[論文レビュー] Tractable Framework for the Analysis of General Multi-Tier Heterogeneous Cellular Networks

Serkan Ak, Hazer İnaltekin+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、標準化された集合無線干渉（AWI）と標準正規分布との間のコルモゴロフ＝スミルノフ（KS）距離に対する解析的上限を導出することにより、一般のパスロスおよび fading モデル下で、K層の不均一なセルラーネットワーク（HCNs）を扱う計算可能なフレームワークを提案する。この手法により、中程度の密度のネットワークですら非常に高い近似精度を示す。出力容量、エルゴディック容量、スペクトル効率といった主要な性能指標の正確な評価が可能となる。

ABSTRACT

This paper investigates the downlink performance of K-tier heteregeneous cellular networks (HCNs) under general settings. First, Gaussian approximation bounds for the standardized aggregate wireless interference (AWI) in dense K-tier HCNs are obtained for when base stations (BSs) in each tier are distributed over the plane according to a spatial and general Poisson point process. The Kolmogorov-Smirnov (KS) distance is used to measure deviations of the distribution of the standardized AWI from the standard normal distribution. An explicit and analytical expression bounding the KS distance between these two distributions is obtained as a function of a broad range of network parameters such as per-tier transmission power levels, per-tier BS intensity, BS locations, general fading statistics, and general bounded path-loss models. Bounds achieve a good statistical match between the standardized AWI distribution and its normal approximation even for moderately dense HCNs. Second, various spatial performance metrics of interest such as outage capacity, ergodic capacity and area spectral efficiency in the downlink of K-tier HCNs for general signal propogation models are investigated by making use of the derived distribution approximation results. Considering two specific BS association policies, it is shown that the derived performance bounds track the actual performance metrics reasonably well for a wide range of BS intensities, with the gap among them becoming negligibly small for denser HCN deployments.

研究の動機と目的

• 一般の K 層不均一セルラーネットワーク（HCNs）における下行リンク性能を評価する計算可能な解析的フレームワークを開発すること。
• 一般のネットワークパラメータ下で、標準化された集合無線干渉（AWI）分布が標準正規分布からどれほど離れているかをコルモゴロフ＝スミルノフ（KS）距離を用いて定量化すること。
• 送信電力、BS 密度、パスロスモデル、フェージング統計量といった主要なネットワークパラメータの関数として、KS 距離の明示的かつ解析的な上限を導出すること。
• 一般の信号伝搬条件下で、出力容量、エルゴディック容量、エリアスペクトル効率といった主要な下行リンク指標の正確な性能評価を可能とすること。
• 特に高密度 HCN デプロイメントにおいて、近似の正確性を広範なベーシスステーション密度範囲で検証すること。

提案手法

• 各層のベーシスステーション（BSs）を一般の強度および位置分布を有する空間ポアソン点過程としてモデル化する。
• 一般のパスロスモデルおよび有界フェージング統計量を組み込んだ、標準化された AWI と標準正規分布との間の KS 距離の解析的表現を導出する。
• 一般のネットワーク条件下で中心極限定理を応用し、集合干渉をガウス近似する。
• 導出された KS 距離の上限を用いて、高密度 K 層 HCN における AWI の正規近似の統計的整合性を評価する。
• 干渉分布の近似を活用して、出力容量、エルゴディック容量、エリアスペクトル効率といった主要な性能指標を評価する。
• 異なるネットワーク密度においてもフレームワークの堅牢性と正確性を示すために、2 種類の BS 関連ポリシーを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度の K 層 HCN において、標準正規分布は標準化された集合無線干渉（AWI）の分布をどの程度よく近似するか？
• RQ2 一般のネットワークパラメータ下で、AWI 分布と標準正規分布との間のコルモゴロフ＝スミルノフ（KS）距離の解析的上限は何か？
• RQ3 導出された干渉近似は、出力容量やエルゴディック容量といった実際の下行リンク性能指標をどの程度正確に予測するか？
• RQ4 ベーシスステーション密度が増加するに従って、解析的上限と実際の指標との間の性能ギャップはどのように変化するか？
• RQ5 提案された上限は、異なる BS 関連ポリシーおよび一般のパスロスおよびフェージングモデルにおいて、どの程度正確に保たれるか？

主な発見

• 標準化された AWI と標準正規分布との間の KS 距離に対する導出された解析的上限は、中程度の密度の K 層 HCN に対してもきわめてタイトである。
• AWI のガウス近似は、各層の送信電力、BS 強度、一般のパスロスモデルを含む広範なネットワークパラメータにおいて、真の分布と強い統計的一致を示す。
• 出力容量、エルゴディック容量、エリアスペクトル効率といった性能指標は、フレームワークによって正確に予測可能であり、高密度環境下では上限と実測値との差が最小限に抑えられる。
• ベーシスステーション密度が増加するに従い、近似の正確性が著しく向上し、解析的上限と実際の性能とのギャップは無視できるほど小さくなる。
• 2 種類の異なる BS 関連ポリシー下でも、フレームワークは高い正確性を維持しており、さまざまなデプロイメント環境において堅牢であることが示された。
• KS 距離の明示的かつ解析的表現により、広範なシミュレーションを要せず、システム的かつ体系的な性能評価が可能となり、ネットワーク設計および最適化における取り扱いやすさが向上する。