[論文レビュー] Flexible Dual-Connectivity Spectrum Aggregation for Decoupled Uplink and Downlink Access in 5G Heterogeneous Systems

María A. Lema, Enric Pardo+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 27被引用数 50

ひとこと要約

本稿では、5Gハイブリッドネットワークにおける柔軟なデュアルコネクティビティスケーリング方式を提案し、最大受信電力に基づいてユーザーが上行リンク（UL）と下行リンク（DL）で異なるセルに接続できるようにすることで、ULとDLのアクセスを分離可能にする。確率的幾何学的手法を用いて、接続領域を導出し、従来のDLベースのセル接続方式と比較して、特にセルエッジにおける上行リンク容量とスペクトル効率が顕著に向上することを示している。

ABSTRACT

Maintaining multiple wireless connections is a promising solution to boost capacity in fifth-generation (5G) networks, where user equipment is able to consume radio resources of several serving cells simultaneously and potentially aggregate bandwidth across all of them. The emerging dual connectivity paradigm can be regarded as an attractive access mechanism in dense heterogeneous 5G networks, where bandwidth sharing and cooperative techniques are evolving to meet the increased capacity requirements. Dual connectivity in the uplink remained highly controversial, since the user device has a limited power budget to share between two different access points, especially when located close to the cell edge. On the other hand, in an attempt to enhance the uplink communications performance, the concept of uplink and downlink decoupling has recently been introduced. Leveraging these latest developments, our work significantly advances prior art by proposing and investigating the concept of flexible cell association in dual connectivity scenarios, where users are able to aggregate resources from more than one serving cell. In this setup, the preferred association policies for the uplink may differ from those for the downlink, thereby allowing for a truly decoupled access. With the use of stochastic geometry, the dual connectivity association regions for decoupled access are derived and the resultant performance is evaluated in terms of capacity gains over the conventional downlink received power access policies.

研究の動機と目的

• ユーザー機器（UE）の出力制限による密な5Gハイブリッドネットワークにおける上行リンク容量制限の課題に対処すること。
• 従来のセル接続方式が上行リンクと下行リンクの両方の接続に単一の下行リンク受信電力に依存するため、性能が最適でないという問題を克服すること。
• UEが上行リンクと下行リンクの送信に異なるサービングセルを選択できるようにすることで、柔軟で分離された上行リンクと下行リンクのセル接続を実現すること。
• 確率的幾何学的モデルを用いて、この柔軟なデュアルコネクティビティ手法のスペクトル効率およびシステム容量という観点での性能向上を評価すること。
• 個々のリンクの最大受信電力に基づく接続ルールが、特にセルエッジにおいて上行リンク性能と公平性を顕著に向上させることを示すこと。

提案手法

• 著者らは、マクロセル（MCells）とスモールセル（SCells）の空間的分布をポアソン点過程としてモデル化して5Gハイブリッドネットワークを表現する。
• UEが最も近いMCellと2つのSCellsからの相対的な距離に応じて、5つの異なるケースに基づいて接続領域と接続確率を導出する。この際、パスロスおよび電力バイアス要因を考慮する。
• 確率的幾何学的手法を用いて、異なる接続ルール下でのサービングセルまでの距離の累積分布関数（CDF）および確率密度関数（PDF）を計算する。
• 提案された分離接続ポリシー下での下行リンクおよび上行リンクのスペクトル効率の閉形式表現を導出し、システム性能を評価する。
• バックハネル制約および出力制限を考慮し、特にデュアルコネクティビティ環境下での上行リンク伝送効率に注目する。
• 提案手法により、上行リンクと下行リンクのサービングセルを独立して選択可能となり、柔軟なリソース集約によってスペクトル効率を最大化できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のリンクの最大受信電力に基づく上行リンクと下行リンクの分離セル接続は、5Gハイブリッドネットワークにおけるスペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ2 柔軟なデュアルコネクティビティ下で、複数のセルに接続するユーザー機器の解析的接続領域および接続確率は何か？
• RQ3 提案手法は、上行リンク容量と公平性という観点で、従来の下行リンクベースのセル接続方式に比べてどの程度優れているか？
• RQ4 パスロス指数および電力バイアス要因は、デュアルコネクティビティ環境下での上行リンク/下行リンク分離アクセスの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ユーザー機器の位置（特にセルエッジ付近）は、提案された柔軟な接続ポリシーの性能向上にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 提案された柔軟なデュアルコネクティビティ方式は、特にセルエッジにいるユーザーにおいて、従来の下行リンクベースのセル接続方式と比較して顕著な上行リンク容量の向上を達成する。
• 上行リンクと下行リンクそれぞれに個別に個々のリンクの最大受信電力を用いた接続ルールを採用することで、セル半径全体にわたるスペクトル効率の向上と公平性の向上が実現される。
• 確率的幾何学的解析により、分離接続が上行リンクの電力非効率性を低減し、上行リンクに最適でないが受信電力が強いセルに接続できるようにすることで、UEがより強い上行リンクセルに接続できることを確認した。
• 異なる接続ケース下でのサービングセルまでの距離のCDFおよびPDFの導出式により、提案手法の性能評価が正確に行える。
• 数値結果から、上行リンク出力制限が厳しい状況においても、柔軟な接続ポリシーが従来手法を上回ることを示した。
• 上行リンク干渉およびパスロスが主な制限要因となる高密度のスモールセル展開環境では、性能向上が最も顕著に現れる。