[論文レビュー] Modeling and Analysis of MmWave Communications in Cache-enabled HetNets

Wenqiang Yi, Yuanwei Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、sub-6 GHzマクロセルとmmWaveピコセルを統合したキャッシュ対応ハイブリッドヘテロジニアスネットワーク（HetNet）を提案する。Poissong点過程を用いてモデル化され、確率的幾何学的手法を用いて解析されている。最大受信電力（Max-RP）協調戦略の下で、成功確率およびエリアスペクトル効率（ASE）の新規表現を導出しており、システムが干渉制限的であることが示され、特定のレート閾値で最適ASEを達成し、73 GHzで最も優れた性能を示す。これは高いアンテナ利得によるものである。

ABSTRACT

In this paper, we consider a novel cache-enabled heterogeneous network (HetNet), where macro base stations (BSs) with traditional sub-6 GHz are overlaid by dense millimeter wave (mmWave) pico BSs. These two-tier BSs, which are modeled as two independent homogeneous Poisson Point Processes, cache multimedia contents following the popularity rank. High-capacity backhauls are utilized between macro BSs and the core server. A maximum received power strategy is introduced for deducing novel algorithms of the success probability and area spectral efficiency (ASE). Moreover, Monte Carlo simulations are presented to verify the analytical conclusions and numerical results demonstrate that: 1) the proposed HetNet is an interference-limited system and it outperforms the traditional HetNets; 2) there exists an optimal pre-decided rate threshold that contributes to the maximum ASE; and 3) 73 GHz is the best mmWave carrier frequency regarding ASE due to the large antenna scale.

研究の動機と目的

• sub-6 GHzマクロセルとmmWaveピコセルを統合したキャッシュ付きのハイブリッドヘテロジニアスネットワークをモデル化・解析すること。
• バックホール容量およびキャッシュ配置がネットワーク性能に与える影響を評価すること。
• 密度の高いmmWave環境における成功確率およびエリアスペクトル効率（ASE）の解析的表現を導出すること。
• ASEを最大化する最適な搬送周波数およびレート閾値を同定すること。
• 高密度のピコBS配置に起因し、干渉制限的であることが示される。

提案手法

• マクロBSおよびピコBSをそれぞれ密度λ₁およびλ₂の独立したホモジニアスPoisson点過程（PPP）としてモデル化する。
• ユーザーを最も強い送信基地局に接続する最大受信電力（Max-RP）協調戦略を適用する。
• 確率的幾何学的手法を用いて、sub-6 GHzおよびmmWave層の干渉のラプラス変換を導出する。この際、実際のアンテナパターンを組み込む。
• mmWaveリンクにNakagami fadingを適用し、アンテナ利得G₂(ω)を用いて指向性ビームフォーミングを考慮する。
• ガウス＝チェビシェフの求積法および超幾何関数を用いて、成功確率およびASEの閉形式表現を導出する。
• さまざまな搬送周波数およびシステムパラメータの下で、モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWaveピコセルとキャッシュの統合が、従来のsub-6 GHzヘテロジニアスネットワークと比較して、システム性能に与える影響は何か？
• RQ2 キャッシュ対応mmWaveヘテロジニアスネットワークにおけるバックホール容量が、成功確率およびASEに与える影響は何か？
• RQ3 提案されたシステムにおけるエリアスペクトル効率（ASE）が最大になるレート閾値は何か？
• RQ4 28、38、60、73 GHzのうち、どのmmWave搬送周波数がMax-RP協調戦略下で最高のASEを達成するか？
• RQ5 提案されたmmWaveヘテロジニアスネットワークは、高密度展開環境下で干渉制限的か、ノイズ制限的か？

主な発見

• 高密度のピコBSと指向性ビームフォーミングに起因し、提案されたキャッシュ対応mmWaveヘテロジニアスネットワークは干渉制限的システムである。
• エリアスペクトル効率（ASE）は、ピコBS密度λ₂に応じて変化する特定の事前決定されたレート閾値で最大値を示す。
• 73 GHzは、アンテナ素子数N₂ = 80に起因する大きなアンテナスケールにより強いビームフォーミング利得を実現し、候補となるmmWaveバンドの中で最高のASEを達成する。
• 成功確率はピコBSキャッシュ容量M₂に単調に増加するが、バックホール容量がレート閾値R_thを超える場合、マクロBSキャッシュ容量M₁とは無関係である。
• モンテカルロシミュレーションの結果は、解析結果とよく一致しており、特にα₂ = 2.25の60 GHz帯でASEおよび成功確率の導出式が妥当であることが検証された。
• バックホール容量C_bh ≤ R_thの場合、マクロBSキャッシュ容量M₁の増加により成功確率が向上し、ローカルキャッシュによる性能向上が示された。