[論文レビュー] On Modeling Heterogeneous Wireless Networks Using Non-Poisson Point Processes

Young Jin Chun, Mazen O. Hasna+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、非ポアソン点過程モデルを提案し、異種無線ネットワーク（HetNets）における空間的・時間的干渉相関をよりよく捉えることを目的とする。従来の均一ポアソン点過程（PPP）仮定を越えて、マスエイブルMIMO、ランダムアクセスプロトコル、協調リレーや、干渉相関が性能に顕著に悪影響を及ぼすことを示している。特に、停電確率が著しく低下する。PPPベースのモデルでは相関が無視されるため、ネットワークの信頼性が過大評価されていることが明らかになった。

ABSTRACT

Future wireless networks are required to support 1000 times higher data rate, than the current LTE standard. In order to meet the ever increasing demand, it is inevitable that, future wireless networks will have to develop seamless interconnection between multiple technologies. A manifestation of this idea is the collaboration among different types of network tiers such as macro and small cells, leading to the so-called heterogeneous networks (HetNets). Researchers have used stochastic geometry to analyze such networks and understand their real potential. Unsurprisingly, it has been revealed that interference has a detrimental effect on performance, especially if not modeled properly. Interference can be correlated in space and/or time, which has been overlooked in the past. For instance, it is normally assumed that the nodes are located completely independent of each other and follow a homogeneous Poisson point process (PPP), which is not necessarily true in real networks since the node locations are spatially dependent. In addition, the interference correlation created by correlated stochastic processes has mostly been ignored. To this end, we take a different approach in modeling the interference where we use non-PPP, as well as we study the impact of spatial and temporal correlation on the performance of HetNets. To illustrate the impact of correlation on performance, we consider three case studies from real-life scenarios. Specifically, we use massive multiple-input multiple-output (MIMO) to understand the impact of spatial correlation; we use the random medium access protocol to examine the temporal correlation; and we use cooperative relay networks to illustrate the spatial-temporal correlation. We present several numerical examples through which we demonstrate the impact of various correlation types on the performance of HetNets.

研究の動機と目的

• 実際のHetNetsにおいてノード位置と干渉が空間的・時間的に相関していることから、均一ポアソン点過程（PPP）のモデル化における限界を是正すること。
• 空間的・時間的・空間時間的干渉相関が、停電確率やカバレッジといった主要な性能指標に与える影響を調査すること。
• 最小ノード間隔などの実際の展開制約を反映する非PPP点過程を用いて、より現実的なHetNetモデルを提案すること。
• 非PPP干渉モデルと相関効果に関する確率幾何学分野における未解決問題を特定・分析すること。
• 事例研究を通じて、干渉相関を無視すると、既存のPPPベースのモデルが性能予測を楽観的すぎる傾向にあることを示すこと。

提案手法

• 空間的反発を示す非ポアソン点過程（特にジニブレ点過程およびその他の反発的プロセス）を用い、不切実なノードクラスタリングを回避する基地局展開をモデル化する。
• 確率幾何学的手法を用いて、非PPPモデル下での干渉統計を導出する。これにはラプラス変換と確率生成関数型（PGFL）が含まれる。
• 3つの事例研究を導入：マスエイブルMIMO（空間相関）、ALOHAベースのランダムアクセス（時間相関）、協調リレーアーキテクチャ（空間時間相関）。
• 同一のネットワーク条件下でPPPモデルと非PPPモデルの性能指標（停電確率、局所的遅延）を比較し、相関の影響を明確に分離する。
• 数値シミュレーションを用いて、リレータの位置、パスロス指数、ALOHAアクセス確率がエンドツーエンド停電に与える影響を評価する。
• スリブニャクの定理とPGFL（確率生成関数型）を用いて、PPPおよび非PPP仮定下での干渉を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ポアソンプロセスを用いてモデル化された基地局展開の空間的相関は、HetNetsにおける停電確率にどのように影響するか？
• RQ2 ランダムメディアアクセスプロトコルにおける時間的相関は、局所的遅延をどれほど増加させ、ダイバーシティゲインをどれほど低下させるか？
• RQ3 協調リレーネットワークにおける空間時間的相関は、独立干渉モデルと比較してエンドツーエンド停電性能をどの程度悪化させるか？
• RQ4 非PPPモデルは、PPPベースのモデルが捉えられない性能劣化をどのように明らかにするか？
• RQ5 相関干渉を伴う非PPPモデルへの確率幾何学の拡張において、主な未解決問題は何か？

主な発見

• ジニブレ過程などの非ポアソン点過程は、干渉ノード間の保証された最小距離を満たすため、PPPよりも低い停電確率を達成する。
• 干渉相関は停電確率を上昇させる。特に、リレータが受信機に近い場合、選択結合ゲインが減少する。
• ALOHAベースのプロトコルにおける時間的相関は、平均局所的遅延を増加させる。これはアクセス確率が高い場合に顕著に現れる。
• マスエイブルMIMOシステムにおける空間的相関は、ビームフォーミングが一部の干渉を緩和しても、有効ダイバーシティゲインを低下させる。
• 相関干渉下ではPPPモデルと非PPPモデルの性能差が拡大するため、PPPモデルはネットワーク信頼性を過大評価している。
• 本稿では、非PPPモデルにおける高次モーメント測度と干渉相関統計が解析的に扱いにくく、主な未解決課題であると特定した。