏感であるため、最適設計はしばしば均一ネットワーク（マクロおよびマイクロ基地局の電力が等しい）となる。
• ネットワーク同等性の性質により、静的ユーザーのデータレートを維持したまま、電力および基地局割合の調整によって移動ユーザーのパフォーマンスを最適化できる。
• 数値結果から、ハンドオフ信号処理と断続の低減により、セルサイズが大きいにもかかわらずマクロ基地局が移動ユーザーのスループットを向上させられることを示している。
• 最適解はユーザー密度、移動速度、最大送信電力および基地局利用可能性などのシステム制約に依存する。