[論文レビュー] Error Performance Analysis to Increase Capacity of A Cellular System Using SDMA

Md. Murad Hossain, Jahangir Hossain|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2010

Wireless Communication Networks Research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、スマートアンテナを用いた空間多重多重アクセス（SDMA）を提案し、空間多重を活用することでセルラー通信システムの容量を向上させることを目的としている。5.1 dBの指向性を持つフラットトップビームを形成することで、誤り率が同一の条件下で、オムニ方向アンテナと比較して200ユーザーをサポート可能となる。これは、オムニ方向アンテナの50ユーザーを上回り、空間再利用と干渉低減による4倍の容量向上を示している。

ABSTRACT

One of the biggest drawbacks of the wireless environment is the limited bandwidth. However, the users sharing this limited bandwidth have been increasing considerably.Space Division Multiple Access (SDMA) is a new technology by which the capacity of existing mobile communication systems can economically be increased. This paper has been presented how the capacity can be enhanced by using SDMA with smart antennas in mobile communications system. Based on Adaptive Antenna Array (AAA) technology the spatial dimension of the existing system is exploited by means of forming independent radio beams in each of the original channels. This paper analyses the comparison of average Bit Error Rate (BER) of SDMA and CDMA technique and the different ways in which SDMA can be introduced to increase the capacity of a cellular system. The probability of error is found for a standard omni directional base station antenna, and another set of curves is found for flat top beam having a directivity of 5.1dB. It is assumed that k separate flat top beams can be formed by base station and pointed each of the k users within the cell of interest. Noticing that for an average probability of error greater than 0.1 in a propagation path loss environment of n=4, the flat top beam will support 200 users, whereas the omni-directional antenna will support only 50 users. This increase the number of user is roughly equal to the directivity offered by the flat top beam system, and illustrates the promise SDMA offers for improving capacity in wireless system. Here multipath fading is not considered.

研究の動機と目的

• セルラーネットワークにおけるスペクトル効率およびユーザー容量の向上に、SDMAとスマートアンテナを用いる手法がどのように寄与するかを調査すること。
• フェージングなし、パスロス制限環境下におけるSDMAとCDMAのビット誤り率（BER）性能を比較すること。
• 指向性アンテナとオムニ方向アンテナを用いたビームフォーミングによるユーザー容量の増加を定量的に評価すること。
• 固定された平均BER閾値下で、ビーム指向性（5.1 dB）がシステム容量に与える影響を評価すること。
• 帯域幅や送信電力を増加させることなく、空間多重を活用することでシステム容量を向上させる可能性を実証すること。

提案手法

• セルラーセル内で複数の独立した空間ビームを形成するために、適応アレイアンテナ（AAA）技術を用いる。
• k個のフラットトップビームをモデル化し、各ビームを特定のユーザーに向けて指向させることで、ユーザー間干渉を低減する。
• オムニ方向アンテナと5.1 dB指向性を持つフラットトップビームの両方の平均BERを分析する。
• パスロス伝搬モデルを仮定し、パスロス指数n = 4とし、マルチパスフェージングは無視する。
• 平均BERが0.1未満に保たれる制約下でのユーザー容量を比較する。
• 容量向上率を、フラットトップビームがサポートできるユーザー数とオムニ方向アンテナのユーザー数の比として計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラインオブサイト、パスロス制限環境下において、方向性ビームフォーミングを用いたSDMAは、CDMAと比較してどのようにBER性能を向上させるか？
• RQ2 BER閾値が0.1である条件下で、5.1 dB指向性を持つフラットトップビームシステムが最大何人のユーザーをサポートできるか？
• RQ3 スマートアンテナを用いたSDMAシステムのユーザー容量は、従来のオムニ方向アンテナベースの基地局と比較してどの程度異なるか？
• RQ4 帯域幅を増加させない条件下で、ビーム指向性がセルラーシステムの容量向上にどの程度寄与するか？
• RQ5 同じ誤り性能制約下で空間再利用を適用した場合、SDMAとCDMAの理論的容量向上率はどの程度か？

主な発見

• 5.1 dB指向性を持つフラットトップビームシステムは、平均BERが0.1未満の条件下で200人のユーザーをサポート可能である。
• これに対して、オムニ方向アンテナでは同じBER閾値下で50人のユーザーしかサポートできない。
• SDMAはオムニ方向アンテナシステムに対して約4倍の容量向上を達成しており、これはビームの指向性に比例する。
• この向上は、マルチパスフェージングを考慮しない状況下でも、空間再利用とビームフォーミングによる干渉低減に起因する。
• 結果から、マルチパスがない環境下でもSDMAが空間次元を活用することでシステム容量を顕著に向上させられることを確認した。
• 本研究は、ビームフォーミングが追加のスケジューリングや電力の増加なしにユーザー容量を向上させられることを実証した。