[論文レビュー] SDN-enabled MIMO Heterogeneous Cooperative Networks with Flexible Cell Association

Anastasios Papazafeiropoulos, Pandelis Kourtessis+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2019

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 47被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、柔軟なセル関連付けとスモールベースステーション（SBS）協調制御を備えたSDN対応MIMO不均一ネットワークを提案し、カバレッジとスペクトル効率を向上させる。集中型SDNコントローラーを活用した動的調整と関連付けにより、特に最適なSBS協調およびビームフォーミング戦略を採用した場合、カバレッジ確率とユーザーオフロードが向上し、SBS密度が臨界値を超えると性能向上の余地が小さくなる。

ABSTRACT

Small-cell densification is a strategy enabling the offloading of users from macro base stations (MBSs), in order to alleviate their load and increase the coverage, especially, for cell-edge users. In parallel, as the network increases in density, the BS cooperation emerges as an efficient design method towards the demands for drastic improvement of the system performance against the detrimental overall interference. In addition, the tiers are enhanced with cell association policies by introducing the concept of the association probability. Above this and motivated by the advantages of cooperation among BSs, the small base stations (SBSs) are enriched with this property in their design. SBS cooperation allows shedding light into its impact on the cell selection rules in multi-antenna HetNets. Under these settings, software-defined networking (SDN) is introduced smoothly to play the leading role in the orchestration of the network. {In particular, heavy operations such as the coordination and the cell association are undertaken by virtue of an SDN controller performing and managing efficiently the corresponding computations due to its centralized adaptability and dynamicity towards the enhancement and potential scalability of the network}. In this context, we derive the coverage probability and the mean achievable rate. Not only we show the outperformance of BS cooperation over uncoordinated BSs, but we also demonstrate that the SBS cooperation enables the admittance of more users from the macro-cell BSs (MBSs). Moreover, we investigate the performance of different transmission techniques, and we identify the optimal bias in each case when SBSs cooperate. Finally, we depict that the SBS densification is beneficial until a specific density value since a further increase does not increase the coverage probability.

研究の動機と目的

• 密な不均一ネットワーク（ヘテロジニアスネットワーク）における負荷の不均衡と干渉を解消するため、柔軟なセル関連付けとSBS協調を可能にする。
• SDNベースの集中型オchestrationにより、調整とユーザ関連付けを統合し、システム性能を向上させる。
• 確率的幾何学的手法と不完全なCSIを想定して、マルチアンテナヘテロジニアスネットワークにおけるカバレッジ確率と達成可能なレートを分析する。
• スペクトル効率の向上を目的として、SBS協調下での最適バイアス値と伝送技術を同定する。
• さらなるドキュメンテーションが性能向上をもたらさないSBS展開密度の最適値を特定する。

提案手法

• ポisson点過程を用いて基地局（BS）の配置をモデル化し、2ティアのヘテロジニアスネットワーク（マクロセルとスモールセル）をマルチアンテナ伝送と併用してモデル化する。
• ユーザーオフロードを制御する柔軟な指標として関連付け確率を導入し、バイアスに基づくセル選択を可能にする。
• 集中型コントローラーを備えたソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）を採用し、調整と関連付けを動的に管理することでスケーラビリティと適応性を向上させる。
• 確率的幾何学的手法を適用し、さまざまな伝送方式におけるカバレッジ確率と平均達成レートの閉形式表現を導出する。
• ラプラス変換と確率的生成関数型（PGFL）を用いて、Rayleigh fadingとパスロスを想定した干渉をモデル化し、性能指標を導出する。
• ビームフォーミング技術（SU-BF、SDMA）の違いを評価し、CSIの品質とアンテナ数の影響を定量的に分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SBS協調はマルチアンテナヘテロジニアスネットワークにおけるカバレッジ確率とユーザーオフロードにどのように影響するか？
• RQ2 SBSが協調する状況で、カバレッジを最大化する最適な関連付けバイアスは何か？
• RQ3 BSにおける送信アンテナ数の増加は、協調型ヘテロジニアスネットワークにおけるシステム性能にどのように影響するか？
• RQ4 SBS密度がどの程度になると、さらなるドキュメンテーションがカバレッジ確率の向上をもたらさなくなるか？
• RQ5 SBS協調および不完全なCSI下で、異なる伝送技術（例：SU-BF 対 SDMA）はどのように比較されるか？

主な発見

• SBS協調は、非協調型SBSと比較して、カバレッジ確率の向上とMBSからのユーザーオフロードの促進に顕著な効果を示す。
• 最適な関連付けバイアスは伝送方式とSBS協調の有無に依存し、SU-BFおよび最適ビームフォーミング下でより高い性能向上が得られる。
• BSにおける送信アンテナ数の増加は、特にSBS協調下でカバレッジ確率と達成可能なレートの両方を向上させる。
• SBSのドキュメンテーションは、ある臨界密度に達するまで性能向上をもたらすが、それ以上はカバレッジ確率に変化がない。
• 完全なCSI下ではSU-BFがSDMAを上回るカバレッジ性能を示すが、パイロット汚染などの不完全なCSI下では性能差が縮まる。
• カバレッジ確率と達成可能なレートの導出された閉形式表現は、確率的幾何学的手法と数値結果により検証されており、シミュレーションと強い一致を示している。