[論文レビュー] Energy Efficiency of Cross-Tier Base Station Cooperation in Heterogeneous Cellular Networks

Weili Nie, Fu‐Chun Zheng+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 26被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、異種セルラーネットワーク（HetNets）におけるクロスタイアーベースステーション協調通信のためのユーザ中心型クラスタリングモデルを提案し、エネルギー効率を向上させる。基地局をポアソン点過程としてモデル化し、確率的幾何学を用いて受信信号電力（RSS）しきい値を最適化することで、特に二段階HetNetsにおいて顕著なエネルギー削減を達成し、幾何的クラスタリングやマクロセルのみの展開を上回る性能を示す。

ABSTRACT

Heterogeneous cellular networks (HetNets) are to be deployed for future wireless communication to meet the ever-increasing mobile traffic demand. However, the dense and random deployment of small cells and their uncoordinated operation raise important concerns about energy efficiency. Base station (BS) cooperation is set to play a key role in managing interference in the HetNets. In this paper, we consider BS cooperation in the downlink HetNets where BSs from different tiers within the respective cooperative clusters jointly transmit the same data to a typical user, and further optimize the energy efficiency performance. First, based on the proposed clustering model, we derive the spatial average rate using tools from stochastic geometry. Furthermore, we formulate a power minimization problem with a minimum spatial average rate constraint and derive an approximate result of the optimal received signal strength (RSS) thresholds. Building upon these results, we effectively address the problem of how to design appropriate RSS thresholds, taking into account the trade-off between spatial average rate and energy efficiency. Simulations show that our proposed clustering model is more energy-saving than the geometric clustering model, and under our proposed clustering model, deploying a two-tier HetNet is significantly more energy-saving compared to a macro-only network.

研究の動機と目的

• 非協調的な小セルを有する高密度で不均一なセルラーネットワークにおけるエネルギー効率の課題に対処すること。
• 最小空間平均レートを維持しつつ、電力消費を最小化するための異なるティア間での基地局協調を最適化すること。
• マルチティアHetNetsにおけるスペクトル効率とエネルギー消費のバランスを取るための最適なRSSしきい値を導出すること。
• 性能評価のための解析的フレームワークを確率的幾何学を用いて構築し、実用的なものとすること。
• ユーザ中心型クラスタリングがエネルギー節約の観点で幾何的クラスタリングを上回ることを示すこと。

提案手法

• 異なる密度を持つ独立したポアソン点過程としてマクロセルおよび小セル基地局をモデル化し、現実的なHetNet展開を表現する。
• 確率的幾何学を用いて、ユーザ中心型クラスタリング下でのダウンリンクにおける空間平均レートを導出し、解析的性能評価を可能にする。
• 最小空間平均レート制約のもとでの電力最小化問題を定式化し、RSSしきい値の最適化に導く。
• パスロス指数、クラスタ半径、チャネル利得を含む解析的表現を用いて、近似的な最適RSSしきい値を導出する。
• 受信信号電力に基づいて協調対象のBSを動的に選択する、改良型ユーザ中心型クラスタリングモデルを導入し、エネルギー効率を向上させる。
• 凸最適化技術を用いて最適化問題を解き、最適な電力制御およびクラスタ形成の閉形式表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HetNetsにおける異なるティア間での基地局協調を最適化することで、エネルギー効率を最大にする方法は何か？
• RQ2 空間平均レートとエネルギー消費のバランスを取るための最適な受信信号電力（RSS）しきい値は何か？
• RQ3 エネルギー効率およびスペクトル性能の観点から、ユーザ中心型クラスタリングと幾何的クラスタリングの違いは何か？
• RQ4 マクロセルのみのネットワークと比較して、二段階HetNetsを展開した場合のエネルギー効率への影響は何か？
• RQ5 確率的幾何学は、クロスタイア協調を伴う協調型HetNetsの解析に実用的かつ正確なフレームワークを提供できるか？

主な発見

• 提案されたユーザ中心型クラスタリングモデルは、幾何的クラスタリングモデルよりも顕著に高いエネルギー効率を達成する。
• クロスタイア協調を伴う二段階HetNetsの展開は、マクロセルのみのネットワークと比較して、エネルギー消費を大幅に削減する。
• 電力最小化問題から導出された最適RSSしきい値は、空間平均レートとエネルギー効率のトレードオフを適切に制御する。
• 空間平均レートは確率的幾何学を用いて解析的に導出され、ユーザ中心型クラスタリング下での性能予測が正確に可能になる。
• 最適な電力制御およびクラスタ形成が凸であることが示され、最適化問題の効率的な数値解法が可能になる。
• 最適しきい値の導出式はシミュレーションにより検証され、実世界の展開環境において有効であることが確認された。