[論文レビュー] Poisson Cluster Process Based Analysis of HetNets with Correlated User and Base Station Locations

Mehrnaz Afshang, Harpreet S. Dhillon|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 52被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ユーザーと小規模基 station（SBS）の位置が相関する異種ネットワーク（HetNets）を分析するためのポアソンクラスタプロセスモデルを提案する。SBSはユーザーの混雑エリアに配置される。ポアソン分布に従う混雑エリアの中心の周囲にユーザーとSBSをクラスタリングすることで、2つの関連ポoliciesに従う下での覆蔽確率とスループットを導出する。その結果、クラスタ内の複数のSBSが同じリソースブロックを再利用することで、干渉を適切に管理すれば覆蔽性能を著しく低下させることなくスループットを向上させられることを示した。

ABSTRACT

This paper develops a new approach to the modeling and analysis of HetNets that accurately incorporates coupling across the locations of users and base stations, which exists due to the deployment of small cell base stations (SBSs) at the places of high user density (termed user hotspots in this paper). Modeling the locations of the geographical centers of user hotspots as a homogeneous Poisson Point Process (PPP), we assume that the users and SBSs are clustered around each user hotspot center independently with two different distributions. The macrocell base station (BS) locations are modeled by an independent PPP. This model is consistent with the user and SBS configurations considered by 3GPP. Using this model, we study the performance of a typical user in terms of coverage probability and throughput for two association policies: i) Policy 1, under which a typical user is served by the open-access BS that provides maximum averaged received power, and ii) Policy 2, under which the typical user is served by the small cell tier if the maximum averaged received power from the open-access SBSs is greater than a certain power threshold; and macro tier otherwise. A key intermediate step in our analysis is the derivation of distance distributions from a typical user to the open-access and closed-access interfering SBSs. Our analysis demonstrates that as the number of SBSs reusing the same resource block increases, coverage probability decreases whereas throughput increases. Therefore, contrary to the usual assumption of orthogonal channelization, it is reasonable to assign the same resource block to multiple SBSs in a given cluster as long as the coverage probability remains acceptable. This approach to HetNet modeling and analysis significantly generalizes the state-of-the-art approaches that are based on modeling the locations of BSs and users by independent PPPs.

研究の動機と目的

• 既存のHetNetモデルが独立したユーザーおよび基地局（BS）位置を仮定しているという限界に対処し、現実のユーザー中心の展開パターンを捉えられないことに対処する。
• ユーザーの混雑エリアとSBSの展開の間の結合をポアソンクラスタプロセスを用いてモデル化する、解析可能な確率幾何学フレームワークを構築する。
• ユーザー中心のHetNetsにおける2つの現実的なユーザー関連ポリシーに従う、主な性能指標（覆蔽確率とスループット）を分析する。
• クラスタ内の複数のSBSが同じリソースブロックを再利用する場合の、干渉とスペクトル効率のトレードオフを定量化する。

提案手法

• ユーザーの混雑エリアの地理的中心を均一なポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、ユーザーとSBSを異なる空間分布に従ってそれぞれの中心の周囲に独立してクラスタリングする。
• マクロセルBSを独立したPPPとしてモデル化し、3GPPの展開仮定と整合させる。
• 確率的幾何学的手法を用いて、通常のユーザーから干渉するオープンアクセスおよびクローズドアクセスSBSまでの距離分布を導出する。
• 干渉分布のラプラス変換を用いて、異なる関連ポリシー下でのクラスタ内およびクラスタ間干渉を分析する。
• PPPの確率生成関数（PGFL）を用いて、遠方のクラスタからのクラスタ間干渉のラプラス変換を計算する。
• サービングBSの種別（マクロセルまたはスモールセル）に条件付け、ポリシー1（最大平均受信電力）およびポリシー2（閾値ベースのマクロセルフォールバック）下での覆蔽およびスループットの式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザーとSBSの位置の相関が、HetNetsにおける覆蔽確率とスループットに与える影響は何か？
• RQ2 クラスタ内に複数のSBSが同じリソースブロックを再利用することは、ネットワーク性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 最大平均受信電力に基づくポリシーと電力閾値に基づくポリシーの2つは、覆蔽とスペクトル効率の観点でどのように比較できるか？
• RQ4 クラスタ内の複数のSBSからの干渉を効果的に管理できるか、これにより覆蔽性能を著しく低下させることなくリソース再利用が可能になるか？
• RQ5 独立したPPPモデルと比較して、ユーザー中心のHetNetsをポアソンクラスタプロセスでモデル化する際の解析的扱いやすさはいかがなものか？

主な発見

• 同じリソースブロックを再利用するSBSの数が増えるにつれて、干渉が増加するため覆蔽確率は低下するが、スペクトル再利用の向上によりスループットは上昇する。
• クラスタ内でのリソース再利用は、実行可能で有益であり、覆蔽確率が許容範囲に保たれる限り、従来の直交チャネル化の仮定に反するものである。
• 提案されたポアソンクラスタプロセスモデルは、ユーザー中心の展開におけるユーザーとSBSの位置の結合を正確に捉えており、独立したPPPモデルには欠落している。
• クラスタ内干渉のラプラス変換は、サービングBSに条件付け、通常のユーザーから干渉SBSまでの距離分布を用いて導出される。
• クラスタ間干渉はPPPのPGFLを用いてモデル化され、遠方のクラスタからの干渉の解析的取り扱いが可能になる。
• 分析の結果、ポリシー2（閾値ベースのマクロセルフォールバック）は、特に高密度の混雑エリアにおいて、覆蔽とスペクトル効率のバランスを良好に保つことが示された。