[論文レビュー] Coordinated Two-Tier Heterogeneous Cellular Networks with Leakage Based Beamforming

Harsh Tataria, Mansoor Shafi+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 21被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、干渉を低減するための漏れに基づく beamforming を、協調型2層階層型セルラーネットワーク（HetNets）に提案する。マクロセルとマイクロセルの基地局間で完全またはマクロセルのみの協調を可能にすることで、ネットワークの密度化に伴う干渉の増大を抑制し、線形的な合計スループットの増加と、ユーザーごとのSINR低下率の著しい低減を達成する。特にマイクロセル密度が高い状況では、非協調方式を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

In this paper we demonstrate the rate gains achieved by two-tier heterogeneous cellular networks (HetNets) with varying degrees of coordination between macrocell and microcell base stations (BSs). We show that without the presence of coordination, network densification does not provide any gain in the sum rate and rapidly decreases the mean per-user signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR). Our results show that coordination reduces the rate of SINR decay with increasing numbers of microcell BSs in the system. Validity of the analytically approximated mean per-user SINR over a wide range of signal-to-noise-ratio (SNR) is demonstrated via comparison with the simulated results.

研究の動機と目的

• マイクロセル数の増加に伴う2層階層型HetNetsにおける協調の性能向上を分析すること。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）が協調技術に与える影響を調査すること。
• 合計スループットおよび平均ユーザーごとのSINRの観点から、協調なし、マクロセルのみの協調、完全な協調の性能を比較すること。
• 複数の重複するマクロセルがマイクロセルの合計スループット性能に与える影響を評価すること。
• 広いSNR範囲にわたり、平均ユーザーごとのSINRの解析的近似がシミュレーション結果とどの程度一致するかを検証すること。

提案手法

• マクロセルおよびマイクロセルの基地局で、望ましい信号対漏れノイズ比（SLNR）を最大化する漏れに基づくbeamformingが採用され、不要なユーザーへの干渉漏れを最小化する。
• ビームフォーマーは、バックハネルリンクを通じて交換されるチャネル状態情報（CSI）を用いて設計され、干渉管理のための協調が可能になる。
• システムモデルには、1つのマクロセル基地局と複数のマイクロセル基地局が含まれる。各基地局はMIMO下行リンク伝送により、単一素子アンテナを持つユーザーをサービスする。
• 平均ユーザーごとのSINRの解析的近似は、固有値分解およびi.i.d.複素ガウスチャネルの統計的性質を用いて導出される。
• シミュレーションにより、マイクロセル数とSNRレベルの変動に応じた協調戦略（協調なし、マクロセルのみ、完全な協調）の性能が比較される。
• 特に干渉制限状態下で、マイクロセルをセルエッジに配置するのと均一に配置するのとでの性能差が評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクロセルとマイクロセルの基地局間の協調は、2層階層型HetNetsにおける合計スループットとユーザーごとのSINRにどのように影響するか？
• RQ2 高密度なマイクロセル展開において、完全な協調とマクロセルのみの協調の性能向上はどの程度か？
• RQ3 マイクロセル密度が増加する状況で、協調なしの状態ではスペクトル効率にどのような影響が生じるか？
• RQ4 マイクロセルの配置場所（例：セルエッジ）が、異なる協調戦略下での合計スループット性能に与える影響は何か？
• RQ5 広いSNR範囲にわたり、平均ユーザーごとのSINRの解析的近似は、シミュレーション結果とどの程度正確か？

主な発見

• 協調なしの場合、ネットワークの密度化は合計スループットに恩恵をもたらさず、管理されない干渉のため平均ユーザーごとのSINRが急激に低下する。
• 完全な協調では、マイクロセル数の増加に伴い合計スループットが線形的に増加し、協調なしの3マイクロセルと比較して10マイクロセルで10 bps/Hzのスループット向上を達成する。
• 完全な協調では、非協調展開と比較して、10マイクロセルでのSINR低下率を最大3.6 bps/Hzまで低減する。
• 低マイクロセル密度ではマクロセルのみの協調が完全な協調とほぼ同等の性能を示すが、密度が上昇するとマイクロセル干渉が増加するため性能が著しく低下する。
• 非協調方式下では、マイクロセルをセルエッジに配置することで合計スループットの向上が顕著に現れ、3マイクロセルと比較して10マイクロセルで10 bps/Hzの向上が得られる。
• 広いSNR範囲にわたり、平均ユーザーごとのSINRの解析的近似はシミュレーション結果と非常に良く一致しており、システム設計および最適化に有効であることが検証された。