[論文レビュー] Handover Management in Dense Cellular Networks: A Stochastic Geometry Approach

Rabe Arshad, Hesham ElSawy+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、超密なセルラーネットワークにおけるハンドオーバー（HO）遅延がユーザースルーレートに与える影響を評価するため、確率的幾何学に基づく解析的フレームワークを提案する。また、HOシグナリングオーバーヘッドを低減することで平均ユーザーレートを向上させる、新しいHOスキップ方式を導入している。この手法により、高密度の基地局環境下で、1つの軌道あたり1回のHOをスキップすることで、特に高いユーザ速度下で性能が顕著に向上することが示された。従来のHOに比べ、密度の高い環境下で優れた性能を発揮した。

ABSTRACT

Cellular operators are continuously densifying their networks to cope with the ever-increasing capacity demand. Furthermore, an extreme densification phase for cellular networks is foreseen to fulfill the ambitious fifth generation (5G) performance requirements. Network densification improves spectrum utilization and network capacity by shrinking base stations' (BSs) footprints and reusing the same spectrum more frequently over the spatial domain. However, network densification also increases the handover (HO) rate, which may diminish the capacity gains for mobile users due to HO delays. In highly dense 5G cellular networks, HO delays may neutralize or even negate the gains offered by network densification. In this paper, we present an analytical paradigm, based on stochastic geometry, to quantify the effect of HO delay on the average user rate in cellular networks. To this end, we propose a flexible handover scheme to reduce HO delay in case of highly dense cellular networks. This scheme allows skipping the HO procedure with some BSs along users' trajectories. The performance evaluation and testing of this scheme for only single HO skipping shows considerable gains in many practical scenarios.

研究の動機と目的

• 超密なセルラーネットワークにおけるハンドオーバー遅延がユーザーアバウトレートに与える負の影響を定量化すること。
• 確率的幾何学を用いて、HO遅延を主要な性能指標に組み込んだ、解析的に扱いやすいモデルを構築すること。
• シグナリングオーバーヘッドを低減し、長期的なユーザースルーレートを向上させる、柔軟なHOスキップ方式を提案・評価すること。
• HOスキップが、高密度ネットワークにおける高頻度のハンドオーバーによって引き起こされる性能劣化を緩和できることを示すこと。
• 従来のHOおよびHOスキップ方式の両方において、カバレッジ確率および平均スルーレートの閉形式表現を提供すること。

提案手法

• トラクタブルな確率的幾何学的解析を可能とするために、基地局の位置をホモジニアス・ポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• SINRに基づく式を導出し、従来のHOおよびHOスキップ方式の両方におけるカバレッジ確率および平均スルーレートを算出する。
• 干渉の分布を計算するために、干渉のラプラス変換およびPPPの確率生成関数（PGFL）を用いる。
• ユーザーが自身の軌道に沿って、1つの次の最良サービス基地局に接続しない単一のHOスキップメカニズムを導入する。
• 低減されたカバレッジ確率と、HOシグナリング遅延の低減による向上した平均レートとのトレードオフを分析する。
• 静的なSINR式がモバイルユーザーのシミュレーションと一致することを検証し、性能指標が同等であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度の基地局環境下で、ハンドオーバー遅延は、超密なセルラーネットワークにおけるユーザーアバウトレートにどのように悪影響を及ぼすか？
• RQ2 ハンドオーバースキップ方式は、頻繁なハンドオーバーによって引き起こされる性能損失をどの程度緩和できるか？
• RQ3 ハンドオーバーをスキップする際、カバレッジ確率と平均ユーザースルーレートの間にはどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ4 ユーザ速度は、HOスキップ方式の性能向上にどのように影響するか？
• RQ5 確率的幾何学を用いて導出された解析的式は、高密度ネットワークにおけるモバイルユーザーの性能を正確に予測できるか？

主な発見

• 基地局密度が70 BS/km²のとき、HOスキップ方式は、2秒のHO遅延において、ユーザ速度が40 km/hを超えると従来のHOを上回る性能を示した。
• 0.7秒のHO遅延では、ユーザ速度が110 km/hを超えると、HOスキップ方式による性能向上が観察された。
• 提案されたHOスキップ方式は、カバレッジ確率にわずかな減少が生じるものの、長期的な平均ユーザースルーレートを向上させた。
• 静的なPPPに基づく解析的モデルは、すべてのネットワーク実現においてモバイルユーザーのSINR性能を正確に捉えていた。
• ユーザ速度が高くなるほど、HO遅延の相対的影響が低減されるため、HOスキップによる性能向上が顕著に増大した。
• 数学的フレームワークにより、特別なケースにおいてカバレッジ確率および平均スルーレートの閉形式表現が得られ、性能評価が効率的に行えるようになった。