[論文レビュー] Hybrid Cellular/WLAN with Wireless Offloading: Enabling Next Generation Wireless Networks.

Petros S. Bithas, Athanasios S. Lioumpas+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、無線によるオフロードを備えたハイブリッドセルラ/WLANネットワークを提案し、WLANアクセスポイント（AP）がセルラーバックハ lul を共有することで、マクロセルからのユーザーをオフロードする。同じマクロセル内で周波数再利用1を実現し、セル間干渉を最小限に抑え、同一および非同一 fading 条件下でも、導出された閉形式式により、エゴドック容量およびSINR（信号対干渉加算ノイズ比）が向上する。

ABSTRACT

The exploitation of already deployed wireless local area networks (WLAN)s (e.g., WiFi access points (AP)s) has attracted considerable attention, as an efficient and practical method to improve the performance of beyond 4G wireless networks. In this paper, we propose a novel communication paradigm to satisfy the performance demands of future wireless networks: a hybrid Cellular/WLAN network architecture with wireless offloading. In contrast to the commonly adopted practice of WiFi offloading, where the WLAN APs have a wired backhaul (e.g., Digital Subscriber Line), we propose a wireless offloading approach, where the WLAN APs will share their wireless cellular broadband connection with other users. These users will select their serving node, i.e., the macro-cell eNodeB or a WLAN AP, based on a certain selection criterion. Thus a challenging research field is originated, where interfering effects and wireless resources limitations play a dominant role. Important performance metrics of the proposed hybrid scheme, including the bit error probability, the ergodic capacity and the average signal-to-interference-plus noise ratio, are theoretically studied and closed form expressions are derived for the single-user case with multiple interferers, for both identical and non-identical fading conditions. Also, based on the general multi-cellular hybrid WLAN-Cellular concept, we first propose a intercell interference minimization approach. Then we present a novel scheme for achieving frequency reuse equal to one within a single macro-cell, under specific performance criteria and constraints, that guarantee the overall cell or the individual user QoS requirements.

研究の動機と目的

• 5G以降の無線ネットワークにおける、より高いデータレートとネットワーク容量への需要の増加に対処すること。
• 従来のWiFiオフロードの限界を克服すること。従来の方法は有線バックハルを必要とし、密集した展開では効率的にスケーリングできない。
• WLAN APがユーザーとセルラーバックハルを共有する、新たな無線オフロードメカニズムを考案し、スケーラブルでコスト効率の高い容量拡張を実現すること。
• マルチセルハイブリッドネットワークにおけるセル間干渉を最小限に抑えつつ、個々のユーザーおよび全体のセルのQoS（サービス品質）を維持すること。
• 実際の fading 条件下で、ビット誤り確率、エゴドック容量、平均SINRといった主要パフォーマンス指標の閉形式式を導出すること。

提案手法

• WLAN APが有線バックハルではなく、無線によるセルラーバックハルを使用するハイブリッドセルラ/WLANアーキテクチャを提案し、動的ユーザーオフロードを可能にする。
• ユーザーが、定義された選択基準に従って、マクロセルeNodeBまたはWLAN APのいずれかをそのサービスノードとして選択するユーザー接続メカニズムを導入する。
• 複数の干渉源を伴う単一ユーザー状況において、ビット誤り確率、エゴドック容量、および平均SINRの閉形式式を導出する。
• 現実的な無線伝搬環境をモデル化するため、同一および非同一 fading 条件を検討する。
• マルチセルハイブリッドWLAN-セルラーフレームワークに特化したセル間干渉最小化手法を開発する。
• 厳密なQoS制約下で、単一マクロセル内に周波数再利用1を実現する、新規なスキームを提示する。これにより、セルレベルおよびユーザーレベルの性能要件を両方満たす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WLAN APを有線インfraストラクチャに依存せずに、セルラーバックハルの一部として活用し、ユーザーオフロードを可能にする方法は何か？
• RQ2 ビット誤り確率、エゴドック容量、SINRという観点から、無線オフロードを備えたハイブリッドセルラ/WLANネットワークの理論的性能限界は何か？
• RQ3 非同一 fading 条件は、複数干渉源を伴う状況下でのシステム性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 QoSを保持しつつ、単一マクロセル内で周波数再利用1を実現するための干渉管理技術は何か？
• RQ5 個々のユーザーおよび全体のセルのQoSを保証するために満たすべき制約条件および性能基準は何か？

主な発見

• 同一および非同一Rayleigh fading 条件下で、複数の干渉源を伴う単一ユーザー状況において、ビット誤り確率、エゴドック容量、平均SINRの閉形式式が導出された。
• 提案された無線オフロードスキームにより、単一マクロセル内で周波数再利用1が実現され、スルーレット効率が顕著に向上した。
• セル間干渉最小化手法は、提示された制約下で、個々のユーザーおよび全体のセルのQoSを効果的に維持した。
• パフォーマンス指標の分析から、最適化されたユーザー接続と干渉制御のおかげで、エゴドック容量が向上し、誤り率が低減した。
• 理論的分析により、実際の fading および干渉条件のもとで、無線オフロードを備えたハイブリッドアーキテクチャが実現可能かつスケーラブルであることが確認された。
• WLAN APが既存のセルラーバックハルリソースを活用することで、高いユーザーデータレートとネットワーク容量の向上が実現された。