[論文レビュー] The Performance of Successive Interference Cancellation in Random Wireless Networks

Xinchen Zhang, Martin Haenggi|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2014

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、任意の fading とパスロスのべき乗則を用いたポアソン点過程としての送信機をモデル化することで、確率的幾何学を用いてランダム無線ネットワークにおける逐次干渉キャンセレーション（SIC）を統一的に分析するフレームワークを提示する。SICの利点は、キャンセルされるインタファーレンス数が増えるにつれて急速に減少し、特に高次元またはパスロス指数が小さいネットワークでは、1〜2個のインタファーレンスをキャンセルする段階でほとんどすべての利点が得られることを示している。また、異種セルラーネットワーク（HCN）におけるSICの利得を定量的に評価している。

ABSTRACT

This paper provides a unified framework to study the performance of successive interference cancellation (SIC) in wireless networks with arbitrary fading distribution and power-law path loss. An analytical characterization of the performance of SIC is given as a function of different system parameters. The results suggest that the marginal benefit of enabling the receiver to successively decode k users diminishes very fast with k, especially in networks of high dimensions and small path loss exponent. On the other hand, SIC is highly beneficial when the users are clustered around the receiver and/or very low-rate codes are used. Also, with multiple packet reception, a lower per-user information rate always results in higher aggregate throughput in interference-limited networks. In contrast, there exists a positive optimal per-user rate that maximizes the aggregate throughput in noisy networks. The analytical results serve as useful tools to understand the potential gain of SIC in heterogeneous cellular networks (HCNs). Using these tools, this paper quantifies the gain of SIC on the coverage probability in HCNs with non-accessible base stations. An interesting observation is that, for contemporary narrow-band systems (e.g., LTE and WiFi), most of the gain of SIC is achieved by canceling a single interferer.

研究の動機と目的

• 任意のフェージングおよびパスロスを有するd次元無線ネットワークにおけるSIC性能を評価する一般化された解析的フレームワークの構築を目的とする。
• SIC利得がパスロス指数、フェージング分布、符号化レート、ユーザー分布といったシステムパラメータにどのように依存するかを定量化することを目的とする。
• 非アクセス可能な基地局を伴う異種セルラーネットワーク（HCN）において、SICが覆蓋確率に与える影響を評価することを目的とする。
• 干渉制限ネットワークとノイズ制限ネットワークの両方の状況においてSIC性能を比較し、特に最適な1ユーザーあたりの送信レートに関する考察を目的とする。
• 近似手法（ガードゾーンモデルなど）を用いずに、LTE や WiFi などの実用的システムにおけるSIC利得を正確に理解するための解析的ツールを提供することを目的とする。

提案手法

• アクティブな送信機を、べき乗則パスロスと任意のフェージング分布を有するポアソン点過程（PPP）としてモデル化する。
• 受信電力の順序統計を用いて、k番目に強い干渉波がSICによって復調可能である確率を正確に計算する解析的手法を導入する。
• SINRのしきい値に基づき、SIC下でのk番目の干渉波の復調成功を表すインジケータ関数χₖ(φ)およびϑₖ(φ)を定義する。
• 確率的幾何学とラプラス変換を用いて、HCNにおけるSIC下の覆蓋確率の閉形式表現を導出する。
• 干渉電力のスケーリングを用いる変換技術を適用し、SICあり・なしのシステムを比較可能にする。これにより、復調確率の比較が可能になる。
• 異なる復調インジケータの間の境界および同値関係を導出し、SIC性能が受信電力の順序に強く依存することを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダム無線ネットワークにおいて、逐次干渉キャンセレーション（SIC）の性能向上は、キャンセルされる干渉波数の増加に伴いどのようにスケーリングされるか？
• RQ2 パスロス指数およびネットワーク次元が、SICの限界的利得に与える影響は何か？
• RQ3 フェージング分布および符号化レートは、干渉制限ネットワークとノイズ制限ネットワークの両方において、SICの有効性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 非アクセス可能な基地局を有する異種セルラーネットワーク（HCN）において、SICによる覆蓋確率の向上はどの程度か？
• RQ5 SIC対応ネットワークにおいて、集約スループットを最大化する最適な1ユーザーあたりの送信レートは存在するか？また、干渉制限ネットワークとノイズ制限ネットワークの間でその違いは何か？

主な発見

• SICによる追加の干渉波キャンセレーションの限界的利得は、kが増加するにつれて非常に急速に減少する。特に高次元ネットワークおよび小さなパスロス指数の環境では顕著である。
• 現在の狭帯域システム（LTE や WiFi など）では、1つの干渉波をキャンセルする段階でほとんどすべてのSIC利得が得られ、さらに多くの干渉波をキャンセルしても追加的利益は最小限にとどまる。
• ユーザーが受信機に近接して集まっている場合、または低レートの符号が使用されている場合、SICは特に有効である。これは、電力順序付けが強化され、復調成功確率が向上するためである。
• 干渉制限ネットワークでは、1ユーザーあたりのレートを低くすることで集約スループットが向上する。これはSICの機会が増加するためである。一方、ノイズ制限ネットワークでは、最適な正の1ユーザーあたりレートが集約スループットの最大化に寄与する。
• 非アクセス可能な基地局を有するHCNにおけるSIC利得を解析的フレームワークで定量的に評価した。その結果、SICは特に最も強いアクセス可能な基地局を干渉キャンセレーションで復調できる場合、覆蓋確率を顕著に向上させることを示している。
• 本稿では、SICに広く用いられるガードゾーン近似が、複数の干渉波キャンセレーションをモデル化するには不十分であることを示している。これは、電力順序付けや復調依存性を正しく反映していないためである。