[論文レビュー] Fundamentals of the Downlink Green Coverage and Energy Efficiency in Heterogeneous Networks

Chun‐Hung Liu, Kok Leong Fong|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、確率的幾何学を用いて、小規模セル無線網（HetNets）におけるダウンリンクのエネルギー効率を最大化するため、グリーンチャネルに配慮したセル関連（GCA）方式を提案する。グリーンカバレッジ確率、リンクおよびネットワークのエネルギー効率に関するきつい理論的上限を導出し、GCAが最大受信電力（MRPA）および最近接基地局（NBA）関連方式よりも優れた根本的限界を達成することを示している。

ABSTRACT

This paper studies the proposed green (energy-efficient) coverage probability, link and network energy efficiencies in the downlink of a heterogeneous cellular network (HetNet) consisting of $K$ independent Poisson point processes (PPPs) of base stations (BSs). The important statistical properties of the universal (general) cell association functions are first studied and the cell load statistics for power-law cell association functions, which can characterize the accurate void cell probability of a BS in every tier, is also derived. A simple and feasible green channel-aware cell association (GCA) scheme is proposed and the green coverage probability is also proposed for any particular cell association scheme, such as the maximum received power association (MRPA) and nearest base station association (NBA) schemes. Then the link and network energy efficiencies are proposed to characterize the mean spectrum efficiency per unit power consumption for a BS and the mean area spectrum efficiency for a HetNet, respectively. All the tight bounds on the green coverage probability, link and network energy efficiencies for the GCA, MRPA and NBA schemes are found. They are theoretically shown to pose the fundamental maximum limits on the link and network energy efficiencies achieved by any other cell association schemes and such a fact is validated by numerical results as well.

研究の動機と目的

• HetNetsにおけるセル関連方式のエネルギー効率解析の不足、特にリンクおよびネットワークレベルのエネルギー効率に関する問題を解決すること。
• セル関連がHetNetsにおけるエネルギー効率を根本的に向上または最適化できるかどうかを調査すること。これは、先行研究においてほとんど検討されていない問いである。
• Poisson点過程を用いて、複数のティアの基地局（BS）におけるグリーンカバレッジおよびエネルギー効率を評価するための取り扱いやすいフレームワークを構築すること。
• いかなるセル関連方式も超えることができないエネルギー効率の理論的上限を確立し、根本的なベンチマークを提供すること。

提案手法

• 異なる送信電力および密度を持つK個の独立したPoisson点過程（PPP）としてHetNetをモデル化し、基地局（BS）を表現する。
• 普遍的なセル関連関数を導入し、電力則関連のためのセル負荷統計を導出し、正確な空きセル確率の分析を可能にする。
• スペクトル効率を単位電力あたりにしたエネルギー効率が高いかつ高い基地局を優先するグリーンチャネルに配慮したセル関連（GCA）方式を提案する。
• グリーンカバレッジ確率、リンクエネルギー効率（単位電力あたりの平均スペクトル効率）、およびネットワークエネルギー効率（単位電力あたりの平均面積スペクトル効率）の閉形式表現を導出する。
• 確率的幾何学およびLaplace変換を用いて、GCA、MRPA、NBA方式の下でSIR（信号対干渉比）分布を分析する。
• 干渉のLaplace変換の近似を用いてきつい下限を適用し、数値結果により妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セル関連戦略は、従来の方式を上回るHetNetのエネルギー効率を根本的に向上させることができるか？
• RQ2 いかなるセル関連方式であっても、HetNetにおける理論的上限として達成可能なリンクおよびネットワークエネルギー効率の最大値は何か？
• RQ3 グリーンチャネルに配慮したセル関連（GCA）方式は、MRPAおよびNBAといった従来の方式と比較して、エネルギー効率およびカバレッジにおいてどのように異なるか？
• RQ4 多ティアHetNetsにおける電力則セル関連の下で、セル負荷および空きセル確率の統計的性質は何か？
• RQ5 いかなるセル関連方式に対しても、グリーンカバレッジ確率を定義し、境界を設定する方法は何か？

主な発見

• 提案されたGCA方式は、リンクおよびネットワークエネルギー効率における根本的上限に達しており、他のいかなるセル関連方式よりも超えることはできない。
• GCA、MRPA、NBA方式のグリーンカバレッジ確率、リンクエネルギー効率、ネットワークエネルギー効率について、きつい解析的境界が導出された。
• 数値結果により、理論的境界が妥当であることが検証され、GCA方式はMRPAおよびNBA方式をエネルギー効率面で上回っている。
• 本稿は、基地局のエネルギー効率がその関連戦略に大きく依存しており、最適な関連戦略を用いることでエネルギー効率を最大にできると示している。
• グリーンカバレッジ確率およびエネルギー効率の導出式は、電力則および普遍的関連モデルを含む、いかなるセル関連関数に対しても有効である。
• 分析により、各ティアにおける空きセル確率が、提案された電力則セル関連関数によって正確に特徴付けられ、正確な負荷モデル化が可能であることが明らかになった。