[論文レビュー] Coverage Analysis of Two-Tier HetNets for Co-Channel, Orthogonal, and Partial Spectrum Sharing under Fractional Load Conditions

Praful D. Mankar, Goutam Das+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、分数負荷下における二ティア異種ネットワーク（HetNets）の覆蓋確率を分析するため、マクロ基地局（MBSs）にポアソン点過程（PPP）を、フェミニ・アクセスポイント（FAPs）にポアソンクラスタ過程（PCP）を用いた複合確率幾何モデルを提案する。共周波数、直交、部分的スペクトル共有モードを評価し、FAPにおける認知的スケジューリングが干渉を低減することで覆蓋性を著しく向上させることを示し、実際のクラスタ配置と負荷条件において部分的共有が最良の性能を示す。

ABSTRACT

In heterogeneous networks, the random deployment of femto access points (FAPs) and macro base stations (MBSs) with uncoordinated channel access impose huge inter-tier interferences. In real-life networks, the process of MBSs deployment exhibits the homogeneity, however the FAPs have the behavioral characteristic of clusters formation like in malls, apartments, offices, etc. Therefore, the composite modeling of the MBSs and the FAPs using Poisson point process and Poisson cluster process is employed for the evaluation of coverage probability. The scenario of the real-time traffic for macro-tier and the best-effort traffic for femto-tier is considered. Cognition is introduced in the clustered FAPs to control the inter-tier interference. Furthermore, the impact of macro-tier load is analyzed by exploiting the inherent coupling between coverage probability and activity factor of an MBS. Further, we study the effect of co-channel, orthogonal, and partial spectrum sharing modes on the coverage for given parameters like load condition, FAPs/MBSs density, etc. We provide simulation validation for the derived expressions of coverage and present an comparative analysis for the mentioned spectrum sharing modes.

研究の動機と目的

• フェミニ・アクセスポイント（FAPs）とマクロ基地局（MBSs）のランダムかつクラスタ配置が引き起こす二ティアHetNetsにおけるインタータイア干渉の課題に対処すること。
• MBSsの均一配置とFAPsのクラスタ配置という異種配置行動を、それぞれポアソン点過程（PPP）とポアソンクラスタ過程（PCP）でモデル化すること。
• 分数負荷状態下での覆蓋確率に与える共周波数、直交、部分的共有の各スケジューリングモードの影響を評価すること。
• グローバルなマクロレベルの調整を必要とせず、ローカル情報に基づくFAPレベルでの認知的周波数アクセスを導入し、インタータイア干渉を軽減すること。
• MBS活動係数と覆蓋確率の間の定量的関係を確立し、現実的なトラフィック負荷変動下での解析を可能とすること。

提案手法

• 覆蓋性を確保するための均一かつ広範な配置を反映するために、MBSsを均一なポアソン点過程（PPP）でモデル化する。
• 住宅・商業・オフィス環境におけるFAPsのクラスタ配置行動を捉えるために、FAPsをポアソンクラスタ過程（PCP）でモデル化する。
• PCPの確率生成関数（PGFL）とクラスタサイズのポアソン分布のモーメント生成関数（MGF）を用いて、FAPsからの集約干渉のラプラス変換を導出する。
• MBS活動係数と覆蓋確率を結合モデルで関連付けることで、分数負荷状態を組み込み、動的トラフィック負荷下での解析を可能にする。
• FAPsにおける認知的周波数アクセスを、ローカル干渉状態を関数としてモデル化することで実装し、マクロユーザーへの共周波数干渉を低減する。
• 確率幾何学的手法とラプラス変換技術を用いて、共周波数、直交、部分的共有モード下での覆蓋確率の閉形式近似を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PPP-PCP複合モデルは、従来のPPPオンリーモデルと比較して、二ティアHetNetsにおける覆蓋確率解析の正確性をどのように向上させるか？
• RQ2 分数負荷下におけるマクロ・フェミニ・ネットワークにおいて、FAPのクラスタリングはインタータイア干渉と覆蓋確率にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 実際の配置と負荷条件下で、共周波数、直交、部分的共有の各スケジューリングモードは、覆蓋性能においてどのように比較されるか？
• RQ4 グローバルネットワーク調整を要しないFAPレベルでの認知的周波数アクセスは、インタータイア干渉をどの程度低減できるか？
• RQ5 MBS活動係数は覆蓋確率にどのように影響を及ぼし、この結合関係はどのようにして負荷に適応したネットワーク最適化に活用できるか？

主な発見

• PPP-PCP複合モデルは、MBSsが均一に配置され、FAPsが高負荷エリアにクラスタを形成する現実のHetNet展開をより正確に表現する。
• FAPsにおける認知的周波数アクセスは、特に高密度のFAP環境と部分的共有条件下で、マクロティアの覆蓋性を顕著に向上させる。
• 部分的共有は、全テスト負荷および密度条件において最高の覆蓋確率を達成し、干渉管理の優れた性能により共周波数共有と直交共有を上回る。
• 導出された覆蓋確率式はシミュレーションにより検証され、さまざまなネットワークパラメータ下で理論的近似と良好に一致している。
• MBS活動係数と覆蓋確率の結合関係により、動的負荷に適応した最適化が可能となり、MBS負荷が上昇するにつれて干渉レベルが上昇し、覆蓋性が低下することが明らかになった。
• 干渉のラプラス変換に対するジェンセンの不等式と指数関数的バウンディングを用いた近似法は、取り扱いやすく正確な結果をもたらし、実用的展開インサイトを提供する。