[論文レビュー] Tractable Model for Rate in Self-Backhauled Millimeter Wave Cellular Networks

Sarabjot Singh, Mandar N. Kulkarni+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2014

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、自己バックホールを備えたミリ波（mmWave）セルラー網を対象として、解析的かつ実用的な確率幾何モデルを提案する。基地局（BS）は方向性の強いmmWaveリンクを用いてメッシュネットワークを形成し、バックホールを構築する。本モデルはビームフォーミングによる干渉隔離と、アクセスとバックホール間のリソース共有を捉え、スペクトル効率とセルエッジレートが基地局密度に比例して向上することを示す。これは干渉制限の4Gネットワークとは対照的であり、帯域幅はセルエッジレートにほとんど影響しない。

ABSTRACT

Millimeter wave (mmW) cellular systems will require high gain directional antennas and dense base station (BS) deployments to overcome high near field path loss and poor diffraction. As a desirable side effect, high gain antennas provide interference isolation, providing an opportunity to incorporate self-backhauling--BSs backhauling among themselves in a mesh architecture without significant loss in throughput--to enable the requisite large BS densities. The use of directional antennas and resource sharing between access and backhaul links leads to coverage and rate trends that differ significantly from conventional microwave ($μ$W) cellular systems. In this paper, we propose a general and tractable mmW cellular model capturing these key trends and characterize the associated rate distribution. The developed model and analysis is validated using actual building locations from dense urban settings and empirically-derived path loss models. The analysis shows that in sharp contrast to the interference limited nature of $μ$W cellular networks, the spectral efficiency of mmW networks (besides total rate) also increases with BS density particularly at the cell edge. Increasing the system bandwidth, although boosting median and peak rates, does not significantly influence the cell edge rate. With self-backhauling, different combinations of the wired backhaul fraction (i.e. the faction of BSs with a wired connection) and BS density are shown to guarantee the same median rate (QoS).

研究の動機と目的

• 自己バックホールを備えたmmWaveセルラー網の一般的かつ解析的可能な確率幾何モデルを構築し、レート分布を分析すること。
• 方向性ビームフォーミングと干渉隔離が、高密度mmWave展開におけるカバレッジとスペクトル効率に与える影響を理解すること。
• 基地局密度、帯域幅、有線バックホール比率がネットワーク性能、特にセルエッジレートに与える影響を定量的に評価すること。
• 実際の都市部の建物配置と高密度環境における実測路損失データを用いて、モデルの妥当性を検証すること。
• 自己バックホールが、両方の合計レートとエッジレートが密度に応じて向上するスケーラブルで高容量なmmWaveネットワークを実現できることを示すこと。

提案手法

• 基地局（BS）のポisson点過程（PPP）としてネットワークをモデル化し、一部の基地局は有線バックホールで接続され、他の基地局は方向性の強いmmWaveリンクを用いて自己バックホール化する。
• 実際の都市部の建物データから導出された路損失モデルを組み込み、小規模 fading としてレイリー fading を導入することで、解析の簡便性を向上させる。
• 確率幾何学的手法とラプラス変換を用いて、上行リンクおよび下行リンクの信号対干渉＋ノイズ比（SINR）のカバレッジ確率を導出する。
• 上行リンク伝送における路損失補償を反映させるために、分数型パワー制御モデルを導入し、SNR分布に影響を与える。
• サービス受信リンクの路損失と干渉の分布を、点過程の空洞確率およびラプラス関数を用いて導出する。
• 部分積分とオイラーの特徴付けを用いて逆ラプラス変換を計算し、カバレッジおよびレートの閉形式表現を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己バックホールを備えたmmWaveネットワークにおいて、基地局密度がセルエッジにおけるレート分布に与える影響は何か？
• RQ2 4Gと比較して、mmWaveネットワークにおけるシステム帯域幅が中央値レートおよびセルエッジレートに与える影響は何か？
• RQ3 自己バックホールは、高密度mmWave展開におけるスペクトル効率と全体的なネットワーク容量にどのように影響するか？
• RQ4 有線バックホール比率と基地局密度の異なる組み合わせが、mmWaveネットワークにおける同じ中央値レート（QoS）を達成できるか？
• RQ5 4Gネットワークにおける干渉制限の動作と、方向性ビームを用いるmmWaveネットワークにおけるノイズ制限の動作には、どの程度の違いがあるか？

主な発見

• 方向性ビームフォーミングのため、mmWaveネットワークは干渉制限ではなくノイズ制限の特性を示し、障害の主な原因は低SNRである。
• セルエッジのスペクトル効率は基地局密度の増加に伴い向上するが、これは4Gネットワークとは対照的であり、エッジレートは干渉によって制限される。
• システム帯域幅の増加は中央値レートおよびピークレートを向上させるが、セルエッジレートにはほとんど影響しない。これはエッジユーザーがパワー制限を受けるためである。
• 自己バックホールは、高密度mmWaveネットワークにおけるスケーラブルなバックホールを実現でき、有線バックホール比率と基地局密度の異なる組み合わせが同じ中央値レートを達成できる。
• 実際の都市部の建物配置と実測路損失モデルを用いた検証により、モデルの解析的予測が現実的なシナリオで妥当であることが確認された。
• 導出されたカバレッジおよびレート式は解析的に扱いやすく、バックホールタイプ、密度、QoSの間の定量的設計トレードオフを可能にする。