[論文レビュー] Efficiency Analysis of Decoupled Downlink and Uplink Access in Heterogeneous Networks

Katerina Smiljkovikj, Liljana Gavrilovska+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させるために、分離されたダウンリンクおよびアップリンクアクセスを組み合わせた二段階の異種セルラーネットワークと、二段階のアップリンクパワー適応を提案する。ステーシャスティックジオメトリを用いて、共同アソシエーション確率および距離分布を導出する。その結果、帯域幅や送信パワーを増加させることなく、適応的パワー制御を併用した分離アクセスがシステム効率を向上させることを示した。

ABSTRACT

This paper analyzes two-tier heterogeneous cellular network with decoupled downlink and uplink access. The basic performance benefits of uplink/downlink decoupling have been recently introduced. Here we provide a more elaborate treatment of the decoupling mechanism by analyzing spectral and energy efficiency of the system, as the joint improvement of these two features is crucial for the upcoming 5G systems. Contrary to the common assumption of a homogeneous user domain, we analyze two-tier user domain, whose transmit powers depend purely on the association process. The derived joint association probabilities and the distributions of the distance to the serving base station give deeper insight into the fundamentals of a system with decoupled access. The rigorous theoretical analysis shows that decoupling of downlink and uplink with two-level uplink power adaptation improves both, spectral and energy efficiency of the system.

研究の動機と目的

• 二段階の異種ネットワークにおける分離ダウンリンクおよびアップリンクアクセスの性能を分析すること。
• 分離アクセスとパワー適応の下でのスペクトル効率およびエネルギー効率の共同影響を評価すること。
• 送信パワーがアソシエーションプロセスに依存する異種ユーザー領域をモデル化すること。
• アップリンクパワー適応が、密度が高くユーザーが集中する環境におけるシステムレベルの性能指標に与える影響を調査すること。
• 5Gの効率目標を達成するためのアップリンクパワー最適化の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 基地局（MBSsおよびSBSs）とユーザーを、ホモジニアスPoisson点プロセス（PPP）でモデル化する。
• スリブニャクの定理を適用して原点に位置する典型的なユーザーを分析し、取り扱いやすいステーシャスティックジオメトリ解析を可能にする。
• 信号対インターフェレンス＋ノイズ比（SINR）および路損失に基づいて、ダウンリンクおよびアップリンクの共同アソシエーション確率を導出する。
• $ Q_M $ および $ Q_S $ がサービスを提供する基地局の種別に応じて調整される二段階のアップリンクパワー適応方式を導入する。
• 導出された距離分布を用いて、異なるパワー適応戦略下でのスペクトル効率およびエネルギー効率の指標を計算する。
• 三つのシステム構成を比較する：デカップリングなし、デカップリングありだがパワー適応なし、デカップリングありおよび二段階パワー適応あり。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二段階の異種ネットワークにおける分離ダウンリンクおよびアップリンクアクセスは、スペクトル効率およびエネルギー効率の両面にどのように影響を与えるか？
• RQ2 固定またはパワー適応なしのケースと比較して、二段階のアップリンクパワー適応はシステムレベルの性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 従来のアソシエーションと比較して、分離アクセス下でのアソシエーション確率およびサービス基地局への距離分布はどのように異なるか？
• RQ4 どのようなパrameter領域で、パワー適応を併用したデカップリングが、スペクトル効率およびエネルギー効率の両面で従来のシステムを上回るか？
• RQ5 分離アクセス下での性能向上を実現するにあたり、$ Q_S/Q_M $ の比は $ P_S/P_M $ に対して果たす役割は何か？

主な発見

• 分離ダウンリンクおよびアップリンクアクセスにより、帯域幅や送信パワーを増加させることなく、スペクトル効率およびエネルギー効率が向上する。
• 二段階のアップリンクパワー適応を採用したシステムは、デカップリングのみのシステムやデカップリングなしのシステムよりも高い平均スペクトル効率を達成する。
• エネルギー効率はアップリンク送信パワー $ Q_M $ および $ Q_S $ の絶対値に依存するが、スペクトル効率はそれらの比にのみ依存する。
• $ Q_M > Q_S $ となる領域が存在し、その領域ではスペクトル効率およびエネルギー効率の両方が同時に向上するため、望ましい動作点である。
• 同じ送信パワーであっても、分離アクセスによるスペクトル効率の向上のおかげで、分離システムの平均エネルギー効率は非分離システムを常に上回る。
• 提案されたモデル（分離アクセスおよびパワー適応を併用）は、負荷のバランスをとることで公平性を提供し、カバレッジ制限領域のユーザーの性能を向上させる。