[論文レビュー] Tractable Resource Management in Millimeter-Wave Overlaid Ultra-Dense Cellular Networks

Jihong Park, Seong‐Lyun Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、確率的幾何学と3次元遮蔽モデルを活用して閉形式のスペクトル効率（SE）式を導出することで、ミリ波（mmWave）重畳型超密なネットワーク（UDNs）における取り扱い可能なリソース管理フレームワークを提案する。その結果、ミリ波の高いピーク対平均電力比（PAPR）が上行リンク（UL）レートを著しく制限するため、マイクロ波（μW）帯域は主にULに割り当てるべきであり、最適なリソース割り当ては基地局（BS）密度比の対数関数的依存性を示すことが判明した。

ABSTRACT

What does millimeter-wave (mmW) seek assistance for from micro-wave (μW) in a mmW overlaid 5G cellular network? This paper raises the question of whether to complement downlink (DL) or uplink (UL) transmissions, and concludes that μW should aid UL more. Such dedication to UL results from the low mmW UL rate due to high peak-to-average power ratio (PAPR) at mobile users. The DL/UL allocations are tractably provided based on a novel closed-form mm-μW spectral efficiency (SE) derivation via stochastic geometry. The findings explicitly indicate: (i) both DL/UL mmW (or μW) SEs coincidentally converge on the same value in an ultra-dense cellular network (UDN) and (ii) such a mmW (or μW) UDN SE is a logarithmic function of BS-to-user density ratio. The corresponding mm-μW resource management is evaluated by utilizing a three dimensional (3D) blockage model with real geography in Seoul, Korea.

研究の動機と目的

• 移動端末におけるミリ波（mmWave）の高いピーク対平均電力比（PAPR）に起因する、mmWave重畳型5G超密ネットワーク（UDNs）における本質的な上行リンク（UL）レートボトルネックを解消すること。
• 既存のマイクロ波（μW）帯域が、全体のDLレートを最大化すると同時に最小ULレートを満たすように、DLとULの間で最適に割り当てられる方法を調査すること。
• 確率的幾何学と現実的な3次元遮蔽モデリングを用いて、ネットワーク設計および展開を支援する、取り扱い可能な閉形式リソース管理ソリューションを開発すること。
• BS密度とスペクトル割り当てがスペクトル効率に与える影響を定量化することで、5G mmWave-μWave異種ネットワークの設計ガイドラインを提供すること。

提案手法

• mmWaveおよびμWaveの基地局（BS）を独立した2次元ホモジニアスポアソン点過程（PPPs）として分布させる、2ティアの異種システムとしてネットワークをモデル化する。
• ソウル（韓国）の実地理データに基づく3次元遮蔽モデルを導入し、mmWave信号の視線（LOS）伝搬制約を捉える。
• 確率的幾何学と取り扱いやすい近似を用いて、mmWaveおよびμWaveリンクの下行リンクおよび上行リンクのスペクトル効率（SE）の閉形式式を導出する。
• 上界および下界を適用して、制約下での解析的最適化を可能にする、UL SEの取り扱いやすい式を導出する。
• 最小ULレート制約およびPAPRアウラージェ確率制限を満たす条件下でDLレートを最大化するリソース割り当て問題を定式化する。
• 閉形式で最適化問題を解き、mmWave BS密度およびスペクトル帯域幅に依存する最適なμWave ULリソース割り当てポリシーを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWave重畳型超密ネットワークにおいて、マイクロ波（μW）帯域をDLとULの間でどのように割り当てれば、全体のDLレートを最大化できるか？
• RQ2 mmWaveの高いPAPRが上行リンクスペクトル効率に与える影響は何か？ また、μWaveリソースを用いてこのボトルネックをどのように緩和できるか？
• RQ3 基地局密度と帯域割り当ては、3次元遮蔽環境下でのmmWaveおよびμWaveリンクのスペクトル効率にどのように影響するか？
• RQ4 現実的な3次元遮蔽を伴う超密ネットワークにおいて、スペクトル効率の閉形式式を導出できるか？ これにより、取り扱いやすい最適化が可能になるか？
• RQ5 最小ULレートが制約される場合、DLとULのリソース割り当ての最適なトレードオフは何か？

主な発見

• 500 MHzのmmWave帯域幅と20%の最小UL/DLレート比を想定した場合、ULボトルネックを解消するためにはμWave帯域の60%以上をULに割り当てる必要がある。
• 1 GHzのmmWave帯域幅では、最小ULレート要件を満たすために、μWave帯域全体をULに専有するべきである。
• 超密ネットワークにおけるmmWaveおよびμWaveリンクのスペクトル効率は、BS密度対ユーザー密度比の対数関数的増加を示す。
• ソウル（韓国）の実際の建物データに基づく3次元遮蔽モデルを用いたシミュレーションにより、下行リンクおよび上行リンクのスペクトル効率の導出式が妥当性を確認された。
• 最適なμWave ULリソース割り当ては、mmWave帯域幅および要求されるULレートに応じて増加するが、これは現在のDLリソース優先の傾向とは対照的である。
• 最大達成可能な下行リンクレートは、mmWaveおよびμWave BS密度の積の対数関数的増加を示し、ネットワークの密度化の利点を裏付けている。