[論文レビュー] Successive Interference Cancellation in Heterogeneous Cellular Networks

Matthias Wildemeersch, Tony Q. S. Quek+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 37被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、ランダムなアクセスポイントおよびユーザーの配置、パスロス、フェージングを考慮した、マルチティアのヘテロジニアスセルラーネットワークにおける逐次干渉キャンセレーション（SIC）を分析する統計的フレームワークを提案する。n回のキャンセレーション後の目的信号の復調成功確率について閉形式の式を導出しており、SICの利得はnが増加するにつれて急速に減少し、特に最大平均電力関連ポリシー下では、通常のSIR条件においては限定的であることが示されている。

ABSTRACT

At present, operators address the explosive growth of mobile data demand by densification of the cellular network so as to reduce the transmitter-receiver distance and to achieve higher spectral efficiency. Due to such network densification and the intense proliferation of wireless devices, modern wireless networks are interference-limited, which motivates the use of interference mitigation and coordination techniques. In this work, we develop a statistical framework to evaluate the performance of multi-tier heterogeneous networks with successive interference cancellation (SIC) capabilities, accounting for the computational complexity of the cancellation scheme and relevant network related parameters such as random location of the access points (APs) and mobile users, and the characteristics of the wireless propagation channel. We explicitly model the consecutive events of canceling interferers and we derive the success probability to cancel the n-th strongest signal and to decode the signal of interest after n cancellations. When users are connected to the AP which provides the maximum average received signal power, the analysis indicates that the performance gains of SIC diminish quickly with n and the benefits are modest for realistic values of the signal-to-interference ratio (SIR). We extend the statistical model to include several association policies where distinct gains of SIC are expected: (i) minimum load association, (ii) maxi- mum instantaneous SIR association, and (iii) range expansion. Numerical results show the effectiveness of SIC for the considered association policies. This work deepens the understanding of SIC by defining the achievable gains for different association policies in multi-tier heterogeneous networks.

研究の動機と目的

• 現実的なネットワークパラメータを考慮した、マルチティアのヘテロジニアスネットワークにおけるSIC性能を評価する統計的フレームワークの構築。
• 信号電力の順序に基づく干渉波の逐次キャンセレーションをモデル化し、n回のキャンセレーション後の信号の復調成功確率を導出すること。
• 最小負荷、最大瞬時SIR、および範囲拡張の各ユーザー関連ポリシーにおけるSIC利得の評価。
• ネットワークの高密度化、フェージング、パスロスが干渉制限環境下でのSIC性能に与える影響の定量的評価。
• 計算複雑性とネットワーク展開の空間的ランダム性を反映した、復調成功確率の閉形式式の提供。

提案手法

• マルチティアネットワークにおけるアクセスポイントおよびユーザーのランダムな空間的分布をステコスティックジオメトリを用いてモデル化する。
• 干渉を受信電力の順序統計量のトリムド和としてモデル化し、SICプロセスを反映する。
• 一般化されたガンマ関数および順序統計量を用いて、n回のキャンセレーション後の干渉のラプラス変換を導出する。
• キャンセル済み干渉波の影響をモデル化するために、排他領域技術を適用する。
• 各ティアに対してSICに基づいた修正された干渉キャンセレーション半径を導入し、強い干渉波のための排他領域を拡大する。
• n番目に強い干渉波までの距離に条件づけられた、n回のキャンセレーション後の目的信号の復調成功確率の閉形式式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘテロジニアスネットワークにおけるn回の逐次干渉キャンセレーション後の目的信号の復調成功確率は何か？
• RQ2 パスロス指数、送信電力、ユーザー関連ポリシーなどのネットワークパラメータは、SIC性能にどのように影響するか？
• RQ3 最小負荷、最大瞬時SIR、範囲拡張を含む、異なる関連ポリシーにおけるSICの性能向上は何か？
• RQ4 キャンセレーション段階数nが増加するに従い、成功確率はどのように低下し、利得が無視できる程度にまで小さくなるか？
• RQ5 フェージングおよび空間的ランダム性は、密度の高いネットワークにおけるSICの有効性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• n回のキャンセレーション後の目的信号の復調成功確率が、n番目に強い干渉波までの距離およびネットワークパラメータに明示的に依存する閉形式で導出された。
• 最大平均受信電力関連ポリシー下では、SIC性能の利得がnが増加するに従い急速に減少し、実用的なSIR値では利得は限定的である。
• パスロス指数α=4の場合、n回のキャンセレーション後の無条件成功確率は1/(√(9/4 + 3η_t) - 1/2)^nとして与えられ、nに伴い利得が指数的におちる。
• 範囲拡張および最大瞬時SIR関連ポリシーは、最大平均電力関連ポリシーに比べて、特に密度の高いネットワークにおいてより高いSIC利得を示す。
• 本モデルは、SICのキャンセレーション順序と整合する知的なユーザー関連ポリシーを組み合わせることで、SICが最も効果的に機能することを示している。
• 数値結果は、適切な関連ポリシー下でSICが顕著な性能向上をもたらすが、キャンセレーション段階ごとの限界的利益は急速に減少することを確認している。