[論文レビュー] Ultra-Dense Networks: Is There a Limit to Spatial Spectrum Reuse?

Ming Ding, David López Pérez+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、超密なネットワーク（UDNs）における空間スペクトルリユース（SSR）に根本的な限界があるかどうかを調査し、非ゼロのBS-UE高さ差と有限のUE密度のため、信号電力および干渉電力が両方とも有界になることを示している。その結果、ネットワーク容量は最適なSSR密度に達するまで線形にスケーリングされるが、それ以上の密度化は限界効果を示し、実用的UDNsにおけるSSRの理論的限界を示唆している。

ABSTRACT

The aggressive spatial spectrum reuse (SSR) by network densification using smaller cells has successfully driven the wireless communication industry onward in the past decades. In our future journey toward ultra-dense networks (UDNs), a fundamental question needs to be answered. Is there a limit to SSR? In other words, when we deploy thousands or millions of small cell base stations (BSs) per square kilometer, is activating all BSs on the same time/frequency resource the best strategy? In this paper, we present theoretical analyses to answer such question. In particular, we find that both the signal and interference powers become bounded in practical UDNs with a non-zero BS-to-UE antenna height difference and a finite UE density, which leads to a constant capacity scaling law. As a result, there exists an optimal SSR density that can maximize the network capacity. Hence, the limit to SSR should be considered in the operation of future UDNs.

研究の動機と目的

• 超密なネットワーク（UDNs）における空間スペクトルリユース（SSR）に、積極的なネットワーク密度化が行われても根本的な物理的限界があるかどうかを特定すること。
• 非ゼロのBS-UEアンテナ高さ差と有限の端末設備（UE）密度が、UDNsにおける信号電力および干渉電力のスケーリングに与える影響を分析すること。
• 完全なネットワーク負荷下でもSINR不変性が成り立つという従来の仮定が、実用的UDNシナリオにおいても有効かどうかを検証すること。
• 有界な信号電力および干渉電力を考慮した容量スケーリング則を導出し、最大ネットワーク容量を実現する最適なSSR密度を特定すること。
• SSRをBS密度に比例して無限に増加させられるという長年の信念に疑問を呈すること。

提案手法

• 超密なネットワーク（UDNs）における基地局（BS）およびUEの空間的分布を特徴付けるために、確率的幾何学およびポアソン点過程（PPP）モデルを用いる。
• 3GPPの勧告に基づき、視線（LoS）および視線外（NLoS）伝搬状態を組み込んだ複数部品のパスロスモデルを採用する。
• キャンベルの定理を適用して、LoSおよびNLoSリンクを含む集約干渉電力のラプラス変換を導出する。
• 有限のUE密度モデルを導入し、アクティブなUEをサービスするBSのみがアクティブになるようにし、部分的ネットワーク負荷と有界な干渉をもたらす。
• BS密度λ → ∞の極限において、通信確立確率およびエリアスペクトル効率（ASE）の挙動を分析し、有限の値に収束することを示す。
• 干渉制限条件下での漸近的通信確立確率およびASEの式を導出し、高密度下でBS密度に依存しないことを明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超密なネットワーク（UDNs）において、BS密度の増加に伴い、典型的なUEへの信号電力が無限に増加し続けるか？
• RQ2 有限のUE密度を有する実用的UDNにおいて、BS密度が増加するにつれて集約干渉電力が無限に増大するか？
• RQ3 km²あたり数千～数百万のBSを展開した場合、空間スペクトルリユース（SSR）に根本的な限界があるか？
• RQ4 非ゼロのBS-UEアンテナ高さ差と有限のUE密度が、UDNsにおけるSINRおよびネットワーク容量のスケーリングにどのように影響するか？
• RQ5 実用的伝搬および負荷条件下で、従来のSINR不変性仮定は有効であるか、それとも破綻するか？

主な発見

• BSとUE間の最小距離（L）が非ゼロであるため、典型的なUEへの信号電力は、密度化に伴い有界になる。
• 有限のUE密度のため、アクティブなBSの数が限界を持つことから、集約干渉電力も有界になる。
• BS密度λ → ∞のとき、通信確立確率はλに依存しない定数に収束する。これはSINRが不変でないことを示唆している。
• ASEもλ → ∞のとき有限の限界値に収束するため、BS密度の増加に伴いネットワーク容量が線形にスケーリングしなくなる。
• 最大ネットワーク容量を実現する最適な空間リユース密度が存在する。これは、同じスペクトルを使用するすべてのBSを起動することが、超密な状況では常に最適ではないことを示している。
• SSRの理論的限界は、物理的制約（最小距離L）と実用的ネットワーク負荷（有限のUE密度）の相乗作用に起因し、信号電力および干渉電力の両方が上限に達する。