[論文レビュー] Energy-Efficient Design of MIMO Heterogeneous Networks with Wireless Backhaul

Howard H. Yang, Giovanni Geraci+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2015

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering参考文献 52被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、無線バックホールを備えた2ティアMIMOハイブリッドネットワークにおけるエネルギー効率を分析するための確率的幾何学的フレームワークを提案する。上行リンクおよび下行リンクの両方を考慮し、アクセスリンクとバックホールリンク間の最適帯域幅割り当てが、特に高負荷条件下でエネルギー効率を顕著に向上させることを示している。また、MIMOバックホールは従来の1ティアネットワークと比較して、ハイブリッドネットワークのエネルギー効率を著しく向上させることを示している。

ABSTRACT

As future networks aim to meet the ever-increasing requirements of high data rate applications, dense and heterogeneous networks (HetNets) will be deployed to provide better coverage and throughput. Besides the important implications for energy consumption, the trend towards densification calls for more and more wireless links to forward a massive backhaul traffic into the core network. It is critically important to take into account the presence of a wireless backhaul for the energy-efficient design of HetNets. In this paper, we provide a general framework to analyze the energy efficiency of a two-tier MIMO heterogeneous network with wireless backhaul in the presence of both uplink and downlink transmissions. We find that under spatial multiplexing the energy efficiency of a HetNet is sensitive to the network load, and it should be taken into account when controlling the number of users served by each base station. We show that a two-tier HetNet with wireless backhaul can be significantly more energy efficient than a one-tier cellular network. However, this requires the bandwidth division between radio access links and wireless backhaul to be optimally designed according to the load conditions.

研究の動機と目的

• 無線バックホールを備えた2ティアMIMOハイブリッドネットワークにおけるエネルギー効率の一般的解析フレームワークの構築を目的とする。
• 信号処理および干渉の消費電力も含めた、無線バックホールがネットワークのエネルギー効率に与える影響をモデル化・定量することを目的とする。
• 密度の高いハイブリッドネットワーク展開における、ネットワーク負荷およびユーザー接続戦略がエネルギー効率に与える影響を調査することを目的とする。
• 最大エネルギー効率を達成するための無線アクセスリンクとバックホールリンク間の帯域幅割り当てを最適化することを目的とする。
• MIMOベースの無線バックホールが、従来のセルラーネットワークと比較して、全体のネットワークエネルギー効率を著しく向上させることを示すこと

提案手法

• マクロ基地局（MBSs）、スモールセルアクセスポイント（SAPs）、ユーザー設備（UEs）の位置を、それぞれ独立したホモジニアス・ポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• 大規模なハイブリッドネットワークにおけるランダムなトポロジーを特徴付けるために、確率的幾何学を用いる。
• ゼロフォーリング予めき方式および結合を用いたMIMOチャネル効果を、ランダム行列理論を用いて決定論的にモデル化する。
• ラプラス変換およびモーメント生成関数を用いて、アクセスリンクおよびバックホールリンクにおける上行リンクおよび下行リンクのレートの閉形式表現を導出する。
• MBSs、SAPs、バックホールリンクの電力消費モデルをエネルギー効率指標に統合する。
• パスロス分布の上でのレート表現をデコンディショニングすることで、平均実現可能レートおよびエネルギー効率を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線バックホールの存在が、2ティアMIMOハイブリッドネットワークのエネルギー効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 さまざまなネットワーク負荷下での無線アクセスリンクとバックホールリンク間の最適帯域幅割り当ては何か？
• RQ3 空間多重多重が、無線バックホールを備えたハイブリッドネットワークにおけるエネルギー効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 MIMOバックホールは、1ティアセルラーネットワークと比較して、エネルギー効率をどの程度向上させ得るか？
• RQ5 負荷状態およびユーザー接続戦略は、ネットワーク全体のエネルギー効率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• MIMOハイブリッドネットワークにおけるエネルギー効率は、ネットワーク負荷に極めて敏感であり、負荷に応じたユーザー接続戦略とリソース制御が不可欠である。
• アクセスリンクとバックホールリンク間の最適帯域幅割り当ては、特に高負荷条件下でエネルギー効率を顕著に向上させることができる。
• MIMO無線バックホールを備えた2ティアハイブリッドネットワークは、1ティアセルラーネットワークと比較して著しく高いエネルギー効率を達成する。
• バックホールリンクの電力消費はマクロ基地局のそれと同等であり、エネルギー効率設計において重要な要因である。
• 導出された解析フレームワークにより、干渉および fading を含む現実的なネットワーク条件下でのエネルギー効率の正確な予測が可能である。
• MIMOバックホールリンクにおけるゼロフォーリング予めきおよび結合の使用により、漸近的に決定論的なSINR表現が得られ、性能解析が容易になる。