[論文レビュー] Maximizing Mobile Coverage via Optimal Deployment of Base Station and Relays

Xu Li, Dongning Guo+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Mobile Ad Hoc Networks参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、時分割多重（TDMA）および周波数分割多重（FDMA）スケジューリングの下で、無線ネットワークのカバレッジを最大化するためのリレーやモバイルベースステーションの最適配置戦略を提案する。データレート制約の下でエンドツーエンドの到達距離を最大化するリレーポジショニングの解析的解を導出し、一定数を超えるリレーを追加しても、QoS制限のためカバレッジ向上が鈍化することを示している。周波数分割方式を用いる最適構成では、7つのリレーを用いて最大1,289メートルのカバレッジを達成できる。

ABSTRACT

Deploying relays and/or mobile base stations is a major means of extending the coverage of a wireless network. This paper presents models, analytical results, and algorithms to answer two related questions: The first is where to deploy relays in order to extend the reach from a base station to the maximum; the second is where to deploy a mobile base station and how many relays are needed to reach any point in a given area. Simple time-division and frequency-division scheduling schemes as well as an end-to-end data rate requirement are assumed. An important use case of the results is in the Public Safety Broadband Network, in which deploying relays and mobile base stations is often crucial to provide coverage to an incident scene.

研究の動機と目的

• 固定されたエンドツーエンドのデータレート要件の下で、基地局と遠方の目的地の間の複数のリレーの最適配置を特定し、通信範囲を最大化すること。
• 与えられた多角形領域における最小信号対雑音比（SNR）を最大化するように、モバイルベースステーションの最適配置位置を同定すること。
• リレーサポートによるカバレッジ拡張における、時分割多重（TDMA）と周波数分割多重（FDMA）のリソース共有方式のトレードオフを評価すること。
• モバイルベースステーション単体では領域全体をカバーできない場合に、任意の地点に到達可能な最小のリレー数を特定すること。
• エンドツーエンドのQoS制約のため、ある臨界閾値を超えてリレーを追加しても効果が薄れる現象を分析すること。

提案手法

• 基地局と目的地の間の線分上にK-1個のリレーを配置した、Kホップの双方向多ホップデコードアンドフォワード（DF）デバイスツーデバイス（D2D）ネットワークモデルを定式化する。
• 送信パワーとスケジューリング制約の下でエンドツーエンドデータレートを最大化する制約付き最適化フレームワークを用いて、最適リレー位置の閉形式表現を導出する。
• 上行リンク／下行リンク伝送をモデル化し、最大到達距離に与える影響を分析するために、時分割（TDMA）および周波数分割（FDMA）リソース共有方式を適用する。
• 最適なモバイルベースステーション位置を特定するため、信号対雑音比（SNR）最大化基準を用い、多角形領域におけるミニマックス問題を解く。
• 空間的制約（例：多角形外部または境界上に配置されなければならない）がある・ない場合の両方に対して、最適ベースステーション位置を計算するための効率的アルゴリズムを提案する。
• 数値シミュレーションを用いて解析的結果の妥当性を検証し、異なるリレー数、電力レベル、スケジューリング方式における性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定されたエンドツーエンドのデータレート要件の下で、基地局と遠方の目的地の間の複数リレーの最適配置は何か。これにより通信範囲はどのように最大化されるか。
• RQ2 時分割多重（TDMA）と周波数分割多重（FDMA）のリソース共有方式の選択が、マルチホップリレーネットワークにおける最大到達距離に与える影響は何か。
• RQ3 与えられた多角形領域において、最小SNRを最大化するように配置されるモバイルベースステーションの最適位置は何か。
• RQ4 追加のリレーを追加してもカバレッジが向上しなくなる点はいつで、その背後にある理由はQoS制約によるものか。
• RQ5 基地局単体では領域全体をカバーできない場合、モバイルベースステーションとリレーをどのように共同配置することで、ターゲット領域の任意の地点に到達可能にすることができるか。

主な発見

• 1つのリレーと20 dBmの送信パワーを用いる場合、時分割方式では最大341メートル、周波数分割方式では最大493メートルの到達距離を達成する。
• リレー数が増加すると、最大到達距離は一定の点まで向上する。時分割方式では6つのリレーで622メートル、周波数分割方式では7つのリレーで1,289メートルの到達距離を達成する。
• 時分割方式では6つを超えるリレー、周波数分割方式では7つを超えるリレーを追加しても、エンドツーエンドのデータレート制約のため最大到達距離が低下する。
• 1つのリレーと20 dBmのパワーを用いる場合、時分割方式では基地局から192メートル、周波数分割方式では277メートルの位置が最適リレー位置である。
• 自由に配置可能なモバイルベースステーションの場合、最適位置は(368, 304)メートルであり、20 dBmで時間分割方式では最小SNR制限によるカバレッジ半径204メートル、周波数分割方式では245メートルを達成する。
• 多角形外部または境界上に配置されなければならない場合、最適位置は(325, 323)メートルであり、類似したカバレッジ性能とリレー拡張能力を示す。