[論文レビュー] Coverage in Downlink Heterogeneous mmWave Cellular Networks with User-Centric Small Cell Deployment

Xueyuan Wang, Esma Turgut+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ユーザー中心のスモールセル展開を伴うKティアミリメートル波（mmWave）ハイブリッドネットワークにおけるダウンリンクカバレッジを、確率的幾何学的手法を用いて分析している。ユーザー機器（UE）の位置をポアソンクラスタプロセス（トマスおよびマトリーン）でモデル化し、方向性ビームフォーミングとLOS/NLOS路損を組み込み、SINRカバレッジ確率の閉形式表現を導出。その結果、UEのクラスタリングが密で、ビーム幅が狭いほど性能が向上することが示された。

ABSTRACT

A K-tier heterogeneous downlink millimeter wave (mmWave) cellular network with user-centric small cell deployments is studied in this paper. In particular, we consider a heterogeneous network model with user equipments (UEs) being distributed according to a Poisson Cluster Process (PCP). Specifically, we address two cluster processes, namely (i) Thomas cluster process, where the UEs are clustered around the base stations (BSs) and the distances between UEs and the BS are modeled as Gaussian distributed, and (ii) Matern cluster process, where the UEs are scattered according to a uniform distribution. In addition, distinguishing features of mmWave communications including directional beamforming and a sophisticated path loss model incorporating both line-of-sight (LOS) and non-line-of-sight (NLOS) transmissions, are taken into account. Initially, the complementary cumulative distribution function (CCDF) and probability density function (PDF) of path loss are provided. Subsequently, using tools from stochastic geometry, we derive a general expression for the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) coverage probability. Our results demonstrate that coverage probability can be improved by decreasing the size of UE clusters around BSs, decreasing the beamwidth of the main lobe, or increasing the main lobe directivity gain. Moreover, interference has noticeable influence on the coverage performance of our model. We also show that better coverage performance is achieved in the presence of clustered users compared to the case in which the users are distributed according to a Poisson Point Process (PPP).

研究の動機と目的

• mmWaveネットワークにおける現実的なユーザー機器（UE）配置をモデル化し、UEがスモールセル基地局（BS）の周囲にクラスタリングする空間相関を考慮するが、独立したPPP分布を仮定するのではなく。
• 方向性ビームフォーミングとLOS/NLOS伝搬を考慮した、ユーザー中心のスモールセル展開がmmWaveハイブリッドネットワークにおけるダウンリンクカバレッジ確率に与える影響を分析すること。
• UEがクラスタリングされたKティアmmWaveネットワークにおける信号対インタリーレンス＋ノイズ比（SINR）カバレッジ確率の一般解析的表現を導出すること。
• ビーム幅、ビーム指向性利得、およびクラスタサイズが、現実的なmmWave伝搬条件下でのカバレッジ性能に与える影響を定量化すること。

提案手法

• UEの位置を、UEがスモールセルBSの周囲にガウス分布または一様分布でクラスタリングするポアソンクラスタプロセス（特にトマスおよびマトリーンクラスタプロセス）でモデル化。
• 距離依存の路損と遮蔽効果を含む、分離されたLOSおよびNLOS成分を用いて、現実的なmmWave伝搬をモデル化。
• 干渉のラプラス変換を導出し、路損の補完的累積分布関数（CCDF）を用いてSINRカバレッジ確率を計算するため、確率的幾何学的手法を適用。
• 干渉電力の期待値を計算し、干渉分布のラプラス変換を適用することで、カバレッジ確率の閉形式表現を導出。
• 遮蔽のDボール近似を用い、ビームフォーミング利得とビーム幅効果を干渉および信号電力モデルに統合。
• クラスタプロセスの種別（トマスまたはマトリーン）に応じて、異なる距離分布を考慮し、LOSおよびNLOSリンクのカバレッジ確率を別々に導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UEがBSの周囲にクラスタリングされるユーザー中心のスモールセル展開が、mmWaveハイブリッドネットワークにおけるダウンリンクSINRカバレッジ確率に与える影響は何か？
• RQ2 方向性ビームフォーミングを伴うmmWaveネットワークにおいて、クラスタ形状（ガウス分布対一様分布）がカバレッジ性能に与える影響は何か？
• RQ3 ビーム幅とビーム指向性利得は、ユーザー中心のmmWaveネットワークにおけるカバレッジ確率にどのように影響するか？
• RQ4 KティアmmWaveネットワークにクラスタリングされたUEが存在する場合、他のティアからの干渉がカバレッジ性能をどの程度劣化させるか？
• RQ5 現実的なmmWave伝搬条件下で、クラスタリングされたUE展開は、均一なPPP分布よりもカバレッジ確率において優れた性能を示すか？

主な発見

• UEがBSの周囲にクラスタリングされる場合、クラスタサイズが小さくなることで、より強く信頼性の高いラインオブサイト（LOS）リンクが得られ、干渉も減少するため、カバレッジ確率が向上する。
• メインローブのビーム幅が狭くなることで、空間的干渉が低減され、ビーム指向性が向上し、結果としてカバレッジ確率が向上する。
• メインローブの指向性利得が高くなると、受信機での信号電力が増加し、SINRが向上し、カバレッジ確率が向上する。
• 他のティアからの干渉は、特に密度の高い展開においてカバレッジ性能に顕著な影響を与えるため、正確な性能評価のためには、これを慎重にモデル化する必要がある。
• 本モデルでは、クラスタリングされたUE（トマスまたはマトリーンプロセス）が、均一なPPP分布よりも優れたカバレッジ性能を示すことが判明。これは、より予測可能で有利な伝搬条件が得られるためである。
• 導出されたカバレッジ確率の表現は閉形式であり、クラスタプロセスの種別、ビームパrameter、およびLOS/NLOSリンクの路損モデルに依存する。